3.1线性变换及其核与像
定义 3.1 (线性变换)
设V和W是定义在域F上的向量空间,若对于任意r,s∈F和向量u,v∈V,函数τ:V→W满足
τ(ru+sv)=rτ(u)+sτ(v),
(3.1.1)
则称其为线性变换(linear transformation);
线性变换τ:V→V称为V上的线性算子(linear operator)。
所有从V到W的线性变换构成的集合记为1L(V,W);
所有V上线性算子的集合记为L(V)。
以下术语也经常被使用。
定义 3.2
同态(homomorphism)对应线性变换;
自同态(endomorphism)对应线性算子;
单同态(monomorphism)或嵌入(embedding)对应单射线性变换;
满同态(epimorphism)对应满射线性变换;
同构(isomorphism)对应双射线性变换;
自同构(automorphism)对应双射线性算子。
例 3.1
微分算符D:V→V是R上所有无穷可微函数构成的向量空间V上的线性算子;
设矩阵A∈Mm,n(F),函数τA:Fn→Fm定义为τA(v)=Av,其中所有向量v均写成列向量,那么τA是从Fn到Fm的线性变换;
n维向量空间的坐标映射ϕ:V→Fn为从V到Fn的线性变换。
命题 3.1
集合L(V,W)在普通的函数加法和函数关于F上元素的标量乘法下构成一个向量空间;
若σ∈L(U,V),τ∈L(V,W),则复合(composition)τσ∈L(U,W);
若τ∈L(V,W)为双射,则τ−1∈L(V,W);
向量空间L(V)是一个代数2,其乘法为函数复合,单位映射ι∈L(V)为乘法单位元,零映射0∈L(V)为加法单位元。
证明
根据定义容易验证该结论;
对于任意u,v∈U和r,s∈F,
(τσ)(ru+sv)=τ(σ(ru+sv))=τ(rσ(u)+sσ(v))=rτ(σ(u))+sτ(σ(v))=r(τσ)(u)+s(τσ)(v),
(3.1.2)
因此τσ∈L(U,W);
对于任意w1,w2∈W和r,s∈F,存在v1,v2∈V使得w1=τ(v1)且w2=τ(v2),因此
τ−1(rw1+sw2)=τ−1(rτ(v1)+sτ(v2))=τ−1(τ(rv1+sv2))=rv1+sv2=rτ−1(w1)+sτ−1(v2),
(3.1.3)
因此τ−1∈L(W,V);
根据代数的定义容易证明该结论。
定义线性变换最简单的方式之一是给定其在一组基上的值。
下述定理说明,我们可以在基上任意赋值,并通过线性延拓得到整个定义域上唯一的线性变换。
定理 3.1
设V和W为向量空间,B={vi∣i∈I}为V的一组基,则可以为所有vi∈B任意指定τ(vi)∈W的值,然后利用线性性将τ的定义域延拓到V上,即
τ(a1v1+⋯+anvn)=a1τ(v1)+⋯+anτ(vn).
(3.1.4)
该过程唯一定义了一个线性变换;
换言之,若τ,σ∈L(V,W)对任意vi∈B满足τ(vi)=σ(vi),则τ=σ。
证明
根据命题 2.3,对于任意u,v∈V,若u=v,则两者具有相同的表示,即存在ai∈F使得u=v=∑i=1naivi,进而τ(u)=τ(v),即该线性延拓是良定义的。
现在假设存在σ∈L(V,W)使得τ(vi)=σ(vi)对所有i∈I成立。
那么对于任意v∈V,存在ai∈F使得v=∑i=1naivi,进而
τ(v)=τ(i=1∑naivi)=i=1∑naiτ(vi)=i=1∑naiσ(vi)=σ(i=1∑naivi)=σ(v).
