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数学 / direct-sum

直和

将向量空间或模作为独立分量组合起来的构造,元素具有唯一分解;无限代数直和要求有限支撑。

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向量空间模(数学)线性子空间域(数学)笛卡尔积同构基(线性代数)内积直和

直和记作 ⊕\oplus,它将向量空间或模组合成一个结构,其中每个元素的各个分量都唯一确定。直和既可以指从给定空间构造一个新空间,称为外直和;也可以指将已有空间分解为若干线性子空间,称为内直和。当分量有无限多个时,代数直和要求每个元素只有有限多个非零分量。(math.stanford.edu)

外直和

设 VV 和 WW 是同一个域 FF 上的向量空间。它们的外直和是集合

V⊕W={(v,w):v∈V, w∈W},V\oplus W=\{(v,w):v\in V,\ w\in W\},

运算按分量定义:

(v,w)+(v′,w′)=(v+v′,w+w′),a(v,w)=(av,aw).(v,w)+(v',w')=(v+v',w+w'),\qquad a(v,w)=(av,aw).

因此,对两个空间而言,直和的底层集合就是它们的笛卡尔积。这一构造不要求 VV 和 WW 是某个共同空间的子空间。通过典范嵌入

ιV(v)=(v,0),ιW(w)=(0,w),\iota_V(v)=(v,0),\qquad \iota_W(w)=(0,w),

二者分别成为新空间的子空间。于是,每个元素都具有唯一分解

(v,w)=ιV(v)+ιW(w).(v,w)=\iota_V(v)+\iota_W(w).

同样的构造适用于任意有限族向量空间,或某个固定环上的任意有限族模。(math.stanford.edu)

内直和

对于子空间 U,W⊆VU,W\subseteq V,它们的普通和为

U+W={u+w:u∈U, w∈W}.U+W=\{u+w:u\in U,\ w\in W\}.

如果每个元素都恰好只有一种这样的表示,则这个和是直和。等价地,

U∩W={0}.U\cap W=\{0\}.

写成

V=U⊕WV=U\oplus W

既表示 U+W=VU+W=V,也表示分解是唯一的。事实上,若 u+w=u′+w′u+w=u'+w',则

u−u′=w′−w∈U∩W;u-u'=w'-w\in U\cap W;

因此,交集为零便迫使 u=u′u=u' 且 w=w′w=w'。此时,加法映射

U⊕externalW⟶V,(u,w)⟼u+wU\oplus_{\mathrm{external}}W\longrightarrow V,\qquad (u,w)\longmapsto u+w

是一个同构。(linear.pugetsound.edu)

对于多个子空间,唯一性意味着:如果

u1+⋯+un=0,ui∈Ui,u_1+\cdots+u_n=0,\qquad u_i\in U_i,

那么对每个 ii 都有 ui=0u_i=0。当直和项有三个或更多时,仅有两两交集为零是不够的。例如,R2\mathbb R^2 中分别由 (1,0)(1,0)、(0,1)(0,1) 和 (1,1)(1,1) 张成的三条直线,两两仅交于零,但

(1,0)+(0,1)−(1,1)=0(1,0)+(0,1)-(1,1)=0

却给出了它们之间的一个非平凡关系。这说明直和定义中的唯一性要求更强。(cfm.brown.edu)

基、维数与补空间

若 V=U⊕WV=U\oplus W,则 UU 的一组基与 WW 的一组基的并集是 VV 的一组基。因此,在有限维情形下,

dim⁡V=dim⁡U+dim⁡W.\dim V=\dim U+\dim W.

更一般地,对于有限维子空间,

dim⁡(U+W)=dim⁡U+dim⁡W−dim⁡(U∩W).\dim(U+W)=\dim U+\dim W-\dim(U\cap W).

交集的维数衡量了两个子空间的重叠程度,而这种重叠正是普通和不能成为直和的原因。(linear.pugetsound.edu)

满足 V=U⊕WV=U\oplus W 的子空间 WW 称为 UU 的补空间。在有限维空间中,可以将 UU 的一组基扩充为 VV 的一组基,再取新增向量张成的空间,便得到一个补空间。补空间未必唯一。直和也不要求正交;正交这一附加概念依赖于内积。在有限维内积空间中,

V=U⊕U⊥,V=U\oplus U^\perp,

其中 U⊥U^\perp 是 UU 的正交补。(linear.pugetsound.edu)

一个直和分解还确定了一个线性投影:

P(u+w)=u.P(u+w)=u.

它满足 P2=PP^2=P,像为 UU,核为 WW。当 W=U⊥W=U^\perp 时,它就是到 UU 上的正交投影;否则,它一般是斜投影。(math.umd.edu)

无限代数直和

对于环 RR 上的一族模 (Mi)i∈I(M_i)_{i\in I},其代数直和为

⨁i∈IMi={(mi)∈∏i∈IMi:mi=0,除有限多个 i 外}.\bigoplus_{i\in I}M_i = \left\{(m_i)\in\prod_{i\in I}M_i: m_i=0\text{,除有限多个 }i\text{ 外}\right\}.

