在线性代数中,线性映射 的核是 中所有被 映射为 中零向量的向量构成的集合。核也称为零空间,记作 。核刻画了映射无法区分的输入差异:两个输入的输出相同,当且仅当它们的差属于核。因此,核在研究解的唯一性和求解线性方程时具有根本作用。(homepages.ucl.ac.uk)
定义与子空间结构
这里的零是陪域中的零向量,不一定是标量。核包含于定义域;相比之下,像(线性映射) 包含于陪域。这些定义既适用于有限维空间,也适用于无限维空间。(homepages.ucl.ac.uk)
核总是一个线性子空间。事实上,由线性性可得 ,因此核非空。如果 且 ,则
因此,核中向量的任意线性组合仍属于核。特别地,核不可能是空集:最小的核是 ,称为平凡核。(homepages.ucl.ac.uk)
单射性与解集
一个线性映射是单射函数,当且仅当它的核是平凡核。关键在于以下等价关系:
如果核中只有零向量,那么输出相同就必然意味着输入相同。反过来,核中的任何非零向量都与零向量具有相同的输出,因此映射不可能是单射。(math.ucla.edu)
更一般地,假设 有一个特解 ,则其完整解集为
这是一个以核为方向空间的仿射空间。如果 ,则方程无解。因此,像决定了某个输出是否能够达到,而核决定了产生该输出的输入有多大程度的不唯一性。(math.dartmouth.edu)
零化度与秩—零化度定理
核的维数(向量空间)称为 的零化度。当定义域为有限维空间时,秩—零化度定理指出
右侧第二项是秩。证明时,先取核的一组基(线性代数),将其扩充为 的一组基,再证明新增基向量的像构成像空间的一组基。(math.ucla.edu)
对于一个 矩阵 ,上述公式变为
其中,矩阵的秩衡量相互独立的输出方向的数量。特别地,若列数大于行数,则核必定非平凡。(live.ocw.mit.edu)
矩阵表示与计算
选定基后,有限维空间之间的线性映射可用矩阵 表示,其核则由齐次线性方程组
的解来表示。高斯消元法不改变这一解集。在简化行阶梯形中,主元变量可用自由变量表示。依次将一个自由变量设为 、其余自由变量设为 ,便可得到一组线性无关的解,它们的线性包就是整个核。(ocw.mit.edu)
例如,在实数域上,取
由方程可得 和 。因此
核是一条经过原点的直线,其一组基为 ,零化度为 。这是利用自由变量构造核的基的直接例子。(ocw.mit.edu)
尽管坐标表示会随所选的基而变化,但核本身是原定义域中不依赖于基的内在子空间。(math.ucla.edu)
商空间解释
核在 上定义了一个等价关系:两个输入等价,当且仅当它们的差属于 。相应的商向量空间 将输出相同的输入恰好归入同一个等价类。(math.dartmouth.edu)
第一同构定理给出一个典范同构
这个映射是良定义的,因为给代表元加上核中的向量并不会改变其输出。它是单射,因为只有零陪集被映射为零;根据像的定义,它又是到像空间的满射。这一结论不需要有限维假设。(math.dartmouth.edu)
求导的例子
核中的元素不一定是坐标向量。在次数不超过 的实系数多项式空间上,取导数的映射 的核恰好是所有常数多项式。当 时,它的像由次数不超过 的多项式组成。因此,它的零化度为 ,秩为 ,而定义域的维数为 ,这展示了秩—零化度定理在函数空间中的应用。(homepages.ucl.ac.uk)