(3.1.5)
利用v的任意性,τ=σ。
定义 3.3 (线性变换的核与像)
设τ∈L(V,W),子空间ker(τ)={v∈V∣τ(v)=0}与im(τ)={τ(v)∣v∈V}分别称为τ的核(kernel)与像(image)。
dim(ker(τ))称为τ的零化度(nullity),记作null(τ);
dim(im(τ))称为τ的秩3,记作rk(τ)。
命题 3.2
设τ∈L(V,W),则
τ为满射当且仅当im(τ)=W;
τ为单射当且仅当ker(τ)={0}。
证明
结论1恰好与满射的定义相一致;
对于结论2,任取u,v∈V,那么τ(u)=τ(v) ⇔ τ(u−v)=0 ⇔ u−v∈ker(τ)。
因此若ker(τ)={0},则u=v,即τ为单射;
若τ为单射,则对于任意v∈ker(τ),τ(v)=0=τ(0),因此v=0,即ker(τ)={0}。
3.2同构与秩-零化度定理
定义 3.4 (同构)
双射线性变换τ:V→W称为从V到W的同构(isomorphism)。
当从V到W的同构存在时,我们称V与W同构,记作V≅W。
例 3.2
设dim(V)=n,则对于V中任意有序基B,坐标映射ϕB:V→Fn将每个V中的向量映射到其坐标矩阵[v]B∈Fn,从而ϕB为同构。
因此,F上任意n维向量空间同构于Fn。
正如以下命题所示,同构向量空间具有许多共同的性质。
若τ∈L(V,W)且S⊆V,则τ(S)={τ(s)∣s∈S}。
命题 3.3
设τ∈L(V,W)为同构,S⊆V,则
S张成V当且仅当τ(S)张成W;
S在V中线性无关当且仅当τ(S)在W中线性无关;
S是V的基当且仅当τ(S)是W的基。
上述结果请自行验证,据此我们直接得到如下结论。
推论 3.1
线性变换τ∈L(V,W)是同构当且仅当存在V的一组基B,使得τ(B)是W的一组基。
在这种情况下,τ将V中任意基映射到W内的一组基。
推论 3.2
设V和W为F上的向量空间,则V≅W当且仅当dim(V)=dim(W)。
在例例 3.2中,我们看到任意n维向量空间都同构于Fn。
现在假设B是一个基数为κ的集合,设(FB)0为所有从B到F且具有有限支撑的函数构成的向量空间。
容易证明,对于任意b∈B,函数
δb(x)={1,0,if x=b,if x=b
(3.2.1)
构成(FB)0的一组基,称为标准基(standard basis)。
此时任意函数f∈(FB)0可表示为∑b∈Bf(b)δb,故dim((FB)0)=∣B∣=κ。
当然,对于任意基数κ,存在维度为κ的向量空间与(FB)0同构。
定理 3.2
若n为自然数,则F上任意n维向量空间同构于Fn。
若κ为任意基数,且B是基数为κ的集合,那么F上任意κ维向量空间同构于所有从B到F的具有有限支撑的函数构成的向量空间(FB)0。
有了上述结果,我们可以证明关于秩和零化度之间的一个重要关系,称为秩-零化度定理。
定理 3.3 (秩-零化度定理)
设τ∈L(V,W)。
ker(τ)的任意补空间同构于im(τ);
秩-零化度定理:
dim(ker(τ))+dim(im(τ))=dim(V),或者rk(τ)+null(τ)=dim(V)。
证明
设τ∈L(V,W),根据定理 2.4,任何子空间都具有补空间。
不妨记V=ker(τ)⊕ker(τ)c,其中ker(τ)c为V中ker(τ)的补空间。
对于τ的ker(τ)c上的限制τc:ker(τ)c→W,
ker(τc)={v∈ker(τ)c∣τ(v)=0}=ker(τ)c∩ker(τ)={0}.
(3.2.2)
根据命题 3.2,τc为单射。
对于任意向量v∈V,存在u∈ker(τ)和w∈ker(τ)c,使得
τ(v)=τ(u+w)=τ(u)+τ(w)=τc(w)⟹im(τ)⊆im(τc).
