Рассмотрим критерии прямой суммы подпространств некоторого линейного пространства.
Критерий 1. Пусть дано некоторое линейное пространство (X,P) и подпространства L1,L2,…,Lk⊂X. Тогда для того, чтобы сумма подпространств L=L1+L2+⋯+Lk являлась прямой, необходимо и достаточно, чтобы объединение базисов слагаемых-подпространств составляло базис суммы L.
Необходимость. Пусть сумма L — прямая. Тогда нужно доказать, что объединение базисов подпространств есть базис суммы. Выпишем базисы подпространств Li,i=¯1,k: E1=⟨e11,e12,…,e1m1⟩, E2=⟨e21,e22,…,e2m2⟩, …, Ek=⟨ek1,ek2,…,ekmk⟩. Теперь построим объединенную систему из данных базисов. В итоге получим: E=⟨e11,e12,…,e1m1,e21,e22,…,e2m2,…,ek1,ek2,…,ekmk⟩.
Для того, чтобы система E являлась базисом суммы L, она должна удовлетворять определению базиса. То есть, любой вектор из L должен выражаться через данную систему, и она должна быль линейно независимой. Первое условие соблюдается. Действительно, по определению прямой суммы: ∀x∈L:x=x1+x2+⋯+xk,
Остается доказать линейную независимость. Выпишем линейную комбинацию векторов системы E и приравняем ее к нулю:α11e11+α12e12+⋯+α1m1e1m1+⋯+α21e21+α22e22+⋯++α2m2e2m2+⋯+αk1ek1+αk2ek2+⋯+αkmkekmk=0.
Таким образом, система E линейно независима, и каждый вектор суммы L выражается через данную систему. Необходимость доказана.
Достаточность. Теперь пусть объединение базисов Li,i=¯1,k (оно же является системой E) есть базис суммы L. Требуется доказать, что L — прямая сумма. Значит, нужно показать, что представление любого вектора этой суммы единственно. Запишем представление некоторого вектора x∈L в базисе суммы: x=β11e11+β12e12+⋯+β1m1e1m1+⋯++βk1ek1+βk2ek2+⋯+βkmkekmk.
Критерий 2. Пусть дано линейное пространство (X,P) и подпространства L1,L2,…,Lk⊂X. Сумма данных подпространств L будет прямой тогда и только тогда, когда пересечение любого подпространства с суммой остальных содержит только нулевой вектор.
Необходимость. Требуется доказать, что при L=L1⊕L2⊕⋯⊕Lk пересечение любого подпространства с суммой остальных нулевое. Предположим, что ∃Li:Li∩k∑j=1j≠iLj≠{0}.
- x=k векторов⏞0+0+⋯+0+x+0+⋯+0, так как x∈Li;
- x=∑kj=1j≠ixj, так как вектор принадлежит ∑kj=1j≠iLj и, следовательно, может быть представлен как вектор суммы L: x=x1+x2+⋯+xi−1+0+xi+1+⋯+xk.
Таким образом, вектор прямой суммы L не имеет единственного представления, что противоречит определению прямой суммы. Значит, наше предположение неверно, и ∀Li:Li∩∑kj=1j≠iLj={0}.
Достаточность. Теперь докажем, что если ∀Li:Li∩k∑j=1j≠iLj={0},
Теперь рассмотрим следствия из критериев прямой суммы, а также приведём их доказательства, хоть они и небольшие.
Сумма двух подпространств будет прямой тогда и только тогда, когда их пересечение содержит только нулевой вектор.
Данное утверждение является частным случаем критерия 2 прямой суммы при k=2.
Размерность прямой суммы двух подпространств есть сумма размерностей данных подпространств.
По формуле Грассмана: dimL=dimL1+dimL2−dim(L1∩L2),
Примеры
Теперь рассмотрим несколько примеров применения критериев прямой суммы.
- Пусть дано линейное пространство, заданное в виде линейной оболочки L=L⟨a1,a2,a3,a4⟩, где a1=(1,1,0,0), a2=(0,5,0,3), a3=(0,0,2,0), a4=(−1,7,1,0). Разложить данное пространство в прямую сумму двух подпространств.
Решение
Для начала, проверим, является ли указанная система линейно независимой. Построим систему линейных комбинаций из векторов данной системы:{x1+x2+0x3+0x4=00x1+5x2+0x3+3x4=00x1+0x2+2x3+0x4=0−x1+7x2+x3+0x4=0
Воспользуемся методом Гаусса:(110005030020−1710)∼(1100050300200810)∼(110005030020001−245)∼∼(110005030020000−245).
