Как найти пересечение подпространств заданных векторами

Пусть
заданы два подпространства R1
и R2
n-мерного
пространства R.

Определение:
Если каждый вектор x
пространства R
можно, и притом единственным образом,
представить как сумму двух векторов:

x
=
x1
+
x2,

где


, то говорят, что пространство R
разложено в прямую сумму подпространств
R1
и R2.
Это записывают так:

R
= R1
+ R2,

Теорема. Для
того, чтобы пространство
R
разлагалось в прямую сумму подпространств

R1
и R2,достаточно,
чтобы:

  1. Подпространства

    R1
    и
    R2

    имели только один общий вектор
    x
    =
    0 (нулевой вектор).

  2. Сума
    размерностей этих подпространств была
    равна размерности пространства
    R.

Пусть
имеем два произвольных подпространства
R1
и R2
линейного пространства R.
Подпространство пересечения
R1
и R2
– это совокупность векторов, принадлежащих
обоим подпространствам R1
и R2:

Пример
12
4. Пусть
R1
и R2
– два двумерных подпространства
трехмерного прос-транства (две плоскости,
проходящие через начало координат).
Тогда их пересечение

есть одномерное подпространство (прямая,
по которой эти плоскости пересекаются).

По
двум подпространствам
R1
и R2

можно построить еще одно подпространство,
которое называют суммой:
векторами этого подпространства являются
всевозможные суммы вида:

x
=
x1
+
x2, (*)

где

,
его обозначают:

отличие от прямой суммы двух подпрос-транств,
запись (*) элемента из R
может быть неоднозначной. Легко проверить,
что построенные элементы (*) образуют
подпространство.

Теорема. Сумма
размерностей

R1
и R2,
равна размерности их суммы плюс
размерность пересечения.

Пример
12
5. Найдем
базис пересечения подпространств

, если R1
натянут на векторы a1
и
a2,
а R2
– на векторы b1
и
b2:

, ,

, .

Решение:
Нетрудно заметить, что векторы a1
и
a2,
b1
и
b2:
– линейно независимы. Согласно
вышеприведенной теореме запишем
размерность пересечения

в виде d
= k+r-s,
где k
= 2 – число независимых векторов,
порождающих подпространство R1;
r
= 2 – число независи-мых векторов,
порождающих подпространство R2;
s
– число независимых векторов, порождающих
подпространство

(его предстоим вычислить).

Применяя
один из способов вычисления ранга
системы векторов, получаем: s
= 3. В таком случае размерность пересечения
d
= 2 + 2 – 3 = 1/

Найдем базис из
условия:

c
= x1
a1+
x2
a
2 =
x3
b1+
x4
b
2

или

Решая
эту систему одним из способов, изложенных
в Гл.5, получим: x1
=
-s;
x2
=
4s;
x3
=
-3s;
x4
=
s,
где s
– произвольная постоянная. Принимая
s
= -1, получим:

c
= a1
4 a2
= 3
b1
b2
= (5, -2, -3, -4).

Ответ:
базис пересечения подпространств: c
=
a1
4
a2
=
3
b1
b2
= (5, -2, -3, -4).

Решите
примеры
:

Пример
12
6. Найдем
базис пересечения подпространств

, если R1
натянут на векторы a1
и
a2,
а R2
– на векторы b1
и
b2:

, ,

, .

Ответ:
базис пересечения подпространств: c
=
-4a1
+
13
a2
=
8 b1+
3b2
= (5, 9, -13, 27).

Пример
127
. Найдем
базис пересечения подпространств

, если R1
натянут на векторы a1
и
a2,
а R2
– на векторы b1
и
b2:

, ,

, .

Ответ:
базис пересечения подпространств: c
=
2a1
3
a2
=

b1+
b2
= (1, 3, -1, 1).

Соседние файлы в папке СРС

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Нахождение дополнения, суммы и пересечения подпространств

Нахождение алгебраического дополнения подпространства

Для заданного подпространства Ltriangleleft mathbb{R}^n требуется найти алгебраическое дополнение подпространства L^{+}, т.е. такое подпространство L^{+} triangleleftmathbb{R}^n, что mathbb{R}^n=Loplus L^{+}.

В зависимости от способа описания подпространства L, используем одно из следующих двух утверждений.

1. Если подпространство Ltriangleleft mathbb{R}^n задано как линейная оболочка L=operatorname{Lin}(a_1,ldots,a_k) столбцов матрицы A=begin{pmatrix} a_1&cdots&a_kend{pmatrix}, то множество решений однородной системы A^Tx=o является его алгебраическим дополнением L^{+}triangleleft mathbb{R}^n, т.е.

L=operatorname{Lin}(a_1,a_2,ldots,a_k)quad Rightarrowquad L^{+}= Bigl{A^Tx=oBigr}.

(8.16)

2. Если подпространство Ltriangleleft mathbb{R}^n задано как множество решений однородной системы Ax=o m уравнений с n неизвестными, то линейная оболочка столбцов a_1^{tau},ldots, a_m^{tau} транспонированной матрицы A^T=begin{pmatrix}a_1^{tau}&cdots& a_m^{tau}end{pmatrix} является его алгебраическим дополнением L^{+}triangleleft mathbb{R}^n, т.е.

L={Ax=o}quad Rightarrowquad L^{+}=operatorname{Lin} (a_1^{tau},ldots,a_m^{tau}),

(8.17)

где a_i^{tau} — i-й столбец матрицы A^T.

Разумеется, в (8.16) и (8.17) указано одно из возможных алгебраических дополнений подпространства L^{+} (см. свойство 3 алгебраических дополнений подпространств).

