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向量空間與子空間

大一 · 線性代數

觀念

xy-3-2-1123-3-2-1123Ox + 2y = 0:過原點,是子空間x + y = 1:不過原點,不是

向量空間 (vector space) 是「可以加、可以乘常數,且運算規則合理」的集合;除了 Rn\mathbb{R}^n,多項式、矩陣、連續函數都是向量空間。子空間 (subspace) 是向量空間裡本身也是向量空間的子集,判定只需三條:含零向量、對加法封閉、對純量乘法封閉。

幾何直覺:R3\mathbb{R}^3 的子空間只有原點、過原點的直線、過原點的平面、整個空間。在 R2\mathbb{R}^2 中,不過原點的直線(x+y=1x+y=1)、右半平面(x≥0x\ge0)、拋物線(y=x2y = x^2)都不是——各自至少違反一條。

基底 (basis) 是「線性獨立且能生成整個空間」的向量組,基底的向量個數就是維度。R2\mathbb{R}^2 的任兩個不平行向量都是基底。

子空間語言統一了齊次方程組 Ax=0A\mathbf x = \mathbf 0 的解集合(零核)、矩陣的行空間、微分方程的解空間;抽象化之後才能談函數空間、Fourier 級數與量子力學的態空間。

例題

考慮下列集合:S1S_1 = {(x,y)∈R2:x+2y=0}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x + 2y = 0\};S2S_2 = {(x,y)∈R2:x+y=1}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x + y = 1\};S3S_3 = {(x,y)∈R2:x≥0}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x \ge 0\};S4S_4 = {(x,y)∈R2:y=x2}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : y = x^2\}。哪一個是子空間 (subspace)?

  1. ① S3S_3
  2. ② S4S_4
  3. ③ S1S_1
  4. ④ S2S_2
看解法與答案

子空間三條件:含零向量、對加法封閉、對純量乘法封閉。

S1S_1 = {(x,y)∈R2:x+2y=0}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x + 2y = 0\}:通過原點的直線:零向量在裡面,兩個解相加、乘常數仍滿足 x+2y=0x+2y=0。所以選 ③。

其他集合都不是子空間:{(x,y)∈R2:x≥0}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x \ge 0\} (1,0)(1,0) 乘 −1-1 得 (−1,0)(-1,0) 跑出去,對純量乘法不封閉;{(x,y)∈R2:x+y=1}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x + y = 1\} 不含零向量 (0,0)(0,0)。

還有 {(x,y)∈R2:y=x2}\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : y = x^2\} (1,1)(1,1) 在裡面但 2(1,1)=(2,2)2(1,1) = (2,2) 不在。

答案: S1S_1

用在哪裡

插畫

向量空間與子空間:情境插畫向量空間與子空間:例題插畫

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