第二节 线性空间的定义与简单性质 主要内容 引入 定义 线性空间的简单性质

一、引入 这一 线性空间是线性代数最基本的概念之一. 节我们来介绍它的定义，并讨论它的一些最简单的 线性空间也是我们碰到的第一个抽象的概念, 性质. 线性空间也是我们碰到的第一个抽象的概念, 为了说明它的来源，在引入定义之前，先看几个熟 知的例子.

例 1 在解析几何中，我们讨论过三维空间 向量的基本属性是可以按平行四边形规 中的向量. 我们知道，不 律相加，也可以与实数作数量乘法. 例 1 在解析几何中，我们讨论过三维空间 中的向量. 向量的基本属性是可以按平行四边形规 律相加，也可以与实数作数量乘法. 我们知道，不 少几何和力学对象的性质是可以通过向量的这两种 运算来描述的.

例 2 为了解线性方程组，我们讨论过以 n 元 有序数组 ( a1 , a2 , … , an ) 作为元素的 n 维向量空 间. 对于它们，也有加法和数量乘法，那就是 ( a1 , a2 , … , an ) + ( b1 , b2 , … , bn ) = ( a1 + b1 , a2 + b2 , … , an + bn ) , k ( a1 , a2 , … , an ) = (k a1 , k a2 , … , k an ) .

例 3 对于函数，也可以定义加法和函数与实 数的数量乘法. 譬如说，考虑全体定义在区间[a,b] 上的连续函数. 例 3 对于函数，也可以定义加法和函数与实 数的数量乘法. 譬如说，考虑全体定义在区间[a,b] 上的连续函数. 我们知道，连续函数的和是连续 函数，连续函数与实数的数量乘积还是连续函数.

从这些例子中我们看到，所考虑的对象虽然完 全不同，但是它们有一个共同点，那就是它们都有 加法和数量乘法这两种运算. 当然，随着对象不同 这两种运算的定义也是不同的. 为了抓住它们的共 同点，把它们统一起来加以研究，我们引入线性空 间的概念. 当我们引入抽象的线性空间的概念时， 必须选定一个确定的数域作为基础.

二、定义 定义 6 设 V 是一个非空集合 , P 是一个数域. 加法； 在集合 V 的元素之间定义了一种代数运算，叫做  与它们对应，称为  与  的和，记为  =  +  . 在数域 P 与集合 V 的元素之间还定义了一种运算 , 叫做数量乘法； 这就是说，对于数域 P 中任一 数 k 与 V 中任一元素  ，在 V 中都有唯一的一个

元素  与它们对应，称为 k 与  的数量乘积，记 如果加法与数量乘法满足下述规则，那 么 V 称为数域 P 上的线性空间. 加法满足下面四条规则： 1)        ； 2) (   )      (   )； 3) 在 V 中有一个元素 0，对于 V 中任一元素  都有  + 0 =  (具有这个性质的元素 0 称为 V 的零元素) ；

4) 对于 V 中每一个元素  ，都有 V 中的元素  ，使得  +  = 0 ( 称为 的负元素) . 数量乘法满足下面两条规则： 5) 1  =  ； 6) k( l ) = ( kl ) . 数量乘法与加法满足下面两条规则： 7) ( k + l ) = k + l ; 8) k( +  ) = k + k .

在以上规则中，k , l 等表示数域 P 中的任意数;  ,  ,  等表示集合 V 中任意元素. 由定义，几何空间中全部向量组成的集合是一 个实数域上的线性空间. 分量属于数域 P 的全体 n 元数组构成数域 P 上的一个线性空间，这个线性 空间我们用 Pn 来表示. 下面再来举几个例子.

例 4 数域 P 上一元多项式环 P[ x ]，按通常 的多项式加法和数与多项式的乘法，构成一个数域 P 上的线性空间. 如果只考虑其中次数小于 n 的多 项式，再添上零多项式也构成数域 P 上的一个线性 空间，用 P[ x ]n 表示. 但是，数域 P 上的多项式 集合 { p(x) | p(x) = a0 + a1x + … + anxn , an  0 } 对同样的运算不构成线性空间，因为两个 n 次多 项式的和可能不是 n 次多项式.

例 5 元素属于数域 P 的 m  n 矩阵，按矩阵 例 6 全体实函数，按函数的加法和数与函数 例 6 全体实函数，按函数的加法和数与函数 的数量乘法，构成一个实数域上的线性空间. 例 7 数域 P 按照本身的加法与乘法，即构成 一个自身上的线性空间.

线性空间的元素也称为向量. 当然，这里所谓 向量比几何中所谓向量的涵义要广泛得多. 线性空 间有时也称为向量空间. 一般用小写的希腊字母  ,  ,  , … 表示线性空间 V 中的元素，用小写的 拉丁字母 a, b, c, … 表示数域 P 中的数. 下面我们直接从定义来证明线性空间的一些简 单性质.

三、线性空间的简单性质 1. 零元素是唯一的. 证明 证毕 假设 01，02 是线性空间 V 中的两个零 元素. 1. 零元素是唯一的. 证明 假设 01，02 是线性空间 V 中的两个零 元素. 只要证明 01 = 02 即可. 考虑和 01 + 02 由于 01 是零元素，所以 01 + 02 = 02 . 又由于 02 也 是零元素，所以 01 + 02 = 02 + 01 = 01 ， 于是 01 = 01 + 02 = 02 . 证毕

2. 负元素是唯一的. 证毕 这就是说，适合条件  +  = 0 的元素  是被 元素  唯一决定的. 2. 负元素是唯一的. 这就是说，适合条件  +  = 0 的元素  是被 元素  唯一决定的. 假设  有两个负元素  与  ，  +  = 0，  +  = 0 . 那么  =  + 0 =  + ( +  ) =( + )+  = 0 +  =  . 证毕 向量  的负元素记为 -  .

证明 证毕 利用负元素，我们定义减法如下：  -  =  + ( -  ) .  -  =  + ( -  ) . 3. 0 = 0 ; k0 = 0 ; (-1) =-  . 证明  + 0 = 1 + 0 = (1 + 0) = 1 =  . 所以 0 = 0 .  + (-1) = 1 + (-1) =[1 + (-1)] = 0 =0 , 所以 (-1) = - . k0 = k[ + (-1) ] = k + (-k) = [k + (-k)] = 0 = 0 . 证毕 所以 k0 = 0 .

证明 证毕 4. 如果 k =0，那么 k = 0 或者  = 0 . 假设 k  0，于是一方面 而另一方面 k -1( k ) =(k -1k) = 1 =  . 于是  = 0 . 证毕

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