Докажем сначала справедливость (8.16) в одномерном случае (k=1), а потом в общем. Пусть L=operatorname{Lin}(a) — одномерное подпространство R^n, a=begin{pmatrix}alpha_1&cdots&alpha_nend{pmatrix}^T — ненулевой столбец. Найдем алгебраическое дополнение подпространства L. Рассмотрим уравнение a^Tx=o в координатной форме: alpha_1x_1+ldots+ alpha_nx_n=0. Множество {a^Tx=o} решений однородной системы, состоящей из одного уравнения, образует подпространство L' размерности (n-1). Найдем пересечение Lcap L'. Подставляя элемент x=lambda a линейной оболочки L в уравнение a^Tx=o, получаем lambda[(alpha_1)^2+ (alpha_2)^2+ldots+(alpha_n)^2]=0, что возможно только при lambda=0, так как ane o. Следовательно, элемент x из L принадлежит подпространству L' только тогда, когда x — нулевой столбец, т.е. Lcap L'={o}. Учитывая, что dim{L}+dim{L'}=n, заключаем, что L' — алгебраическое дополнение подпространства L в mathbb{R}^ncolon, Loplus L'=mathbb{R}^n.Таким образом,

operatorname{Lin}(a)oplus{a^Tx=o}=mathbb{R}^n.

(8.18)

Учитывая (8.18), докажем (8.16) в общем случае (kgeqslant1). Представим L=operatorname{Lin}(a_1,ldots,a_k) в виде суммы L=L_1+ldots+L_k, где L_i=operatorname{Lin}(a_i), i=1,ldots,k. Из (8.15) следует, что (L_1+ldots+L_k)oplus (L_1^{+}+ldots+L_k^{+})= mathbb{R}^n. Согласно (8.18), множество L_1^{+}={(a_i)^Tx=o} решений однородной системы, состоящей из одного уравнения, дополняет L_i до всего пространства mathbb{R}^n. Пересечение множеств решений отдельных уравнений дает, разумеется, множество L_1^{+} capldotscap L_k^{+}={A^Tx=o} решений системы этих уравнений. Поэтому (L_1+ ldots+L_k)oplus{A^Tx=o}=mathbb{R}^n, что и требовалось доказать. Утверждение (8.17) доказывается аналогично, используя (8.18).


Пример 8.10. Найти алгебраическое дополнение подпространства L=operatorname{Lin}[(t-1)^2,(t+1)^3] в пространстве P_3(mathbb{R}) многочленов не более, чем 3-й степени.

Решение. Сначала нужно переформулировать задачу для арифметического пространства (см. следствие теоремы 8.3 об изоморфизме конечномерных пространств). Для этого возьмем в P_3(mathbb{R}) стандартный базис mathbf{e}_1(t)=1, mathbf{e}_2(t)=t, mathbf{e}_3(t)=t^2, mathbf{e}_4(t)=t^3. Пространство P_3(mathbb{R}) изоморфно mathbb{R}^4. Найдем координаты многочленов mathbf{a}_1(t)=(t-1)^2 и mathbf{a}_2(t)=(t+1)^3 в стандартном базисе. Раскладывая mathbf{a}_1(t) по базису, получаем:

mathbf{a}_1(t)= (t-1)^2= 1-2t+t^2=1cdot mathbf{e}_1(t)+(-2)cdot mathbf{e}_2(t)+ 1cdot mathbf{e}_3(t)+0cdot mathbf{e}_4(t),

т.е. многочлену mathbf{a}_1(t) соответствует координатный столбец a_1= begin{pmatrix}1&-2&1&0end{pmatrix}^T — элемент пространства mathbb{R}^4. Аналогично получаем координатный столбец a_2= begin{pmatrix} 1&3&3&1end{pmatrix}^T для многочлена mathbf{a}_2(t).

Таким образом, исходная задача сводится к следующей: требуется найти алгебраическое дополнение подпространства L=operatorname{Lin}(a_1,a_2) в пространстве mathbb{R}^4. Используя правило (8.16), получаем, что L^{+} — это множество решений системы A^Tx=o, где A^T=begin{pmatrix} a_1&a_2 end{pmatrix}^T= begin{pmatrix}1&-2&1&0\ 1&3&3&1end{pmatrix}, т.е. системы begin{cases} x_1-2x_2+x_3=0,\ x_1+3x_2+3x_3+x_4=0. end{cases}

Решаем ее методом Гаусса. Приводим матрицу системы к упрощенному виду, прибавляя ко второй строке первую, умноженную на (-1), поделив вторую строку на 5, а затем прибавив ее, умноженную на 2, к первой:

A^T=begin{pmatrix}1&-2&1&0\ 1&3&3&1end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&-2&1&0\ 0&5&2&1 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&9/5&2/5\ 0&1&2/5&1/5 end{pmatrix}!.

Базисные переменные x_1,,x_2, свободные — x_3,,x_4. Выражаем базисные переменные через свободные: x_1=-frac{9}{5}x_3-frac{2}{5}x_4; x_2=-frac{2}{5}x_3-frac{1}{5}x_4. Находим фундаментальную систему решений. Подставляя стандартные наборы свободных переменных (x_3=1,,x_4=0 и x_3= 0,,x_4=1), получаем решения: varphi_1=begin{pmatrix}-dfrac{9}{5}&-dfrac{2}{5}& 1&0end{pmatrix}^T, varphi_2=begin{pmatrix}-dfrac{2}{5}&-dfrac{1}{5}&0&1 end{pmatrix}^T, которые образуют фундаментальную систему решений и являются базисом алгебраического дополнения L^{+}=operatorname{Lin}(varphi_1,varphi_2) Полученный результат переносим в пространство многочленов. По координатному столбцу varphi_1 находим многочлен

varphi_1(t)=-frac{9}{9}cdot mathbf{e}_1(t)-frac{2}{5}cdot mathbf{e}_2(t)+ 1cdot mathbf{e}_3(t)+0cdot mathbf{e}_4(t)= -frac{9}{5}-frac{2}{5},t+t^2.

