1
子空间
运算
交与和
直和
第十 三讲
2
§ 4 子空间
§ 4-1 子空间的定义及例子
.的一个子空间是
也是线性空间,则称子集,如果
的非空是是线性空间,定义:设
V
WW
VWV
.算封闭中定义的加法和数乘运对
的子空间的充要条件是是那么
的非空子集,是线性空间定理:设
VW
VW
VW
GA13
3
)().(
,0
,.
011
ANs p a c en u ll
AA
R
AXA
n
nm
记为
的零空间称为的作用下化为它在
的子空间这个空间是一个线性空间
的解全体构成,则:设例 ?
?
一组基。的基础解系就构成它的
时当
0
,)(d im
,)(,}0{)(
?
??
????
AX
rnAN
rArAXRXAN
n
12e x p 1,( ),,,nmVF ? ? ?给定 的一组向量
4
的子空间,是且对加法和数乘封闭
是非空
)(,
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1
FV
miFkkW
n
m
i
iii
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.
,16
的列空间称为
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A
AA nm ?
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21
2121
的生成空间称为
记为
m
mmL
???
??????
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,)()(d i m
},{),,()(
),,,(
1
1
的一组基极大线性无关组就是
的列向量组的
则记
AR
AArAR
RXAXAALAR
AAA
n
n
n
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5
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1
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N
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为 5阶方阵,
的化零空间 的列空间 试求 A 和
0 0 1
0 0 1
0 0 1
00
0
A
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解,
1 0 0
0 1 0
( ),,0 0 1
000
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RA
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Exp2,
6
§ 4-2 子空间的运算
.
},{
.},{
,)(,8
21
22112121
212121
21
的和与称为
的交与称为
的两个子空间是:设定义
WW
WWWW
WWWWWW
FVWW
n
???????????
???????
).(},0{
.)(:1e x p
32121
213
RVWWWW
o y zWxWRV
????那么
平面为轴,表中,在
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).(,
.)(:2e x p
32121
213
RVWWyWW
o y zWo x yWRV
??? 轴则
平面表平面,表中,在
?
7
表示不唯一。
)()()(

][
)(),,(
kajajiakajaia
kajaiaaaa
zyxzyx
zyxzyx
????????
????
??
?
.10 均为子空间:两个子空间的交与和定理
.
0000,0:
21
2121
非空
由证
WW
WWWW
??
???????
222111222
1112121
21
,
,,
,,
WWW
W
WW
??????
?????
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??????
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又设
.
.
2121
212211
WWkkk
WW
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8
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WWWW
p r o o f
t
i
ii
s
i
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,,
11
21
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2
1
121
右左右,左右,
线性表出,可由
且有左而任
??????
??
?????
????
????????
?
??????
??????
ts
WW
??
?????????????? nnn FV ?? 11,,)(
1 1 2 1
1 2 1 1
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st
st
WW
W W L
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命题2,设 则
9
)d im ()d im (d imd im
12
212121 WWWWWW ?????
(维数公式)定理;,,,,
,,
.)(d i m,d i m,d i m:
111
211
2121
rtt
t
W
WW
tWWsWrWp r o o f
????
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??
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,的基把它扩充为
的基,是

.,,,,,112 sttW ???? ?? ?的基把它扩充为
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1W??
)1(,0
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11
1111
21111
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sstt
rrtttt
strtt
WW
????
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??????
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???

的基恰为,,
要证
10
sstttt
tWW
?????????
???
???????
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?? ??
??
1111
121,,,使故存在
,,,1,0
,,,,,,211
si
W
i
stt
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????
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????
得线性无关。
的基为而
,)1(,01 式中代回特别 ???? st ?? ?
).d im ()d im (d imd im
,,,,,,,,
,,1,0
,,,,,
212121
111
11
WWWWWW
ri
strtt
i
rtt
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???
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??
?????
??
??
?
线性无关
于是得
线性无关得:又由
??????
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11
.
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00
10
01
01
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01
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00
11
,},
0
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2
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?
??
基为
基为:例
Rzyx
zx
yx
W
Ryx
y
xx
W
241325421
5432121
).(),,,(
),,,,(
eeeeRMeeeeL
eeeeeLWW
?????
??
?
1 2 3 4 1 2
11
( ) ( ),
10
k e e k e e W W k
??
? ? ? ? ??
??
215421
524412
))(()(
)(),(
?????????
??????
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?
?
??
deeabceae
decebeeea
dc
ba
RM
dc
ba
e1 e2
e3 e4 e5
12
§ 4- 3 子空间的直和
? ?
12
1 2 1 2 1
2 1 2
9,,( ),
0,
,.
nW W V F
W W W W W
W W W
??
?
定义 设 是 的子空间
如果 则称 为子空间
与 的直和 记为
:4
,,)(,,2121
个命题等价则以下
的子空间是设定理 WWWFVWW n ??
.000
0)4(;
,,,)3(
);d im ()d im ()d im ()2(
};0{)1(
21
221121
21
21
??
???????????
??
?

中元素和的方法唯一,与表为
分解式唯一

WW
WWW
WWW
WW ?
13
,0d i m),2()1(,21 ?? WWp r o o f ??由维数公式立得,
则的基
的基取
则设)(
m
r
W
WmrW
mWrW
??
????
???
,,
,,,,d im
,d im,d im),3(2
12
11
21
?
?
.0
,)4()3( 21
向量的分解式唯一方法唯一,
中元素和的与表为
?
???? WWW?
,,
.,,,,,,
,d im,,,,,,
11
11
在此基下坐标唯一任
的基为线性无关

W
W
mrWW
mr
mr
???
?????
?????????
??
??
唯一
2
2
1
1
21
11
,
W
Wxx m
i
iir
r
i
ii ?
?????
??
??
????
?
?
?
?? ???????
14
,)(
,)(
},{)()(
000
0
014
21
21
?????
???
??
??
? 于是
则若
WW
WW
?
?
.},{
.
2121 0
0
WWWWW ???? 即必
的分解式不唯一,矛盾则
?
12
1 2 1 1 2 2
{ 0 },
,,.
W W W
WW
?
? ? ? ? ?
? ? ?
? ? ? ?
至少有一个
分解式唯一
命题
.,)(
)(
212
1
WWVWFV
FVW
n
n
??
?
使的子空间
的子空间,怎么样去找是若
15
中的补子空间在称为 )(12 FVWW n
(其不唯一)
11
1 1 2 1
()
.
mn
m m n m n
W V F
W
??
? ? ? ? ? ??? ?
从 选基,,扩充为空间 的基
,,,,则 <, >
,若要求正交补则唯一。
0 1W
2W
2W1
W?
?
1?
2?
16
12
3 4 5
1 1 0 0
0 0 1 0
1 0 0 1 0 0
.
1 0 0 0 0 1
kk
k k k
? ? ? ?
?? ? ? ?
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? ? ?? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5k e k e k e k e k e? ? ? ?
13
14
23
5
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kk
kk
kk
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1 2 3 4 5,0k k k k k k? ? ? ? ?