(3.2.3)
根据定义,im(τc)⊆im(τ)是显然的,从而im(τc)=im(τ)。
由此可见从ker(τ)c到im(τc)的映射τc既是单射又是满射,故ker(τ)c≅im(τc)=im(τ)。
那么根据定理 2.7,dim(V)=dim(ker(τ))+dim(ker(τ)c)=dim(ker(τ))+dim(im(τ))。
上述定理有一条重要的推论。
推论 3.3
设τ∈L(V,W),其中dim(V)=dim(W)<∞,则τ为单射当且仅当其为满射。
证明
根据命题 3.2,τ为单射当且仅当其为零空间,当且仅当dim(ker(τ))=0。
再根据定理 3.3,τ为单射当且仅当dim(im(τ))=dim(V)=dim(W)。
利用定理 3.2,τ为单射当且仅当im(τ)与W同构,即τ为满射。
3.3矩阵变换与基变换
3.1 从Fn到Fm的线性变换
在例例 3.1中,对于域F上任意m×n矩阵A,乘法映射τA(v)=Av是一个线性变换。
事实上,任意线性变换τ∈L(Fn,Fm)都具有此形式。
设矩阵A第i列为τ(ei),即A=(τ(e1)∣⋯∣τ(en)),其中ei为第i个标准基,则
Aei=(τ(e1)∣⋯∣τ(en))(i)=τ(ei),
(3.3.1)
其中A(i)表示A的第i列,因此τ=τA。
命题 3.4
设A为F上的一个m×n矩阵,则τA∈L(Fn,Fm);
若τ∈L(Fn,Fm),则τ=τA,其中A=(τ(e1)∣⋯∣τ(en))称为τ的矩阵。
若A∈Mm,n(F),则τA的像为A的列向量的线性组合,即A的列空间,因此秩-零化度定理 3.3给出
dim(ker(τA))+rk(A)=dim(Fn)=n.
(3.3.2)
由此对于矩阵A,可得到类似命题 3.2的结论。
命题 3.5
设A为F上的m×n矩阵。
τA:Fn→Fm为单射当且仅当rk(A)=n;
τA:Fn→Fm为满射当且仅当rk(A)=m。
3.2 基变换矩阵
设B=(b1,⋯,bn)和C=(c1,⋯,cn)为向量空间V的有序基,一个自然的疑问是,坐标矩阵[v]B和[v]C如何关联起来。
将[v]B化为[v]C的映射ϕB,C满足
[v]C=ϕC(v)=ϕC⋅ϕB−1([v]B)=(ϕCϕB−1)[v]B,
(3.3.3)
即ϕB,C=ϕCϕB−1,称其为基/坐标变换算子(change of basis/coordinates operator)。
利用上一小节的讨论,ϕC,B为Fn上的线性算子,因此其矩阵表示为
A=(ϕB,C(e1)∣⋯∣ϕB,C(en))=(ϕCϕB−1(e1)∣⋯∣ϕCϕB−1(en))=([b1]C∣⋯∣[bn]C).
(3.3.4)
以后将此处A记为MB,C,并称其为从B到C的基变换矩阵。
定理 3.4
设B=(b1,⋯,bn)和C为向量空间V的两组有序基,则基变换算子ϕB,C=ϕCϕB−1为Fn上的自同构,其标准矩阵为
MB,C=([b1]C,⋯,[bn]C),
(3.3.5)
进而[v]C=MB,C[v]B,并且MC,B=MB,C−1。
证明
已知坐标映射ϕB和ϕC均为同构,容易验证ϕB,C为自同构。
另外,
MB,C−1=(ϕB,C−1(e1),⋯,ϕB,C−1(en))=(ϕC,B(e1),⋯,ϕC,B(en))=MC,B.