Аналогично получаем varphi_2(t)= -frac{2}{5}-frac{1}{5}t+t^3. Искомое алгебраическое дополнение имеет вид

L^{+}=operatorname{Lin}!left[left( -frac{9}{5}-frac{2}{5},t+t^2 right)!,,left( -frac{2}{5} -frac{1}{5}t+ t^3right)right]!,

Проверим равенство Lcap L^{+}={mathbf{o}}. Для этого приравняем между собой линейные комбинации многочленов mathbf{a}_1(t),,mathbf{a}_2(t) и varphi_1(t),,varphi_2(t):

alpha(1-t)^2+beta(1+t)^3= gamma!left(-frac{9}{5}-frac{2}{5},t+t^2 right)+delta! left(-frac{2}{5} -frac{1}{5}t+ t^3right)!.

Преобразовывая, получаем

(alpha+beta)cdot t^3+(alpha+3beta-gamma)cdot t^2+left(-2alpha+ 3beta+ frac{2}{5},gamma+frac{1}{5},deltaright)!cdot t+alpha+beta+ frac{9}{5},gamma+ frac{2}{5},delta=0.

Чтобы это равенство выполнялось тождественно, все его коэффициенты должны быть равны нулю:

begin{cases}beta-delta=0,\ alpha+3beta-gamma=0,\ -2alpha+3beta+ frac{2}{5} gamma+ frac{1}{5}delta=0,\ alpha+beta+ frac{9}{5}gamma+ frac{2}{5}delta=0, end{cases} Leftrightarrowquad underbrace{begin{pmatrix}0&1&0&-1\ 1&3&-1&0\ -2&3&2/5&1/5\ 1&1&9/5&2/5 end{pmatrix}}_{B}!cdot! begin{pmatrix}alpha\ beta\ gamma\ delta end{pmatrix}= begin{pmatrix} 0\0\0\0 end{pmatrix}!.

Ранг матрицы B этой системы равен 4 (находится, например, методом Гаусса). Поэтому однородная система имеет только нулевое решение alpha=beta= gamma= delta=0. Таким образом, равенство Lcap L^{+}={mathbf{o}} выполняется.


Нахождение алгебраической суммы подпространств

Для заданных подпространств A и B пространства mathbb{R}^n требуется найти размерность и базис их алгебраической суммы A+B. Рассмотрим методику решения этой задачи для двух случаев описания подпространств.

Пусть подпространства заданы линейными оболочками своих образующих (внутреннее описание): mathbf{A} =operatorname{Lin}(mathbf{a}_1,ldots, mathbf{a}_{k_1}) и mathbf{B} =operatorname{Lin} (mathbf{b}_1,ldots, mathbf{b}_{k_2}). Тогда, приписывая к образующим mathbf{a}_1,ldots, mathbf{a}_{k_1} одного подпространства образующие mathbf{b}_1,ldots, mathbf{b}_{k_2} другого подпространства, получаем образующие суммы подпространств mathbf{A} и mathbf{B}:

left.{begin{gathered}mathbf{A} =operatorname{Lin}(mathbf{a}_1,ldots, mathbf{a}_{k_1}),hfill\ mathbf{B}=operatorname{Lin}(mathbf{b}_1,ldots, mathbf{b}_{k_2}) end{gathered}}!right}quad Rightarrowquad mathbf{A}+mathbf{B}=operatorname{Lin} (mathbf{a}_1,ldots, mathbf{a}_{k_1},mathbf{b}_1,ldots, mathbf{b}_{k_2}),

(8.19)

поскольку любой вектор mathbf{v}in(mathbf{A}+mathbf{B}) имеет вид mathbf{v}= underbrace{alpha_1 mathbf{a}_1+ldots+ alpha_{k_1}mathbf{a}_{k_1} }_{mathbf{v}_1inmathbf{A}}+ underbrace{beta_1 mathbf{b}_1+ldots+ beta_{k_1}mathbf{b}_{k_2} }_{mathbf{v}_2inmathbf{B}}. Базис суммы mathbf{A}+ mathbf{B}= operatorname{Lin} (mathbf{a}_1,ldots, mathbf{a}_{k_1}, mathbf{b}_1, ldots, mathbf{b}_{k_2}) можно найти как максимальную подсистему линейно независимых столбцов.

Пусть подпространства заданы как множества решений однородных систем уравнений (внешнее описание): mathbf{A}={Ax=o} и mathbf{B}={Bx=o}. Тогда, переходя к внутреннему описанию, сводим задачу к предыдущему случаю, а именно нужно выполнить следующие действия:

1) для каждой однородной системы Ax=o и Bx=o найти фундаментальные системы решений varphi_1,ldots,varphi_{n-r} и psi_1,ldots,psi_{n-r} соответственно. При этом получим A=operatorname{Lin} (varphi_1,ldots,varphi_{n-r}) и B=operatorname{Lin}(psi_1,ldots,psi_{n-r}), где r_{A}=operatorname{rg}A, r_{B}=operatorname{rg}B;

2) по правилу (8.19) найти сумму mathbf{A}+mathbf{B}= operatorname{Lin} (varphi_1, ldots,varphi_{n-r},psi_1,ldots,psi_{n-r}).


Пример 8.11. Найти размерность и базис алгебраической суммы mathbf{A}+mathbf{B} подпространств mathbf{A},mathbf{B}triangleleft mathbb{R}^4, если подпространство mathbf{A} задано системой уравнений

begin{cases}x_1+x_2+2x_3+x_4=0,\ 2x_1+3x_2+x_4=0,\ 3x_1+4x_2+2x_3+2x_4=0,end{cases}

подпространство mathbf{B} — линейной оболочкой своих образующих:

mathbf{B}=operatorname{Lin}(b_1,b_2),quad b_1=begin{pmatrix}-4&3&1&-1 end{pmatrix}^T,quad b_2=begin{pmatrix}1&1&1&1end{pmatrix}^T.

