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 пространствоR
разлагалось в прямую сумму подпространств
R1
и R2,достаточно,
чтобы:
-
Подпространства
R1
и R2
имели только один общий вектор x
=
0 (нулевой вектор). -
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
124. 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:
(в
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
125. 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
a2 =
x3
b1+
x4
b2
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
126. 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
+
13a2
=
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 требуется найти алгебраическое дополнение подпространства , т.е. такое подпространство , что .
В зависимости от способа описания подпространства , используем одно из следующих двух утверждений.
1. Если подпространство задано как линейная оболочка столбцов матрицы , то множество решений однородной системы является его алгебраическим дополнением , т.е.
(8.16)
2. Если подпространство задано как множество решений однородной системы уравнений с неизвестными, то линейная оболочка столбцов транспонированной матрицы является его алгебраическим дополнением , т.е.
(8.17)
где — i-й столбец матрицы .
Разумеется, в (8.16) и (8.17) указано одно из возможных алгебраических дополнений подпространства (см. свойство 3 алгебраических дополнений подпространств).
Докажем сначала справедливость (8.16) в одномерном случае , а потом в общем. Пусть — одномерное подпространство , — ненулевой столбец. Найдем алгебраическое дополнение подпространства . Рассмотрим уравнение в координатной форме: . Множество решений однородной системы, состоящей из одного уравнения, образует подпространство размерности . Найдем пересечение . Подставляя элемент линейной оболочки в уравнение , получаем , что возможно только при , так как . Следовательно, элемент из принадлежит подпространству только тогда, когда — нулевой столбец, т.е. . Учитывая, что , заключаем, что — алгебраическое дополнение подпространства в .Таким образом,
(8.18)
Учитывая (8.18), докажем (8.16) в общем случае . Представим в виде суммы , где . Из (8.15) следует, что . Согласно (8.18), множество решений однородной системы, состоящей из одного уравнения, дополняет до всего пространства . Пересечение множеств решений отдельных уравнений дает, разумеется, множество решений системы этих уравнений. Поэтому , что и требовалось доказать. Утверждение (8.17) доказывается аналогично, используя (8.18).
Пример 8.10. Найти алгебраическое дополнение подпространства в пространстве 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 стандартный базис . Пространство изоморфно . Найдем координаты многочленов и в стандартном базисе. Раскладывая по базису, получаем:
т.е. многочлену соответствует координатный столбец — элемент пространства . Аналогично получаем координатный столбец для многочлена .
Таким образом, исходная задача сводится к следующей: требуется найти алгебраическое дополнение подпространства в пространстве . Используя правило (8.16), получаем, что — это множество решений системы , где , т.е. системы
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:
Базисные переменные , свободные — . Выражаем базисные переменные через свободные: . Находим фундаментальную систему решений. Подставляя стандартные наборы свободных переменных ( и ), получаем решения: , которые образуют фундаментальную систему решений и являются базисом алгебраического дополнения Полученный результат переносим в пространство многочленов. По координатному столбцу находим многочлен
Аналогично получаем . Искомое алгебраическое дополнение имеет вид
Проверим равенство . Для этого приравняем между собой линейные комбинации многочленов и
Преобразовывая, получаем
Чтобы это равенство выполнялось тождественно, все его коэффициенты должны быть равны нулю:
Ранг матрицы этой системы равен 4 (находится, например, методом Гаусса). Поэтому однородная система имеет только нулевое решение . Таким образом, равенство выполняется.
Нахождение алгебраической суммы подпространств
Для заданных подпространств и пространства требуется найти размерность и базис их алгебраической суммы . Рассмотрим методику решения этой задачи для двух случаев описания подпространств.
Пусть подпространства заданы линейными оболочками своих образующих (внутреннее описание): и . Тогда, приписывая к образующим одного подпространства образующие другого подпространства, получаем образующие суммы подпространств и
(8.19)
поскольку любой вектор имеет вид . Базис суммы можно найти как максимальную подсистему линейно независимых столбцов.