(3.3.6)
推论 3.4
若给定以下任意两者:
可逆n×n矩阵A;
Fn的有序基B;
Fn的有序基C;
则第三者可由方程A=MB,C唯一确定。
3.3 线性变换的矩阵
设τ:V→W为线性变换,其中dim(V)=n且dim(W)=m。
设B=(b1,⋯,bn)和C分别为V和W的有序基,则映射θ:[v]B→[τ(v)]C为线性变换τ:Fn→Fm的表示(representation)。
当然,这一表示取决于有序基B和C的选择。
由于θ从Fn和Fm的线性变换,它无非是一个m×n的矩阵A的乘法作用,即[τ(v)]C=A[v]B。
事实上,考虑到[bi]B=ei,类似(3.3.1)式可如下得到A的列:
A(i)=Aei=A[bi]B=[τ(bi)]C.
(3.3.7)
定理 3.5
设τ∈L(V,W),B=(b1,⋯,bn)和C分别为V和W的有序基,则τ可关于B和C表示为矩阵乘法,即[τ(v)]C=[τ]B,C[v]B,其中
[τ]B,C=([τ(b1)]C,⋯,[τ(bn)]C)
(3.3.8)
称为τ关于基B和C的矩阵。
当V=W且B=C时,我们将[τ]B,B简记为[τ]B,从而[τ(v)]B=[τ]B[v]B。
以下结果说明,采用线性变换或与其表示矩阵(给定有序基B和C)进行操作是同样方便的。
这不仅适用于加法和标量乘法,也适用于矩阵乘法。
定理 3.6
设V和W为域F上的向量空间,其分别包含有序基B=(b1,⋯,bn)和C=(c1,⋯,cm)。
映射μ:L(V,W)→Mm,n(F)定义为μ(τ)=[τ]B,C,则该映射是同构,因此L(V,W)≅Mm,n(F);
若σ∈L(U,V)且τ∈L(V,W),B,C,D分别为U,V,W的有序基,则
[τσ]B,D=[τ]C,D[σ]B,C,
(3.3.9)
因此乘积(复合)τσ的矩阵为τ和σ各自矩阵的乘积。
事实上,这正是矩阵乘法定义的主要动机。
证明
首先证明该映射是线性的,即对于任意τ,σ∈L(V,W)和r,s∈F,根据定理 3.5以及坐标映射线性的事实,
μ(rτ+sσ)ei=[rτ+sσ]B,C[bi]B=[(rτ+sσ)(bi)]C=[rτ(bi)+sσ(bi)]C=r[τ(bi)]C+s[σ(bi)]C=(r[τ]B,C+s[σ]B,C)ei.
(3.3.10)
利用定理 3.1,μ是线性变换。
根据定理 3.2,可由[τ]B,C和有序基C确定τ(bi),进而确定τ。
因此μ为满射;
根据推论 3.3,此时μ为双射,进而为同构;
根据上述结果,
[τσ]B,D[bi]B=[(τσ)(bi)]D=[τ]C,D[σ(bi)]C=[τ]C,D[σ]B,C[bi]B
(3.3.11)
对任意bi∈B成立。
根据定理 3.1,[τσ]B,D=[τ]B,C[σ]D。
3.4 线性变换的基变换
定理 3.7
设τ∈L(V,W),(B,C)和(B′,C′)分别为V和W的两对有序基,则
[τ]B′,C′=MC,C′[τ]B,CMB′,B.