Решение. Образующие подпространства mathbf{A} были найдены в примере 8.9: mathbf{A}=operatorname{Lin}(a_1,a_2), где a_1= begin{pmatrix}-6&4&1&0end{pmatrix}^T, a_2=begin{pmatrix}-2&1&0&1 end{pmatrix}^T. По правилу (8.19) получаем mathbf{A}+mathbf{B}= operatorname{Lin}(a_1,a_2,b_1,b_2). Найдем базис этого подпространства как максимальную линейно независимую подсистему столбцов. Составляем из этих столбцов матрицу и приводим ее методом Гаусса к ступенчатому виду:

begin{gathered}begin{pmatrix}-6&-2&-4&1\ 4&1&3&1\ 1&0&1&1\ 0&1&-1&1 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&1&1\ 4&1&3&1\ -6&-2&-4&1\ 0&1&-1&1 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&1&1\ 0&1&-1&-3\ 0&-2&2&7\ 0&1&-1&1 end{pmatrix}sim\[2pt] sim begin{pmatrix}1&0&1&1\ 0&1&-1&-3\ 0&0&0&1\ 0&0&0&4 end{pmatrix}sim begin{pmatrix} 1&0&1&1\ 0&1&-1&-3\ 0&0&0&1\ 0&0&0&0 end{pmatrix}!.end{gathered}

Первый, второй и четвертый столбцы полученной матрицы линейно независимы. Значит, соответствующие столбцы a_1,,a_2,,b_2 исходной матрицы так же линейно независимы (так как выполнялись элементарные преобразования только над строками). Поэтому они являются базисом mathbf{A}+mathbf{B} и dim(mathbf{A}+ mathbf{B})=3.


Нахождение пересечения подпространств

Для заданных подпространств mathbf{A} и mathbf{B} пространства mathbb{R}^n требуется найти размерность и базис их пересечения mathbf{A}cap mathbf{B}. Рассмотрим методику решения этой задачи для двух случаев описания подпространств.

Пусть подпространства заданы как множества решений однородных систем уравнений (внешнее описание): mathbf{A}={Ax=o} и mathbf{B}={Bx=o}. Тогда, приписывая к системе Ax=o, задающей одно подпространство, систему Bx=o, задающую другое подпространство, получаем систему begin{cases} Ax=o,\ Bx=o,end{cases} определяющую пересечение подпространств:

left.{begin{gathered}mathbf{A}={Ax=o},\ mathbf{B}={Bx=o} end{gathered}}right}quad Rightarrowquad mathbf{A}cap mathbf{B}=left{begin{pmatrix}A\ Bend{pmatrix}!x=oright}!.

(8.20)

Базисом пересечения служит ее фундаментальная система решений.

Пусть подпространства mathbf{A} и mathbf{B} пространства mathbb{R}^n заданы линейными оболочками своих образующих (внутреннее описание): mathbf{A}=operatorname{Lin}(a_1,ldots,a_{k_1}) и mathbf{B}= operatorname{Lin}(b_1,ldots,b_{k_2}). Переходя от внутреннего описания подпространств к внешнему, можно свести задачу к предыдущему случаю. Однако удобнее сделать иначе. Пересечению mathbf{A}cap mathbf{B} принадлежат только такие mathbf{x}in mathbb{R}^n, которые можно представить как равные между собой линейные комбинации столбцов a_1,ldots,a_{k_1} и столбцов b_1,ldots,b_{k_2} соответственно:

mathbf{x}=alphacdot mathbf{a}_1+ldots+alpha_{k_1}cdot mathbf{a}_{k_1}= beta_{1}cdot mathbf{b}_{1}+ldots+beta_{k_2}cdot mathbf{b}_{k_2}.

(8.21)

Представим второе равенство в (8.21) в матричном виде Aalpha=Bbeta, где A=begin{pmatrix}a_1&cdots&a_{k_1}end{pmatrix}, B=begin{pmatrix} b_1&cdots&b_{k_2}end{pmatrix} — матрицы, составленные из данных столбцов, alpha= begin{pmatrix}alpha_1&cdots&alpha_{k_1}end{pmatrix}^T, beta= begin{pmatrix} beta_1&cdots&beta_{k_2}end{pmatrix}^T — столбцы коэффициентов линейных комбинаций. Равенство Aalpha=Bbeta можно рассматривать как одно родную систему Aalpha-Bbeta=o n уравнений с (k_1+k_2) неизвестными alpha и beta. Каждому решению этой системы соответствует вектор mathbf{x}= Aalpha=Bbeta, при надлежащий пересечению mathbf{A}cap mathbf{B}. Однако, на практике удобнее вместо системы Aalpha-Bbeta=o рассматривать однородную систему Aalpha+Bbeta=o, решения которой обладают теми же свойствами (тогда вектор mathbf{x}= Aalpha=Bbeta при надлежит пересечению mathbf{A}cap mathbf{B}.

Поэтому для нахождения пересечения подпространств mathbf{A}= operatorname{Lin} (a_1,ldots,a_{k_1}) и mathbf{B}= operatorname{Lin}(b_1,ldots,b_{k_2}) и базиса пересечения нужно выполнить следующие действия.

1. Составить блочную матрицу (Amid B) коэффициентов однородной системы уравнений Aalpha+Bbeta=o, где матрицы A=begin{pmatrix} a_1&cdots&a_{k_1} end{pmatrix}, B=begin{pmatrix} b_1&cdots&b_{k_2}end{pmatrix} образованы из заданных столбцов.

2. Для однородной системы с матрицей (Amid B) найти фундаментальную матрицу Phi. Матрица Phi имеет размеры (k_1+k_2)times (k_1+k_2-r), где r=operatorname{rg}(Amid B).

3. Из первых k_1 строк матрицы Phi составить матрицу Phi_{alpha}= (E_{k_1}mid O)Phi. Столбцы матрицы Phi_{alpha}= begin{pmatrix} varphi_1&cdots &varphi_{k_1+k_2-r}end{pmatrix} содержат искомые коэффициенты alpha=begin{pmatrix}alpha_1&cdots&alpha_{k_1}end{pmatrix}^T линейных комбинаций (8.21).

4. Записать пересечение mathbf{A}cap mathbf{B} как линейную оболочку столбцов матрицы APhi_{alpha}: Acap B=operatorname{Lin}(Avarphi_1,ldots, Avarphi_{k_1+k_2-r}).