Пусть подпространства заданы как множества решений однородных систем уравнений (внешнее описание): и . Тогда, переходя к внутреннему описанию, сводим задачу к предыдущему случаю, а именно нужно выполнить следующие действия:
1) для каждой однородной системы и найти фундаментальные системы решений и соответственно. При этом получим и , где ;
2) по правилу (8.19) найти сумму .
Пример 8.11. Найти размерность и базис алгебраической суммы подпространств , если подпространство задано системой уравнений
подпространство — линейной оболочкой своих образующих:
Решение. Образующие подпространства были найдены в примере 8.9: , где . По правилу (8.19) получаем . Найдем базис этого подпространства как максимальную линейно независимую подсистему столбцов. Составляем из этих столбцов матрицу и приводим ее методом Гаусса к ступенчатому виду:
Первый, второй и четвертый столбцы полученной матрицы линейно независимы. Значит, соответствующие столбцы исходной матрицы так же линейно независимы (так как выполнялись элементарные преобразования только над строками). Поэтому они являются базисом и .
Нахождение пересечения подпространств
Для заданных подпространств и пространства требуется найти размерность и базис их пересечения . Рассмотрим методику решения этой задачи для двух случаев описания подпространств.
Пусть подпространства заданы как множества решений однородных систем уравнений (внешнее описание): и . Тогда, приписывая к системе , задающей одно подпространство, систему , задающую другое подпространство, получаем систему определяющую пересечение подпространств:
(8.20)
Базисом пересечения служит ее фундаментальная система решений.
Пусть подпространства и пространства заданы линейными оболочками своих образующих (внутреннее описание): и . Переходя от внутреннего описания подпространств к внешнему, можно свести задачу к предыдущему случаю. Однако удобнее сделать иначе. Пересечению принадлежат только такие , которые можно представить как равные между собой линейные комбинации столбцов и столбцов соответственно:
(8.21)
Представим второе равенство в (8.21) в матричном виде , где — матрицы, составленные из данных столбцов, — столбцы коэффициентов линейных комбинаций. Равенство можно рассматривать как одно родную систему уравнений с неизвестными и . Каждому решению этой системы соответствует вектор , при надлежащий пересечению . Однако, на практике удобнее вместо системы рассматривать однородную систему , решения которой обладают теми же свойствами (тогда вектор при надлежит пересечению .
Поэтому для нахождения пересечения подпространств и и базиса пересечения нужно выполнить следующие действия.
1. Составить блочную матрицу коэффициентов однородной системы уравнений , где матрицы образованы из заданных столбцов.
2. Для однородной системы с матрицей найти фундаментальную матрицу . Матрица имеет размеры , где .
3. Из первых строк матрицы составить матрицу . Столбцы матрицы содержат искомые коэффициенты линейных комбинаций (8.21).
4. Записать пересечение как линейную оболочку столбцов матрицы .
5. Найти базис пересечения как максимальную линейно независимую подсистему образующих .
Пример 8.12. Найти размерности и базисы суммы и пересечения подпространств , если они заданы линейными оболочками своих образующих: , где
Решение. Найдем базис и размерность суммы . Составим из данных столбцов блочную матрицу
Элементарными преобразованиями над строками приведем ее к ступенчатому виду:
По ступенчатому виду определяем, что первый, второй и четвертый столбцы линейно независимы. Следовательно, из 6 образующих подпространства максимальную линейно независимую подсистему составляют столбцы (в этих столбцах расположен базисный минор матрицы). Следовательно, эти столбцы служат базисом суммы: и . По ступенчатому виду матрицы можно также определить размерности подпространств. В блоке две ненулевых строки, следовательно, . Ненулевые строки блока В’ линейно независимы, следовательно, .
Найдем базис и размерность пересечения .
1. Первый пункт алгоритма выполнен выше: матрица однородной системы приведена к ступенчатому виду .
2. Находим фундаментальную систему решений (используя алгоритм, описанный в разд. 5.5). Приводим матрицу системы к упрощенному виду:
Базисные переменные: ; остальные переменные — свободные. Выражаем базисные переменные через свободные: . Придавая свободным переменным наборы значений
получаем линейно независимые решения
т.е. фундаментальная матрица имеет вид
3. Из первых трех строк матрицы составляем матрицу .