(3.3.12)
证明
根据定理 3.4和定理 3.5,对于任意bi′∈B′,
[τ]B′,C′[bi′]B′=[τ(bi′)]C′=MC,C′[τ(bi′)]C=MC,C′[τ]B,C[bi′]B=MC,C′[τ]B,CMB′,B[bi′]B′,
(3.3.13)
因此有[τ]B′,C′=MC,C′[τ]B,CMB′,B,结论得证。
对于V=W以及B′=C,C′=B的特殊情形,我们可直接得到以下推论。
推论 3.5
设τ∈L(V),B和C为V的两组有序基,则[τ]C=MB,C[τ]BMB,C−1。
3.4等价性与相似性
4.5 矩阵的等价
由于基变换矩阵实际上为可逆矩阵,定理 3.7的内容正是引出“矩阵等价”这一概念的动机。
定义 3.5 (矩阵等价)
若存在可逆矩阵P和Q,使得矩阵A和B之间满足B=PAQ−1,则称A和B等价(equivalent)。
定理 3.8
设V和W分别为维度为n和m的向量空间,则两个m×n矩阵A和B等价当且仅当其(可能在不同有序基下)表示同一个线性变换τ∈L(V,W)。
在这种情况下,A和B表示L(V,W)中相同的线性变换集。
证明
若A和B均表示τ,存在有序基对(B,C)和(B′,C′)使得A=[τ]B,C且B=[τ]B′,C′。
根据定理 3.7,存在P=MC,C′和Q=MB,B′使得B=PAQ−1,从而A和B等价;
反之若A和B等价,存在可逆矩阵P和Q使得B=PAQ−1。
根据定理 3.5,可通过A和W的一组任意给定的有序基C确定V的一组有序基B,使得A=[τ]B,C,其中τ为从V到W的某个线性变换。
类似地,根据定理 3.4,可通过P和Q以及给定的有序基B和C确定相应的有序基B′和C′,使得P=MC,C′且Q=MB,B′。
那么利用定理 3.7,B=PAQ−1=[τ]B′,C′。
4.6 矩阵的相似
定义 3.6 (矩阵相似)
若存在可逆矩阵P,使得矩阵A和B满足B=PAP−1,则称A和B相似(similar)。
与矩阵相似有关的等价类称为相似类(similar class)。
作为定理 3.8和推论 3.5的推论,我们有如下结果。
推论 3.6
设V为n维向量空间,那么两个n×n矩阵A和B相似当且仅当其(可能在不同的有序基下)表示同一个线性算子τ∈L(V)。
在这种情况下,A和B表示L(V)中相同的线性算子集。
4.7 算子的相似
定义 3.7
若存在自同构ϕ∈L(V)使得线性算子τ,σ∈L(V)满足σ=ϕτϕ−1,则称τ和σ相似。
与算子相似相关的等价类称为相似类。
定理 3.9
设V为n维向量空间,那么V上的两个线性算子相似当且仅当存在一个矩阵A∈Mn可同时(可能在不同的有序基下)表示两个算子,
在这种情况下,τ和σ可用Mn中相同的矩阵集表示。
证明
若存在V的有序基B和C使得[τ]B=A=[σ]C,那么可定义同构ϕ(bi)=ci,从而根据定理 3.4,
[ϕ]B=([ϕ(b1)]B,⋯,[ϕ(bn)]B)=([c1]B,⋯,[cn]B)=MC,B,
(3.4.1)
因此根据定理 3.6和推论 3.5,
[σ]B=MC,B[σ]CMC,B−1=[ϕ]B[τ]B[ϕ−1]B=[ϕτϕ−1]B.
(3.4.2)
可见对于任意给定的有序基,σ=ϕτϕ−1,即σ和τ等价;
反之若τ和σ等价,存在自同构ϕ使得σ=ϕτϕ−1。
对于任意给定的有序基B,可通过ϕ(bi)=ci定义一组有序基C。
根据(3.4.1)式,[ϕ]B=MC,B,进而
[τ]B=[ϕ−1σϕ]B=[ϕ]B−1[σ]B[ϕ]B=MB,C[σ]BMB,C−1=[σ]C.