5. Найти базис пересечения как максимальную линейно независимую подсистему образующих Avarphi_1,ldots, Avarphi_{k_1+k_2-r}.


Пример 8.12. Найти размерности и базисы суммы mathbf{A}+ mathbf{B} и пересечения mathbf{A}cap mathbf{B} подпространств mathbf{A},mathbf{B}triangleleft mathbb{R}^4, если они заданы линейными оболочками своих образующих: mathbf{A}= operatorname{Lin}(a_1,a_2,a_3) mathbf{B}= operatorname{Lin}(b_1,b_2,b_3), где

a_1=begin{pmatrix}1\1\1\1end{pmatrix}!,quad a_2=begin{pmatrix}1\-1\1\-1 end{pmatrix}!,quad a_3=begin{pmatrix}1\3\1\3end{pmatrix}!,quad b_1=begin{pmatrix} 1\2\0\2 end{pmatrix}!,quad b_2=begin{pmatrix}1\2\1\2end{pmatrix}!,quad b_3=begin{pmatrix} 3\1\3\1 end{pmatrix}!.

Решение. Найдем базис и размерность суммы mathbf{A}+ mathbf{B}. Составим из данных столбцов блочную матрицу

(Amid B)= begin{pmatrix}a_1&a_2&a_3,mid, b_1&b_2&b_3 end{pmatrix}= begin{pmatrix}1&1&1!!&vline!!& 1&1&3\ 1&-1&3!!&vline!!& 2&2&1\ 1&1&1!!&vline!!& 0&1&3\ 1&-1&3!!&vline!!& 2&2&1 end{pmatrix}!.

Элементарными преобразованиями над строками приведем ее к ступенчатому виду:

(Amid B)sim begin{pmatrix}1&1&1!!&vline!!& 1&1&3\ 0&-2&2!!&vline!!& 1&1&-2\ 0&0&0!!&vline!!& -1&0&0\ 0&-2&2!!&vline!!& 1&1&-2end{pmatrix}sim begin{pmatrix} 1&1&1!!&vline!!& 1&1&3\ 0&-2&2!!&vline!!& 1&1&-2\ 0&0&0!!&vline!!& -1&0&0\ 0&0&0!!&vline!!& 0&0&0 end{pmatrix}= (A'mid B').

По ступенчатому виду определяем, что первый, второй и четвертый столбцы линейно независимы. Следовательно, из 6 образующих a_1,a_2,a_3, b_1,b_2,b_3 подпространства mathbf{A}+mathbf{B} максимальную линейно независимую подсистему составляют столбцы a_1,a_2,b_1 (в этих столбцах расположен базисный минор матрицы). Следовательно, эти столбцы служат базисом суммы: mathbf{A}+ mathbf{B}= operatorname{Lin}(a_1,a_2,b_1) и dim(mathbf{A}+mathbf{B})=3. По ступенчатому виду матрицы (Amid B) можно также определить размерности подпространств. В блоке A' две ненулевых строки, следовательно, dimmathbf{A}= operatorname{rg}A= operatorname{rg}A'=2. Ненулевые строки блока В’ линейно независимы, следовательно, dimmathbf{B}= operatorname{rg}B= operatorname{rg}B'=3.

Найдем базис и размерность пересечения mathbf{A}cap mathbf{B}~ (k_1=k_2=3,~ r=operatorname{rg}(Amid B)=3).

1. Первый пункт алгоритма выполнен выше: матрица (Amid B) однородной системы Aalpha+Bbeta=o приведена к ступенчатому виду (A'mid B').

2. Находим фундаментальную систему решений (используя алгоритм, описанный в разд. 5.5). Приводим матрицу (A'mid B') системы к упрощенному виду:

(A'mid B')= begin{pmatrix}1&1&1!!&vline!!& 1&1&3\ 0&-2&2!!&vline!!& 1&1&-2\ 0&0&0!!&vline!!& -1&0&0\ 0&0&0!!&vline!!& 0&0&0end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&2!!&vline!!& 0&3/2&2\ 0&1&-1!!&vline!!& 0&-1/2&1\ 0&0&0!!&vline!!& 1&0&0\ 0&0&0!!&vline!!& 0&0&0end{pmatrix}!.

Базисные переменные: alpha_1,,alpha_2,,beta_1; остальные переменные — свободные. Выражаем базисные переменные через свободные: alpha_1=-2alpha_3-frac{3}{2} beta_2-2beta_3; alpha_2=alpha_3+frac{1}{2}beta_2-beta_3; beta_1=0. Придавая свободным переменным наборы значений

alpha_3=1,quad beta_2=0,quad beta_3=0;qquad alpha_3=0,quad beta_2=2,quad beta_3=0;qquad alpha_3=0,quad beta_2=0,quad beta_3=1,

получаем линейно независимые решения

varphi_1=begin{pmatrix} -2&1&1&0&0&0 end{pmatrix}^T,quad varphi_2= begin{pmatrix} -3&1&0&0&2&0 end{pmatrix}^T,quad varphi_3=begin{pmatrix}-2&-1&0&0&0&1 end{pmatrix}^T.

т.е. фундаментальная матрица имеет вид

Phi= begin{pmatrix}-2&-3&-2\ 1&1&-1\ 1&0&0\ 0&0&0\ 0&2&0\ 0&0&1 end{pmatrix}!.

3. Из первых трех строк (k_1=3) матрицы Phi составляем матрицу Phi_{alpha}= begin{pmatrix} -2&-3&-2\ 1&1&-1\ 1&0&0 end{pmatrix}.

4. Вычисляем произведение

AcdotPhi_{alpha}= begin{pmatrix}1&1&1\ 1&-1&3\ 1&1&1\ 1&-1&3 end{pmatrix}! cdot! begin{pmatrix}-2&-3&-2\ 1&1&-1\ 1&0&0end{pmatrix}= begin{pmatrix}0&-2&-3\ 0&-4&-1\ 0&-2&-3\ 0&-4&-1end{pmatrix}= begin{pmatrix}o&c_1&c_2end{pmatrix}!.

