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招教考试中学数学学科专业知识(第十二章第四节)
第四节 线性空间
一、线性空间 ★★★
1.线性空间的定义
设V是一个非空集合,其元素用x、y、z 等表示;K是一个数域,其元素用k,l,m等表示.
(1)在V中定义一个“加法”运算,即当x、y∈V时,有唯一的和x+y∈V(封闭性),且加法运算满足下列性质:
① 结合律:x+(y+z)=(x+y)+z;
② 交换律:x+y=y+x;
③ 零元律:存在零元素0,使x+0=x;
④ 负元律:对于任一元素x∈V,存在一元素y∈V,使x+y=0,则称y为x的负元素,记为-x.则有x+(-x)=0.
(2)在V中定义一个“数乘”运算(数与向量的乘法),即当x∈V,k∈K时,有唯一的kx∈V(封闭性),且数乘运算满足下列性质:
① 数因子分配律:k(x+y)=kx+ky;
② 分配律:(k+l)x=kx+lx;
③ 结合律:k(lx)=(kl)x;
④ 恒等律:1x=x.
注意:
线性空间不能离开某一数域来定义.因为同一个集合,如果数域不同,该集合构成的线性空间也不同.
当数域K为实数域时,V就称为实线性空间;K为复数域时,V就称为复线性空间.
真题点睛
设R+={全体正实数},其“加法”及“数乘”运算定义为
x+y=xy,k·x=xk
证明:R+是实数域R上的线性空间.
【老师点评】 (1)唯一性和封闭性
唯一性:显然若x>0,y>0,k∈R,则有x+y=xy∈R+,k·x=xk∈R+.
封闭性得证.
(2)八条性质
① x+(y+z)=x(yz)=(xy)z=(x+y)+z
② x+y=xy=yx=y+x
③ 1是零元素x+1=x·1=x[x+0=x→x+0=x→0=1]
④ 1x是x的负元素x+1x=x·1x=1[x+y=0]
⑤ k·(x+y)=(xy)k=xkyk=k·x+k·y[数因子分配律]
⑥ (k+1)·x=xk+1=xkx1=(k·x)+(1·x)[分配律]
⑦ k·(1·x)=(x1)k=xk1=(k1)·x[结合律]
⑧ 1·x=x′=x[恒等律]
由此可证,R+是实数域R上的线性空间.
2.线性空间的性质
(1)线性空间V的零元素是唯一的,任一元素的负元素也是唯一的.
(2)线性空间V中,若x∈V,k∈K,则恒等式成立:0x=0,(-1)x=(-x),k0=0.
3.线性相关性
线性组合:
?x1,x2…xm∈V,c1,c2…cm∈K
c1x1+c2x2+…+cmxm?∑mi=1cixi
称为元素组x1,x2,…,xm的一个线性组合.
线性表示:V中某个元素x可表示为其中某个元素组的线性组合,则称x可由该元素组线性表示.
线性相关性:如果存在一组不全为零的数c1,c2,…,cm∈K,使得对于元素x1,x2,…,xm∈V有
∑mi=1cixi=0
则称元素组x1,x2,…,xm线性相关,否则称其线性无关.
4.线性空间的维数
线性空间V中最大线性无关元素组所含元素个数称为V的维数,记为dimV.
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