news 2026/5/1 5:27:16

线性代数(十一)子空间的扩展

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张小明

前端开发工程师

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线性代数(十一)子空间的扩展

之前我们所讨论的子空间都是“向量”子空间,而实际上子空间的对象可以做进一步的扩展,如矩阵、微分方程的解等等,只要满足对数乘和加法封闭即可。

例如,所有的三阶方阵构成一个3*3的矩阵空间,这个空间有许多子空间,如:3阶对称阵、3阶上三角阵等等。既然可以构成子空间,自然就存在相应的基,基的数量决定子空间的维度。

对于三维矩阵空间M,其维度为9,基的个数也为9,分别为……(元素1遍历9个位置的9个矩阵)

而对于三维对称矩阵空间N,其维度为6,基的个数为6,分别为:

而对于三维上三角矩阵空间P,其维度同样为6,基的个数为6,同样为:

而对于空间,根据性质其同样是一个子空间,实际上是三阶对角阵空间,其维度为3,基的个数为3,基分别为:

值得注意的是,空间并非一个子空间,其不满足对加法的封闭,空间N中的元素和P中的元素相加,很可能会得到空间之外的元素。(例如三维空间中两条异面直线,从两条直线上各取一个向量相加,可能会得到直线外的向量)

但是空间却可以构成另一个子空间,取空间N中的矩阵+空间P中的矩阵相加,即一个对称阵+一个上三角矩阵,将得到任意一个三维矩阵,所以构成的空间是

注意到

下面再通过微分方程来表述子空间。给出2阶微分方程:,现在要求求其零空间(即解空间 )。

容易想到或者。显然微分方程的解可以构成一个子空间,子空间的维度为2,一组基为。显然微分方程的所有解可以表述为

回到矩阵空间的概念。提出一个问题,如果M是5*17的矩阵空间,那么其所有rank=4的矩阵是否可以构成一个子空间?显然不可以。因为一个秩四空间加另一个秩四空间未必仍然得到一个秩四空间,且,这意味着两个秩四矩阵的和的秩可能取到8、7、6等等。(另外,由于子空间必须包含零矩阵,而零矩阵的秩是零,这个命题天然不成立)

再回到向量空间中,给出另外一个问题,对于空间,其中的向量,满足,这些向量是否能构成一个子空间?

显然是可以的,不难发现子空间是满足对加法和数乘封闭的。子空间的维度是多少?基是什么?

显然这个空间可以表述为某个矩阵的零空间,,对应的矩阵即为,而rank(A)=1,显然零空间的维度应该为列数n-rank(A)=4-1=3,所以该子空间的维度为3,基的个数有三个,不难求出一组基为

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