Столбцы этой матрицы являются образующими пересечения mathbf{A}cap mathbf{B}= operatorname{Lin}(o,c_1,c_2), где o — нулевой столбец, c_1= begin{pmatrix} -2&-4&-2&-4 end{pmatrix}^T, c_2=begin{pmatrix}-3&-1&-3&-1 end{pmatrix}^T.

5. Найдем базис пересечения mathbf{A}cap mathbf{B}. Для этого матрицу APhi_{alpha} приводим к ступенчатому виду

AcdotPhi_{alpha}= begin{pmatrix}0&-2&-3\ 0&-4&-1\ 0&-2&-3\ 0&-4&-1end{pmatrix}sim begin{pmatrix}0&2&3\ 0&0&5\ 0&0&0\ 0&0&0 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}0&1&3/2\ 0&0&1\ 0&0&0\ 0&0&0 end{pmatrix}!.

По ступенчатому виду определяем, что последние два столбца матрицы APhi_{alpha} линейно независимы. Следовательно, два столбца c_1,c_2 являются базисом пересечения mathbf{A}cap mathbf{B}= operatorname{Lin}(c_1,c_2) и dim(mathbf{A}cap mathbf{B})=2.

Проверим размерность пересечения подпространств, которую вычислим, используя формулу (8.13):

dim(mathbf{A}cap mathbf{B})= dim mathbf{A}+dim mathbf{B}-dim(mathbf{A}+ mathbf{B})= 2+3-3=2,

что совпадает с найденной ранее размерностью.


Пример 8.13. Найти размерности и базисы пересечения mathbf{A}cap mathbf{B} и суммы mathbf{A}+ mathbf{B} подпространств mathbf{A}, mathbf{B}triangleleft mathbb{R}^4, если они заданы однородными системами уравнений:

mathbf{A}colon, begin{cases}x_1+x_2+2x_3+x_4=0,\ 2x_1+3x_2+x_4=0,\ 3x_1+4x_2+2x_3+2x_4=0;end{cases}quad mathbf{B}colon, begin{cases}x_1+x_2+x_3=0,\ 2x_1+3x_2+x_3+2x_4=0,\ x_1+2x_2+2x_4=0.end{cases}

Решение. Обозначим матрицы данных систем через mathbf{A} и mathbf{B} соответственно. По правилу (8.20) пересечение mathbf{A}cap mathbf{B} описывается однородной системой begin{cases}Ax=o,\Bx=o.end{cases} Найдем базис пересечения — фундаментальную систему решений этой однородной системы уравнений. Составляем матрицу системы begin{pmatrix}dfrac{A}{B}end{pmatrix} и приводим ее к ступенчатому виду, а затем к упрощенному виду:

begin{gathered} begin{pmatrix}dfrac{A}{B}end{pmatrix}= begin{pmatrix}1&1&2&1\ 2&3&0&1\ 3&4&2&2\hline 1&1&1&0\ 2&3&1&2\ 1&2&0&2 end{pmatrix}sim begin{pmatrix} 1&1&2&1\ 0&1&-4&-1\ 0&1&-4&-1\hline 0&0&-1&-1\ 0&1&-3&0\ 0&1&-2&1 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&1&2&1\ 0&1&-4&-1\ 0&0&0&0\hline 0&0&-1&-1\ 0&0&1&1\ 0&0&2&2 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&1&2&1\ 0&1&-4&-1\ 0&0&1&1\hline 0&0&0&0\ 0&0&0&0\ 0&0&0&0 end{pmatrix}sim\[2pt] sim begin{pmatrix}1&0&6&2\ 0&1&-4&-1\ 0&0&1&1\hline 0&0&0&0\ 0&0&0&0\ 0&0&0&0 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&0&-4\ 0&1&0&3\ 0&0&1&1\hline 0&0&0&0\ 0&0&0&0\ 0&0&0&0end{pmatrix}!.end{gathered}

Базисные переменные: x_1,x_2,x_3, свободная переменная — x_4. Выражаем базисные переменные через свободную: x_1=4x_4; x_2=-3x_4; x_3=-x_4. Фундаментальная система содержит одно решение varphi_1= begin{pmatrix} 4&-3&-1&1end{pmatrix}^T, которое получаем, задавая x_4=1. Следовательно, mathbf{A}cap mathbf{B}= operatorname{Lin}(varphi_1) и dim(mathbf{A}cap mathbf{B}).

Найдем теперь сумму mathbf{A}+mathbf{B}. Фундаментальная система решений однородной системы Ax=o была найдена в примере 8.9. Следовательно,

mathbf{A}=operatorname{Lin}(a_1,a_2), где a_1=begin{pmatrix} -6&4&1&0 end{pmatrix}^T,~~ a_2=begin{pmatrix}-2&1&0&1end{pmatrix}^T,~~ dim{mathbf{A}}=2.

Найдем фундаментальную систему решений однородной системы Bx=o. Для этого приводим матрицу системы к ступенчатому виду, а затем к упрощенному:

B=begin{pmatrix}1&1&1&0\ 2&3&1&2\ 1&2&0&2 end{pmatrix}sim begin{pmatrix} 1&1&1&0\ 0&1&-1&2\ 0&1&-1&2 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&1&1&0\ 0&1&-1&2\ 0&0&0&0 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&2&-2\ 0&1&-1&2\ 0&0&0&0 end{pmatrix}!.

Базисные переменные: x_1,,x_2, свободные переменные: x_3,,x_4. Выражаем базисные переменные через свободные: x_1=-2x_3+2x_4; x_2=x_3-2x_4. Фундаментальная система состоит из двух решений b_1=begin{pmatrix}-2&1&1&0end{pmatrix}^T, b_2=begin{pmatrix}2&-2&0&1end{pmatrix}^T, которые находим, придавая свободным переменным стандартные наборы значений (x_3=1,~x_4=0 и x_3=0,~x_4=1). Следователь но, mathbf{B}= operatorname{Lin}(b_1,b_2) и dim mathbf{B}=2.