加法和标量乘法均按分量进行。有限支撑条件保证每个元素都能写成来自各个分量的元素的有限和。(math.stanford.edu)

相比之下,直积 ∏iMi\prod_i M_i 允许坐标族不受这种限制。当指标集有限时,这两种构造相同。当有无限多个 MiM_i 非零时,直和通过典范嵌入成为直积的真子模。例如,

⨁n=1∞R\bigoplus_{n=1}^{\infty}\mathbb R

由从某一项起全为零的实数序列组成,而 ∏n=1∞R\prod_{n=1}^{\infty}\mathbb R 包含所有实数序列,包括 (1,1,1,…)(1,1,1,\ldots)。(math.stanford.edu)

泛性质

直和可由一个泛性质刻画。给定一个模 NN 和一族模同态

fi:Mi⟶N,f_i:M_i\longrightarrow N,

存在唯一的同态

f:⨁iMi⟶N,f:\bigoplus_i M_i\longrightarrow N,

使得对每个典范嵌入 ιi\iota_i,都有 f∘ιi=fif\circ\iota_i=f_i。具体而言,

f((mi))=∑ifi(mi),f((m_i))=\sum_i f_i(m_i),

由于只有有限项非零,这一定义是良定义的。用范畴论的语言来说,代数直和是 RR-模范畴中的余积。直积具有方向相反的映射性质:映入直积的映射由映入各个分量的映射确定。(math.stanford.edu)

矩阵与表示

对于矩阵 AA 和 BB,它们的直和是分块矩阵

A⊕B=(A00B).A\oplus B= \begin{pmatrix} A&0\\ 0&B \end{pmatrix}.

若二者分别表示 VV 和 WW 上的线性算子,那么这个矩阵表示按分量作用的算子

(A⊕B)(v,w)=(Av,Bw).(A\oplus B)(v,w)=(Av,Bw).

因此,共同的分块对角形式表达了在各个直和项上的独立作用。(ocw.mit.edu)

在表示论中,同一个群的两个表示 ρV\rho_V 和 ρW\rho_W 可按如下方式组合:

(ρV⊕ρW)(g)(v,w)=(ρV(g)v,ρW(g)w).(\rho_V\oplus\rho_W)(g)(v,w) = \bigl(\rho_V(g)v,\rho_W(g)w\bigr).

将一个表示分解为直和,需要互补的不变子空间,而不只是对其底层向量空间作任意分解。用矩阵描述这种分解时,需要选取一组基,使所有表示矩阵都具有相同的分块结构。(sites.ualberta.ca)

希尔伯特空间的直和

在泛函分析中,“直和”可以指经过完备化的构造,而不是要求有限支撑的代数直和。对于一列希尔伯特空间 HnH_n,希尔伯特直和为

⨁n=1∞Hn={(xn):xn∈Hn, ∑n=1∞∥xn∥2<∞},\bigoplus_{n=1}^{\infty}H_n = \left\{(x_n):x_n\in H_n,\ \sum_{n=1}^{\infty}\|x_n\|^2<\infty\right\},

其内积为

⟨x,y⟩=∑n=1∞⟨xn,yn⟩Hn.\langle x,y\rangle = \sum_{n=1}^{\infty}\langle x_n,y_n\rangle_{H_n}.

它是代数直和在相应范数下的完备化。令每个 Hn=RH_n=\mathbb R 或 C\mathbb C,便得到序列空间 ℓ2\ell^2。与代数直和不同,这里允许有无限多个非零项的平方可和序列。(web.math.princeton.edu)

希尔伯特空间的闭子空间 UU 给出正交分解 H=U⊕U⊥H=U\oplus U^\perp。闭性条件至关重要:代数分解关注有限和及其唯一性,而希尔伯特空间的分解还涉及收敛性和完备性。(web.math.princeton.edu)

参考来源

  1. Math 210A. Homework 1math.stanford.edu
  2. MATH 210A, FALL 2017: Homework 1 Solutionsmath.stanford.edu
  3. Math 210A: Modern Algebra, Homework 1math.stanford.edu
  4. SCLA Direct Sumslinear.pugetsound.edu
  5. Linear Algebra, Part 3: Direct Sums (Mathematica)cfm.brown.edu
  6. Lecture 12: Direct Sums and Projectionsmath.umd.edu
  7. RES.18-012 (Spring 2022) Full Lecture Notes: Algebra II Student Notesocw.mit.edu
  8. Properties of representationssites.ualberta.ca
  9. Functional Analysis Princeton University MAT520 Lecture Notesweb.math.princeton.edu