(3.4.3)
3.5不变子空间与约化对
一般而言,线性算子τ∈L(V)在V的子空间S上的限制未必是线性算子(封闭性),由此引出如下定义。
定义 3.8 (不变子空间)
设τ∈L(V)。
对于V的一个子空间S,若τ(S)⊆S,则称S在τ下不变(invariant under τ)或者τ-不变(τ-invariant);
换言之,对于任意s∈S,均有τ(s)∈S,即限制τ∣S是S上的线性算子。
例 3.3
在R2中定义线性算子τ(x,y)=(x+y,y),那么子空间S={(x,0)∣x∈R}是τ-不变的,但子空间T={(0,y)∣y∈R}不是。
这说明一般而言,即便V的子空间S是τ-不变的,其补空间T也未必是τ-不变的。
定义 3.9 (约化)
设τ∈L(V)。
若V=S⊕T且S和T均为τ-不变的,称(S,T)约化(reduce)τ。
约化对可用于将线性算子如下分解为直和形式。
定义 3.10 (算子直和)
设τ∈L(V)。
若(S,T)约化τ,记τ=τ∣S⊕τ∣T,并称τ为τ∣S与τ∣T的直和。
因此,表达式ρ=σ⊕τ∈L(V)意味着存在V的子空间S和T,使得(S,T)约化ρ,并且σ=ρ∣S,τ=ρ∣T。
3.6投影算子
6.8 定义与基本性质
定义 3.11 (投影)
设V=S⊕T,则线性算子ρS,T:V→V定义为ρS,T(s+t)=s,其中s∈S,t∈T。
ρS,T称为沿T到S上的投影(projection onto S along T)。
以下是投影算子的基本性质。
命题 3.6
设V为向量空间,ρ∈L(V)。
若V=S⊕T,则ρS,T+ρT,S=ι;
若ρ=ρS,T,则im(ρ)=S且ker(ρ)=T,进而V=im(ρ)⊕ker(ρ)。
此外v∈im(ρ) ⇔ ρv=v;
若σ∈L(V)满足V=im(σ)⊕ker(σ)且σ∣im(σ)=ι,则σ为沿ker(σ)到im(σ)上的投影。
证明
对于V=S⊕T内任意向量v,存在s∈S和t∈T使得v=s+t,那么(ρS,T+ρT,S)(v)=s+t=v,即ρS,T+ρT,S=ι;
对于任意v∈V,存在s∈S和t∈T使得v=s+t,因此ρ(v)=s,即im(ρ)⊆S;
另一方面,对于任意s∈S,由于0∈T,因此存在v∈V,使得s=s+0=v∈V,那么s=ρ(s),即S⊆im(ρ)。
综上,im(ρ)=S。
类似分析可知ker(ρ)=T,因此V=S⊕T=im(ρ)⊕ker(ρ)。
那么v∈im(ρ)=S当且仅当ρv=vρ(v+0)=v;
记S=im(σ),T=ker(σ),则对于任意s∈S和t∈T,首先有σ(t)=0,因此
σ(s+t)=σ(s)+σ(t)=σ∣S(s)+0=s,
(3.6.1)
因此σ为沿T=ker(σ)到S=im(σ)的投影。
事实上,除去上述定义,投影算子存在一种更简单的等价描述。
定义 3.12 (幂等)
若线性算子τ∈L(V)满足τ2=τ,则称其幂等(idempotent)。
证明
若ρ=ρS,T,其中S和T分别为V的子空间,那么对于任意v∈V,存在s∈S和t∈T使得v=s+t。
那么ρ2v=ρ(ρ(s+t))=ρ(s+0)=s=ρ(v),即ρ2=ρ;
反之若ρ2=ρ,对于任意v∈im(ρ),总存在x∈V使得v=ρx=ρ2x=ρv,因此ρ∣im(ρ)=ι。
考虑u∈im(ρ)∩ker(ρ),那么u=ρu=0,即im(ρ)∩ker(ρ)={0};
另外对于任意v∈V,总有v=ρv+(v−ρv)∈im(ρ)+ker(ρ),因此V=im(ρ)⊕ker(ρ)。
根据命题 3.6,ρ是沿ker(ρ)到im(ρ)上的投影。
6.9 正交投影与单位算子分解
定义 3.13 (正交投影)
对于投影ρ,σ∈L(V),若ρσ=σρ=0,则称两者正交(orthogonal),记作ρ⊥σ。
命题 3.7
投影ρ,σ∈L(V)正交当且仅当im(ρ)⊆ker(σ)且im(σ)⊆ker(ρ)。
证明
若ρ与σ正交,则对于任意v∈im(ρ),根据命题 3.6,σv=σ(ρv)=0,因此im(σ)⊆ker(σ)。
类似地im(σ)⊆ker(ρ),必要性得证;
反之若必要性成立,对于任意v∈V,ρv∈im(ρ),因此σρv=0,类似地ρσv=0,故ρσ=σρ=0。
下面的例子将说明,仅有ρσ=0的条件是不充分的,甚至可能在此情况下σρ不是投影。
例 3.4
设V=F2,考虑x轴和y轴以及对角线
X={(x,0)∣x∈F},Y={(0,y)∣y∈F},D={(x,x)∣x∈F},
(3.6.2)
那么对于任意(x,y)∈F2,容易验证
ρD,XρD,Y(x,y)=ρD,XρD,Y((x,x)+(0,y−x))=ρD,X(x,x)=(x,x),
(3.6.3)ρD,YρD,X(x,y)=ρD,YρD,X((y,y)+(x−y,0))=ρD,Y(y,y)=(y,y).