По правилу (8.19) находим сумму mathbf{A}+mathbf{B}= operatorname{Lin} (a_1,a_2,b_1,b_2). Чтобы определить базис, составим из столбцов a_1,,a_2,, b_1,,b_2 матрицу и приведем ее к ступенчатому виду:

begin{pmatrix}-6&-2&-2&2\ 4&1&1&-2\ 1&0&1&0\ 0&1&0&1end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&1&0\ 0&1&-3&-2\ 0&-2&4&2\ 0&1&0&1 end{pmatrix}sim begin{pmatrix} 1&0&1&0\ 0&1&-3&-2\ 0&0&-2&-2\ 0&0&3&3 end{pmatrix}sim begin{pmatrix}1&0&1&0\ 0&1&-3&-2\ 0&0&1&1\ 0&0&0&0 end{pmatrix}!.

Первые три столбца линейно независимы. Следовательно, mathbf{A}+mathbf{B}= operatorname{Lin}(a_1,a_2,b_1) и dim(mathbf{A}+mathbf{B})=3.

Проверим размерность суммы подпространств. По формуле (8.13) получаем

dim(mathbf{A}+mathbf{B})= dimmathbf{A}+dimmathbf{B}-dim(mathbf{A}cap mathbf{B})=2+2-1=3,

что совпадает с найденной ранее размерностью.


Нахождение относительных алгебраических дополнений подпространств

Пусть дана цепочка подпространств mathbf{A}triangleleft mathbf{B}triangleleft mathbb{R}^n. Требуется найти относительное дополнение mathbf{A}^{+}cap mathbf{B} подпространства mathbf{A} до подпространства mathbf{B}.

Рассмотрим случай внешнего описания подпространств — как множеств решений однородных систем уравнений: mathbf{A}={Ax=o} и mathbf{B}={Ax=o}. Согласно (8.17) базис пространства mathbf{A}^{+} образуют линейно независимые столбцы транспонированной матрицы A^T. Тогда относительное дополнение mathbf{A}^{+}cap mathbf{B} составляют такие векторы x=A^Ty, которые удовлетворяют системе Bx=o. Если обозначить через Phi фундаментальную матрицу системы BA^Ty=o, то линейно независимые столбцы матрицы A^TPhi являются максимальной системой векторов подпространства mathbf{B}, линейно независимой над mathbf{A}, т.е. базисом относительного дополнения.

На практике нахождение базиса mathbf{A}^{+}cap mathbf{B} удобнее производить, используя ступенчатые виды матриц A и B, согласно следующей методике.

1. Привести матрицы A и B при помощи элементарных преобразований строк к ступенчатому виду и удалить нулевые строки. В результате по лучим матрицы (A)_{text{st}} и (B)_{text{st}} модифицированного ступенчатого вида (строки каждой из этих матриц линейно независимые).

2. Найти фундаментальную матрицу Phi однородной системы уравнений (B)_{text{st}}(A)_{text{st}}^Ty=o.

3. Вычислить матрицу (A)_{text{st}}^TPhi. Ее столбцы образуют искомый базис mathbf{A}^{+}cap mathbf{B}.

Рассмотрим случай внутреннего описания подпространства mathbf{A} как линейной оболочки своих образующих: mathbf{A}=operatorname{Lin}(a_1,ldots,a_k). Согласно (8.16) множество решений системы уравнений A^Tx=o (матрица A= begin{pmatrix}a_1&cdots&a_kend{pmatrix} составлена из образующих) является алгебраическим дополнением mathbf{A}^{+}. Тогда множество решений системы begin{cases}A^Tx=o,\Bx=o,end{cases}!!Leftrightarrow, begin{pmatrix} dfrac{A^T}{B} end{pmatrix}!x=o является относительным дополнением mathbf{A}^{+}cap mathbf{B}, а ее фундаментальная система решений — базисом относительного дополнения.

Замечание 8.10. Способы описания подпространств комплексного линейного пространства, а также методы решения типовых задач аналогичны рассмотренным. В отличие от вещественного арифметического пространства mathbb{R}^n вместо операции транспонирования матрицы в комплексном арифметическом пространстве mathbb{C}^n нужно использовать операцию сопряжения матрицы.

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Кнопка "Поделиться"

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)

Ваш е-мэйл

Заполните, если хотите получить ответ

Оцените наш проект

1

2

3

4

5

majestry, действительно формула указанная Veyron несколько упрощает жизнь.
Расскажу как найти пересечение и объединение подпространств, натянутых на Ваши вектора, методом “в лоб”.

У Вас есть две линейные оболочки векторов

https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?left{{x}_{1},{x}_{2},{x}_{3} right}

https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?left{{y}_{1},{y}_{2},{y}_{3} right}

Для нахождения объединения Вы строите такую матрицу:
Транспонируете Ваши вектора столбцы в вектора строки.
Далее последовательно составляете матрицу 6*3 где i-ая строка отвечает i-ому вектору, а j-столбец j-м координатам соответствующих векторов. Далее, как в методе Гаусса, приводите это дело к диагональному виду откидывая все нулевые строки. Ранг этой матрицы будет отвечать размерности объединения Ваших оболонок.

Пересечение находится так:
Ваши вектора остаются векторами столбцами. Сначала выбрасываете из ваших линейных оболочек те вектора, которые выражаются через другие, то-есть оставляете только базисные вектора. Пускай это будет x1,x2 и y1,y2 Далее составляете такую матрицу

https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?begin{pmatrix} {x}_{1} & {x}_{2}  |&{y}_{1}  &{y}_{2}  end{pmatrix}

Далее с помощью преобразований над столбцами, оставляя скажем левую часть не тронутой, Вы приводите подматрицу справа к виду, как можно близкому к диагональному. Делать это надо до тех пор, пока оставшиеся ненулевые вектора станут линейно не зависимыми.
Количество нулевых векторов, которые в итоге останутся и будет размерностью пересечения.

Это можно все делать по разному, но принцип везде работает один и тот же.