4. Вычисляем произведение
Столбцы этой матрицы являются образующими пересечения , где — нулевой столбец, .
5. Найдем базис пересечения . Для этого матрицу приводим к ступенчатому виду
По ступенчатому виду определяем, что последние два столбца матрицы линейно независимы. Следовательно, два столбца являются базисом пересечения и .
Проверим размерность пересечения подпространств, которую вычислим, используя формулу (8.13):
что совпадает с найденной ранее размерностью.
Пример 8.13. Найти размерности и базисы пересечения и суммы подпространств , если они заданы однородными системами уравнений:
Решение. Обозначим матрицы данных систем через и соответственно. По правилу (8.20) пересечение описывается однородной системой Найдем базис пересечения — фундаментальную систему решений этой однородной системы уравнений. Составляем матрицу системы и приводим ее к ступенчатому виду, а затем к упрощенному виду:
Базисные переменные: , свободная переменная — . Выражаем базисные переменные через свободную: . Фундаментальная система содержит одно решение , которое получаем, задавая . Следовательно, и .
Найдем теперь сумму . Фундаментальная система решений однородной системы была найдена в примере 8.9. Следовательно,
, где .
Найдем фундаментальную систему решений однородной системы . Для этого приводим матрицу системы к ступенчатому виду, а затем к упрощенному:
Базисные переменные: , свободные переменные: . Выражаем базисные переменные через свободные: . Фундаментальная система состоит из двух решений , которые находим, придавая свободным переменным стандартные наборы значений ( и ). Следователь но, и .
По правилу (8.19) находим сумму . Чтобы определить базис, составим из столбцов матрицу и приведем ее к ступенчатому виду:
Первые три столбца линейно независимы. Следовательно, и .
Проверим размерность суммы подпространств. По формуле (8.13) получаем
что совпадает с найденной ранее размерностью.
Нахождение относительных алгебраических дополнений подпространств
Пусть дана цепочка подпространств . Требуется найти относительное дополнение подпространства до подпространства .
Рассмотрим случай внешнего описания подпространств — как множеств решений однородных систем уравнений: и . Согласно (8.17) базис пространства образуют линейно независимые столбцы транспонированной матрицы . Тогда относительное дополнение составляют такие векторы , которые удовлетворяют системе . Если обозначить через фундаментальную матрицу системы , то линейно независимые столбцы матрицы являются максимальной системой векторов подпространства , линейно независимой над , т.е. базисом относительного дополнения.
На практике нахождение базиса удобнее производить, используя ступенчатые виды матриц и , согласно следующей методике.
1. Привести матрицы и при помощи элементарных преобразований строк к ступенчатому виду и удалить нулевые строки. В результате по лучим матрицы и модифицированного ступенчатого вида (строки каждой из этих матриц линейно независимые).
2. Найти фундаментальную матрицу однородной системы уравнений .
3. Вычислить матрицу . Ее столбцы образуют искомый базис .
Рассмотрим случай внутреннего описания подпространства как линейной оболочки своих образующих: . Согласно (8.16) множество решений системы уравнений (матрица составлена из образующих) является алгебраическим дополнением . Тогда множество решений системы является относительным дополнением , 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 вместо операции транспонирования матрицы в комплексном арифметическом пространстве нужно использовать операцию сопряжения матрицы.
Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).
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
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
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, H2 – линейные подпространства в линейном пространстве L.
Определение 2.2. Множество Н1 ∩ Н2 называют пересечением линейных подпространств Н1 и Н2
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.
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
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).
-
Линейные операции над векторами
-
Базис. Cкалярное произведение
-
Векторное и смешанное произведения векторов
-
Декартова система координат. прямая на плоскости
-
Плоскость в пространстве
-
Прямая в пространстве
-
Кривые второго порядка — I
-
Кривые второго порядка — II
-
Поверхности второго порядка
-
Матрицы и операции с ними
-
Обратная матрица
-
Ранг матрицы
-
Системы линейных алгебраических уравнений
-
Свойства решений однородных и неоднородных СЛАУ