(3.6.4)
可见若ρ,σ为投影,其乘积ρσ和σρ可能仍为投影,但两者不相等。
此外,
ρY,XρX,D(x,y)=ρY,XρX,D((x−y,0)+(y,y))=ρY,X(x−y,0)=0,
(3.6.5)ρX,DρY,X(x,y)=ρX,D(0,y)=ρX,D((−y,0)+(y,y))=(−y,0),
(3.6.6)
可见ρY,XρX,D=0,但(ρX,DρY,X)2(x,y)=ρX,DρY,X(−y,0)=(0,0)=ρX,DρY,X(x,y),即ρX,DρY,X非投影。
由于投影ρ幂等,可将单位算子ι写为两个正交投影的和:
ι=ρ+(ι−ρ),并将此概念推广至更多投影。
定义 3.14 (单位算子的分解)
V上单位算子的分解(resolution of the identity)为求和形式
其中ρi为两两(pairwise)正交的投影,即当i=j时ρi⊥ρj。
V上单位算子的分解与V的直和分解存在如下关系。
定理 3.11
设V为向量空间,V上单位算子的分解与V的直和分解(direct sum decompositions)存在如下对应关系:
若ρ1+⋯+ρk=ι为单位算子的一种分解,则V=im(ρ1)⊕⋯⊕im(ρk),其中ρi是沿ker(ρi)=⊕j=iim(ρj)到im(ρi)上的投影;
若V=S1⊕⋯⊕Sk且ρi为沿直和⊕j=iSj到Si上的投影,则ρ1+⋯+ρk=ι是单位算子的分解。
证明
对于任意v∈V,由条件知v=(ρ1+⋯+ρk)v∈im(ρ1)+⋯+im(ρk),因此V=im(ρ1)+⋯+im(ρk)。
对于任意i=j,考虑u∈im(ρi)∩im(ρj),那么根据定义,u=ρju=ρiρju=0,即im(ρi)∩im(ρj)={0},因此V=im(ρ1)⊕⋯⊕im(ρk),并且ker(ρi)=⊕j=iim(ρj);
根据命题 3.6,对于任意指标i=j,im(ρi)=Si⊆⊕k=jSk=ker(ρj),类似地im(ρj)⊆ker(ρi)。
根据命题 3.7,ρi两两正交。
最后对于任意v∈V,存在si∈Si使得v=s1+⋯+sk,进而
ρiv=ρisi+j=i∑sj=si⟹(ρ1+⋯+ρk)v=s1+⋯+sk=v, (3.6.8)
因此ρ1+⋯+ρk=ι。
6.10 投影代数
命题 3.8
设V为特征4不为2的域F上的向量空间,ρ,σ为投影。
和ρ+σ是投影当且仅当ρ⊥σ,在这种情况下
im(ρ+σ)=im(ρ)⊕im(σ),ker(ρ+σ)=ker(ρ)∩ker(σ).