Пусть H1, H2линейные подпространства в линейном пространстве L.

Определение 2.2. Множество Н1 ∩ Н2 называют пересечением линейных подпространств Н1 и Н2

Рис 2.4 Пересечение и сумма линейных подпространств

На рис. 2.4 видим, что два линейных подпространства, изображенные плоскостями, в пересечении дают прямую, также являющуюся представлением некоторого линейного подпространства (см. пример 2.1).

Теорема 2.1. Пересечение Н1 ∩ Н2 двух линейных под-пространств Н1 и Н2 в линейном пространстве L является линейным подпространством в L.

◄ Проверим, выполняется ли условие 1) определения 2.1. Если векторы x1 и x2 принадлежат Н1 ∩ Н2 то каждый из этих векторов принадлежит как Н1 так и H2. Поскольку Н1 – линейное подпространство, то, согласно определению 2.1, заключаем, что вектор x1 + x2, павный сумме векторов этого линейного подпространства, тоже принадлежит Н1. Аналогично х1 + x2 ∈ H2 так как каждое из слагаемых является элементом линейного подпространства H2 Следовательно, x1 + x2 ∈ Н1 ∩ Н2.

Проверим условие 2) определения 2.1. Выберем произвольный вектор х ∈ Н1 ∩ Н2. Тогда х ∈ Н1 и х ∈ Н2. Так как H1 является линейным подпространством, то произведение элемента х этого линейного подпространства на произвольное действительное число λ принадлежит Н1. Но совершенно аналогично вектор λх принадлежит и H2. Поэтому λх ∈ Н1 ∩ Н2.

Итак, оба условия определения 2.1 выполнены. Следовательно, Н1 ∩ Н2 является линейным подпространством. ►

Определение 2.3. Множество Н1 + Н2 всех векторов х вида х = х1 + x2, где x1 ∈ Н1, x2 ∈ H2 называют суммой линейных подпространств H1 и H2.

На рис. 2.5 линейные подпространства Н1 и Н2 представлены несовпадающими прямыми, проходящими через фиксированную точку О. Их сумма представляется плоскостью, содержащей обе прямые.

Рис 2.5 Пересечение и сумма линейных подпространств

Теорема 2.2. Сумма линейных подпространств данного линейного пространства является линейным подпространством в том же линейном пространстве.

◄ Рассмотрим два вектора v и w из множества Н1 + Н2. Согласно определению 2.3, имеют место представления

v = x1 + x2, w = y1 + y2,

где векторы xi, уi принадлежат Hi, i = 1,2. Складывая эти равенства, получаем

v + w = (x1 + y1) + (x2 + y2).

Сумма x1 + y1 векторов x1 и y1 линейного подпространства Н1 принадлежит H1. Точно так же сумма x2 + у2 векторов x2 и у2 линейного подпространства Н2 принадлежит Н2. Поэтому вектор v + w принадлежит множеству H1 + Н2.

Условие 2) определения 2.1 проверяется аналогично. Произвольный вектор v ∈ H1 + Н2 имеет представление v = x1 + x2, где x1 ∈ H1, x2 ∈ H2. Для любого действительного числа λ получаем равенства

λv = λ(x1 + x2) = λx1 + λx2.

Так как вектор λx1 принадлежит H1, а вектор λх2 – H2, то вектор λv является элементом множества H1 + H2.

Мы доказали, что множество H1 + Н2 замкнуто относительно линейных операций объемлющего линейного пространства и поэтому, согласно определению 2.1, оно является линейным подпространством. ►

Пример 2.6. Рассмотрим две однородные системы линей-ных алгебраических уравнений

Пересечение и сумма линейных подпространств

Множества решений этих систем представляют собой линейные подпространства H1 и Н2 линейного арифметического пространства Rn. Объединив обе системы в одну, получим новую
однородную систему, множеством решений которой будет линейное подпространство Н1 ∩ Н2.

Пример 2.7. Рассмотрим две системы векторов е1,…, еk и f1, …, fl в некотором линейном пространстве L. Линейные дболочки этих систем представляют собой линейные подпространства Н1 = span{e1,…,еk} и H2 = span{f1,…, fl} в L. Если мы объединим обе системы в одну, то у новой, объединенной системы линейной оболочкой будет линейное подпространство H1 + H2. В самом деле, любой вектор х ∈ Н1 + Н2 разлагается в сумму х = х1 + x2, где х1 ∈ H1, x2 ∈ H2. Векторы х1 и x2 представляются в виде линейной комбинации, первый – векторов е1, … , ek, второй – векторов f1, …, fl. Значит, их сумма представляется линейной комбинацией векторов е1, … ,ek , f1, …, fl т.е. – вектор х принадлежит span{e1,…,ek,f1,..,fl}. Предположим теперь, что вектор x принадлежит указанной линейной оболочке, т.е. имеет место представление

x = α1e1 + … + αkek + β1f1 + … +βlfl.

Положив

x1 = α1e1+ … + αkek,

x2 = β1f1+ … + βlfl

приходим к представлению х = х1 + x2, в котором х1 ∈ H1, x2 ∈ H2. Значит, х ∈ H1 + H2.

Пример 2.8. Линейное подпространство из примера 2.5, являющееся линейной оболочкой span{OA, OB}, можно представить как сумму подпространств H1 = span{OA} и H2 = span{OB} (рис. 2.6).

Рис 2.6 Пересечение и сумма линейных подпространств

  1. Линейные операции над векторами

  2. Базис. Cкалярное произведение

  3. Векторное и смешанное произведения векторов

  4. Декартова система координат. прямая на плоскости

  5. Плоскость в пространстве

  6. Прямая в пространстве

  7. Кривые второго порядка — I

  8. Кривые второго порядка — II

  9. Поверхности второго порядка

  10. Матрицы и операции с ними

  11. Обратная матрица

  12. Ранг матрицы

  13. Системы линейных алгебраических уравнений

  14. Свойства решений однородных и неоднородных СЛАУ

Добавить комментарий