Как видим, ни один из векторов не выражается через остальные. Значит, система линейно независима и является базисом пространства L. Тогда данное пространство можно разложить в прямую сумму подпространств, разбив его базис, к примеру, на две такие подсистемы: ⟨a1,a2⟩,⟨a3,a4⟩. Тогда разложение будет иметь вид: L=L1⊕L2, где L1=L⟨a1,a2⟩,L2=L⟨a3,a4⟩. - Даны подпространства L1=L⟨(1,1,3)⟩, L2=L⟨(0,1,2),(3,5,9)⟩. Проверить сумму подпространств L1 и L2 на прямоту.
Решение
И первая, и вторая исходные системы являются линейно независимыми, ведь в них нет векторов, что выражаются через другие векторы этой системы. Значит системы являются базисами подпространств, построенных на соответствующих линейных оболочках. Объединим эти базисы в единую систему векторов:E=⟨(1,1,3),(0,1,2),(3,5,9)⟩.
Воспользуемся методом Гаусса:(113012359)∼(113012020)∼(11301200−4).Получили, что система E — линейно независима. Значит, объединение базисов исходных подпространств является базисом суммы подпространств L: L=L1⊕L2. - Пусть даны подпространства L1=L⟨a1,a2,a3⟩, L2=L⟨b1,b2⟩, L3=L⟨c1,c2,c3⟩. Проверить сумму данных подпространств на прямоту, если:a1=(0011),a2=(1111),a3=(1100);b1=(1−120),b2=(00−11);c1=(0111),c2=(1121),c3=(1010).
Решение
Для удобства системы пронумеруем от 1 до 3 в соответствии с номерами подпространств.Указанные системы можно переписать в следующем виде: ⟨(0,0,1,1),(1,1,1,1),(1,1,0,0)⟩,⟨(1,−1,2,0),(0,0,−1,1)⟩,⟨(0,1,1,1),(1,1,2,1),(1,0,1,0)⟩. Проверку линейной независимости можно сделать и без применения метода Гаусса. Действительно, в первой системе a1+a3=(0,0,1,1)+(1,1,0,0)=(1,1,1,1)=a2, в третьей: c1+c3=(0,1,1,1)+(1,0,1,0)=(1,1,2,1)=c2. Значит векторы a2 и c2 линейно выражаются через остальные. Вторая система, как можно видеть, уже является линейно независимой и, следовательно, базисом подпространства L3. Тогда, если откинуть линейно зависимые векторы в системах 1 и 3, то получим базисы уже всех трех подпространств:L1=L⟨a1,a3⟩,
L2=L⟨b1,b2⟩,L3=L⟨c1,c3⟩.Теперь объединим данные базисы в единую систему векторов: E=⟨a1,a3,b1,b2,c1,c3⟩.Теперь только осталось понять, является ли сумма исходных подпространств прямой. Проверим систему E на линейную независимость с помощью метода Гаусса:(001111001−12000−1101111010).Переставим строки в матрице для более удобных элементарных преобразований:(11001−12010100111001100−11)∼(11000−2200−1100111001100−11).Строки 2 и 3 пропорциональны, поэтому можно исключить, к примеру, вторую строку. Дальнейшие преобразования не имеют смысла в данной задаче: объединение базисов исходных подпространств не является базисом суммы, потому что объединенная система содержит, по крайней мере, один линейно зависимый вектор. Значит, сумма L=L1+L2+L3 не будет прямой в соответствии с первым критерием суммы. Задача решена.
Критерии прямой суммы
Тест на закрепление материала «Критерии прямой суммы».
Смотрите также:
- Белозеров Г.С. Конспект лекций по линейной алгебре.
- Федорчук В.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. — М.: изд. Московского ун-та. — 1990. — 328 с. — С. 200-201.
- Фаддеев Д.К. Лекции по алгебре. — М.: Наука. — 1984. — 416 с. — С. 309-310.
- Шафаревич И.Р., Ремизов А.О. Линейная алгебра и геометрия. — М.: ФИЗМАТЛИТ. — 2009. — 512 с. — С. 95-97.
- А. И. Мальцев. Основы линейной алгебры. — 3-е изд., испр. и доп : монография. — М. : Наука, 1970. — 400 с. — С. 104-105.