Лінійний векторний простір

Векторний простір (лінійний простір) - безліч елементів, які називаються векторами, для яких визначені операції додавання і множення на число. Найпростіший, але важливий приклад - сукупність векторів a, b, c, ... звичайного 3-мірного простору. Кожен такий вектор - спрямований відрізок, що задається трьома числами; числа називаються координатами вектора.

При множенні вектора на речове число відповідний відрізок, зберігаючи напрямок, розтягується в раз. Сума двох векторів знаходиться за правилу параллелограмма; якщо і те .

Парі векторів a і b зіставляють також скалярний добуток (скалярним опосередкованим узагальненням З-мірного простору є n-мірний евклідовий простір.

Його елементи - упорядковані набори речовинних чисел, Наприклад, , . Додавання і множення векторів на число визначені формулами , , а скалярний добуток - формулою Прикладом комплексного безкінечномірного векторного простору може служити сукупність комплексних функцій f, заданих на всій осі і квадратично сумованих (тобто маючих кінцевий інтеграл ). Багато класів функцій, наприклад, поліноми заданого порядку, функції безупинні, диференційовані, що інтегруються, аналітичні і тому подібні, також утворять безкінечномірні векторні простори.

У кожнім векторному просторі, крім операцій додавання і множення на число, звичайно маються ті чи інші додаткові операції і структури (наприклад, визначений скалярний добуток). Якщо ж не уточнюють природи елементів векторного простору і не припускають у ньому ніяких додаткових властивостей, то векторний простір називають абстрактним. Абстрактний векторний простір L задають за допомогою наступних аксіом:

1.будь-якій парі елементів х и у з L зіставлений єдиний елемент z, називаний їхньою сумою z=x+y і приналежний L;

2.для будь-якого числа і будь-якого елемента x з L визначений елемент z, що називається їхнім добутком і приналежний L;

3.операції додавання і множення на число є асоціативними і дистрибутивними.

Додавання допускає зворотну операцію, тобто для будь-яких х и у з L існує єдиний елемент w з L такий, що x+w=y. Крім того, мають місце формули .

Якщо всі числа речовинні (комплексні), говорять про речовинний (комплексному) векторна просторі; безліч чисел називають полем скалярів L. Поняття векторного простору можна ввести і для довільного полючи, наприклад, полючи кватерніонів.

Якщо - елементи векторного простору L, то вираження виду називається їхньою лінійною комбінацією; сукупність усіх лінійних комбінацій елементів підмножини S з L називають лінійною оболонкою S. Вектори з L називають лінійно незалежними, якщо умова ( - будь-які елементи полючи скалярів) може виконуватися тільки при . Нескінченна система векторів називається лінійно незалежної, якщо будь-яка її кінцева частина є лінійно незалежної. Безліч елементів підмножини S з L називається системою утворюючих S, якщо будь-який вектор х з S можна представити у виді лінійної комбінації цих елементів. Лінійно незалежна система утворюючих S називається базисом S, якщо розкладання будь-якого елемента S по цій системі єдино.

Базис, елементи якого яким-небудь образом параметризовані, називається системою координат у S. Базис векторного простору завжди існує, хоча і не визначається однозначно. Якщо базис складається з кінцевого числа n елементів, то векторний простір називається n-мірним (конечномірні); якщо базис - нескінченна безліч, той векторний простір називається безкінечномірні. Виділяють також лічильномірні векторні простори, у яких мається рахунковий базис.

Підмножини векторного простору L, замкнуті щодо його операцій, називаються підпросторами L. По будь-якому підпросторі S можна побудувати новий векторний простір L/S, називане фактором-простором L по S: кожен його елемент є безліч векторів з L, що розрізняються між собою на елемент із S. Розмірність L/S називається коразмірністю підпростору S у L; якщо розмірності L і S рівні відповідно n і k, те коразмірність S у L дорівнює n-k. Якщо J - довільна безліч індексів i і Si – сімейство підпросторів L, те сукупність усіх векторів, що належать кожному з Si, є підпростір, називається перетинанням зазначених підпросторів і що позначається . Для кінцевого сімейства підпросторів S1, ..., Ss сукупність усіх векторів, які представлені у виді