(3.6.9)差ρ−σ是投影当且仅当ρσ=σρ=σ,在这种情况下
im(ρ−σ)=im(ρ)∩ker(σ),ker(ρ−σ)=ker(ρ)⊕im(σ).
(3.6.10)若ρ和σ可交换,则ρσ是投影,在这种情况下
im(ρσ)=im(ρ)∩im(σ),ker(ρσ)=ker(ρ)+ker(σ).
(3.6.11)
证明
ρ+σ是投影当且仅当ρ+σ=(ρ+σ)2=ρ+σ+ρσ+σρ,等价于ρσ=−σρ。
若ρ⊥σ,该条件显然成立;
反之可将其改写为ρσ=ρ2σ=ρ(−σρ)=(σρ)ρ=σρ。
结合ρσ=−σρ可知,ρσ=σρ=0。
现在对于任意v∈im(ρ+σ),根据定理 3.10,v=(ρ+σ)v∈im(ρ)+im(σ)。
并且类似定理 3.11的证明,ρ⊥σ时im(ρ)∩im(σ)={0},因此im(ρ+σ)⊆im(σ)⊕im(σ)。
另一方面,对于任意u∈im(ρ)⊕im(σ),总存在s∈im(ρ)和t∈im(σ)使得u=s+t。
那么ρu=s且ρu=t,进而(ρ+σ)u=s+t=u,可见im(ρ)⊕im(σ)⊆im(ρ+σ)。
综上,im(ρ+σ)=im(ρ)⊕im(σ)。
对于后一结论,ker(ρ)∩ker(σ)⊆ker(ρ+σ)是显然的。
对于任意v∈ker(ρ+σ),有ρv=−σv,因此ρv=ρ2v=−ρσv=0,类似地σv=0,即v∈ker(ρ)∩ker(σ),充分性得证;
ρ−σ是投影当且仅当ρ−σ=(ρ−σ)2=ρ+σ−ρσ−σρ,即(ι−ρ)σ=−σ(ι−ρ)。
根据上一结论,这等价于σ⊥(ι−ρ),因此σ(ι−ρ)=(ι−ρ)σ=0,即σ=ρσ=σρ。
在此条件下,显然有im(ρ)∩ker(σ)⊆im(ρ−σ);
对于任意v∈im(ρ−σ),要求v=(ρ−σ)v,即σv=σ(ρ−σ)v=0,回代得v=ρv。
因此v∈im(ρ)∩ker(σ),即im(ρ−σ)⊆im(ρ)∩ker(σ)。
对于后一结论,首先考虑u∈ker(ρ)∩im(σ),有u=σu且ρu=0,因此0=ρu=ρσu=σu,回代得u=0,即ker(ρ)∩im(σ)={0}。
对于任意v∈ker(ρ)⊕im(σ),存在s∈ker(ρ)和t∈im(σ)使得v=s+t。
已知ρs=0且σt=t,那么0=σρs=σs,ρt=ρσt=σt=t。
因此ρv=ρ(s+t)=s+t=v且σv=σ(s+t)=0,进而(ρ−σ)v=v,即ker(ρ)⊕im(σ)⊆ker(ρ−σ);
另一方面,对于任意v∈ker(ρ−σ),已知ρv=σv,那么v=(v−ρv)+ρv=(v−ρv)+σv∈ker(ρ)+im(σ),因此ker(ρ−σ)⊆ker(ρ)⊕im(σ),充分性得证;
根据条件,(ρσ)2=ρ(ρσ)σ=ρσ,因此ρσ是投影。
显然有im(ρ)∩im(σ)⊆im(ρσ);
对于任意v∈im(ρσ),有v=ρ(σv)=σ(ρv)∈im(ρ)∩im(σ),故im(ρσ)⊆im(ρ)∩im(σ)。
对于后一结论,显然有ker(ρ)+ker(σ)⊆ker(ρσ);
反之对于任意v∈ker(ρσ),已知ρσv=0,那么v=σv+(v−σv)∈ker(ρ)+ker(σ),即ker(ρσ)⊆ker(ρ)+ker(σ),结论得证