线性空间--集合与映射

大话矩阵论,之所以叫大话,意思是以一种容易理解而不够数学的方式去理解数学知识,不苛求严谨。

集合:集合是数学中最基本的概念之一,其实就是把一堆东西打个包儿。如果把一堆数字打个包儿,那这个包儿就是数集,如果把线性方程的所有解打个包儿,就叫解集,除此之外,向量,几何元素,矩阵等等都可以打包儿,名字就是 向量集,点集,矩阵集,函数集......
集合的知识中,有一些概念,包括:元素,空集,子集,真子集......, 还包含着一些运算,包括:交,并,和集
这些概念从百度或者书上都很容易获得,就不啰嗦啦。还是想谈一些顾名而不能思义的概念。

数域
很唬人的名字哈,和集合是什么关系呢?
数域 = 数集 + 运算
重点1: 数域的基础是数集(不是向量集,不是矩阵集哦,每一个元素都是这种 : 1,0,1.2, -1, i)
重点2: 运算,当然不是什么运算都可以啦,条件是 数集中所有的元素,经历过这种运算得到的结果仍然在该数集中,专业说法叫 数集关于运算封闭。

映射
映射指的是一种法则, \sigma : S \rightarrow S' 规定什么的法则呢? 使 S 中的每一个元素 都在S'中有一个元素与之对应。

线性空间
一个更加常听到的概念,也是更不容易说出来的概念,今天以后就不再是问题,请集中注意力1分钟!
定义: V 是一个非空的集合(什么是非空集合,你们懂的),它的元素用 x,y,z 表示,并称之为向量(是称之为,不一定必须是真的向量哦); K 是一个数域 (数域,不难啦,一堆数而已),他的元素用 k,l,m 表示,如果V 满足 对加法运算和数乘运算封闭,则称 V 为数域 K 上的 线性空间。(非常考究的讲法哈,所以 线性空间 的定义需要两个集合+两种运算 -- “向量”集合和数域,加法运算和数乘运算)

线性表示,线性组合,线性相关,线性无关

线性表示 = 线性组合
x = c_1x_1+c_2x_2+...+c_mx_m
这个叫做 x 为向量组 x_1,x_2,...x_m的线性组合。

线性相关和线性无关,是在讨论一组向量,例如 x_1,x_2,...x_m
主要看这组向量中的任何一个能不能被表示成其他向量的线性组合,即
c_1x_1+c_2x_2+ ... + c_mx_m = 0,
c_1,c_2,c_m 不全为0
举一个三维空间坐标系为例子:
x-y平面上,三个不共线的向量就是线性相关的,因为他们一定是可以相互表示的,但是他们和z轴上的向量就是线性无关的,因为他们无论如何也线性组合不出z轴上的向量。

就着上面的例子可以自然引出下面的概念,叫做线性空间的维数
想想几何空间的维数是怎么回事,为什么直线是一维空间,平面是二维空间,立方体是三位空间。
定义:线性空间V中,线性无关向量组所含向量最大个数称为 V 的维数。
最大个数哦,不是最大不可以,想想三维空间中x, y轴方向向量也是一个线性无关向量组,却不是最大个数的,因为这个组里还可以加一个不在x-y平面的向量,加完之后依然是线性无关的向量组,但是不可以再加了,再加的向量就一定可以被组里的向量表示,整个组就不在是线性无关组。

话说回来,说到这里你是否还记得线性空间本质上是一个集合,这个集合中的元素是可以通过线性组合互相表示的,那么也许我们可以选出一些比较“重要”的元素,有了他们,我们就好似抓住了整个集合的根本,即便其他的元素弄丢了,我们非常有信心利用他们繁衍出整个集合,关键就在于我们要找到所谓线性无关向量组,这样的向量组在整个集合中不一定是唯一的哦,可能会有很多种选法,但重点是每一个向量都有不可替代性,也就是不可以被其他向量表示咯。

线性空间的基与坐标
刚刚说到,线性空间中有一组线性无关的向量(个数n,称为线性空间的维数)是非常重要的,它可以表示出整个线性空间。它们既然如此特殊,那么对这组向量起一个名字就是 线性空间的基或基底
是一组向量:
这组向量线性无关
V 中任一向量都是这组向量的线性组合
这组向量又可称为V的一个坐标系
所以: 基 = 坐标系
注意:不论是基还是坐标系,都是不唯一的
既然都有坐标系了,那就一定有坐标,坐标的定义和线性组合有关
x = \xi_1x_1 + \xi_2x_2 + ... +\xi_nx_n
(\xi_1,\xi_2,...,\xi_n)称为x在该坐标系中的坐标,必须说明,坐标系不同一般坐标就不同。

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