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词条 矢量空间
释义

矢量空间

矢量空间(或称线性空间)是现代数学中的一个基本概念。是线性代数研究的基本对象。矢量空间的一个直观模型是矢量几何,几何上的矢量及相关的运算即矢量加法,标量乘法,以及对运算的一些限制如封闭性,结合律,已大致地描述了“矢量空间”这个数学概念的直观形象。

在现代数学中,“矢量”的概念不仅限于此,符合下列公理的任何数学对象都可被当作矢量处理。譬如,实系数多项式的集合在定义适当的运算后构成矢量空间,在代数上处理是方便的。单变元实函数的集合在定义适当的运算后,也构成矢量空间,研究此类函数矢量空间的数学分支称为泛函分析。

公理化定义

给定域F,一个矢量空间是个集合V 并规定两个运算:

矢量加法V × VV,把 V 中的两个元素vw变为 V 中另一个元素,记作 v+w

标量乘法F × VV,把F中的一个元素aV 中的一个元素v变为 V 中的另一个元素,记作av

这两个运算符合下列公理 (对F 中的任意元素 ab 以及V 中的任意元素 uvw):

矢量加法结合律:u+ (v + w) = (u + v) +w

矢量加法交换律:v + w = w + v

存在矢量加法的单位元:V 里存在一个叫做零矢量的元素,记作0,满足:∀ vV , v + 0 = v

矢量加法的逆元素:∀vV, ∃wV, 使得 v + w = 0

标量乘法对矢量加法满足分配律:a(v + w) = av+aw.

标量乘法对域加法满足分配律:(a + b)v = av+bv.

标量乘法与标量的域乘法相容:a(bv) = (ab)v

标量乘法有单位元:域 F 的乘法单位元1满足:∀ v1v = v

前四个公理是说明矢量V在矢量加法中是个交换群,余下的四个公理应用于标量乘法。需要注意的是矢量之间的加法和标量之间的加法是不一样的,标量与矢量之间的乘法(标量乘法)和两个标量之间的乘法(域中自带的乘法)也是不一样的。

简而言之,矢量空间是一个F-模。

V 中的元素叫作矢量,而F 中的元素叫作标量

F是实数域RV称为实数矢量空间.

F是复数域CV称为复数矢量空间.

F是有限域,V称为有限域矢量空间

对一般域FV称为F-矢量空间

基本性质

以下是一些很容易从矢量空间公理推导出来的特性:

零矢量 0V (公理3) 是唯一的.

a0 = 0aF.

0 v = 0vV 这里 0 是F的加法单位元.

av = 0 ,则可以推出要么 a = 0 ,要么 v = 0.

可加的逆元矢量 v (公理4) 是唯一的. (写成−v). 这个写法vwv + (−w) 都是标准的.

(−1)v = −vvV.

(−a)v = a(−v) = −(av) ∀ aF , ∀ vV.

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更新时间:2025/2/5 22:21:59