向量空间

向量空间推广了允许对物理量(如力和速度)进行建模的欧几里得向量,这些物理量不仅有大小,还有方向。向量空间和矩阵的概念都是线性代数的基础,其中矩阵允许在向量空间中进行计算。这为操纵和研究线性方程组提供了一种简洁而综合的方法。

1. 定义

一个域$k$上的向量空间是一个集合$E$,其中的元素$x, y, ...$叫做向量,并且$E$还拥有以下代数结构

I. $E$是一个加法阿贝尔群;换句话说,$E$上装备了一个映射$$E\times E\rightarrow E, (x, y)\mapsto x + y $$

使得以下公理被满足:

(1) $(x+y)+z=x+(y+z)$ (结合律)

(2) $x + y = y + x$ (交换律)

(3) 存在一个向量$0$使得$x+0= 0+x=x$对每个$x\in E$。该向量被称为$E$的零向量

(4) 对每个向量$x$,存在一个向量$-x$,使得$x+(-x)=0$。

II. $E$同时还装备上了一个映射记作$$k\times E\rightarrow E, (\lambda, x)\mapsto \lambda x$$

并且满足以下公理:

(5) $(\lambda\mu)x=\lambda(\mu x)$ (结合律)

(6) $(\lambda+\mu)x=\lambda x+\mu x$

$\lambda (x+ y)=\lambda x+\lambda y$ (分配律)

(7) $1 \cdot x = x$ ($1$是$k$的单位元素)

域$k$是向量空间$E$的系数域,并且$k$中的元素叫做标量。因此,映射$k\times E\rightarrow E$定义了一个标量对向量的乘法,并因此它叫做标量乘法

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大学数学颠覆惯性思维系列之向量可以没有方向。线性代数有个东西就做向量空间,向量空间有两种封闭的运算(加法和数乘)。只要是向量空间里面的元素都叫做向量vector,我管你有没有方向direction。只要一个集合里的元素满足下图的那些公理,它都能叫做向量。我们高中所学的向量严格来讲叫做欧几里得向量(Euclidean vector)或者几何向量,它被定义为既有大小(magnitude)又有方向(direction)的一个有向线段,又或者说跟高深一点它是一个等价类(equivalence class)。总之高中所学的向量是十分狭义意义上的向量,并不是一般意义上的。为了方便理解,我举一个最trivial的例子。比如$\mathbb{R}$是$\mathbb{R}$上的向量空间,于是$\mathbb{R}$里的元素就被称为向量,显然$\mathbb{R}$里的元素就是我们之前所熟知的标量,但是它同时可以是一个向量。因此,数学里一样东西是不是向量跟它有没有方向并没有什么必然关系,标量同样可以是向量。PS:话说高中时期的标量定义也很狭义,在一般意义上,标量就是向量空间的系数域里的元素。但这也不影响我上面的结论:向量跟方向没啥关系,标量可以是向量。——————————————————————本文原于2020年8月8日 01:02发布于QQ空间评论:标量跟向量在高中也不矛盾吧……回复:谁说不矛盾的,标量是没有方向的,向量是有向线段。评论:标量在高中阶段大多数时候是跟矢量对标的,是物理意义上啊,高三开始数学里标量几乎就不见了回复:这是你片面的见解,证明你连高中数学都没搞清楚。物理的那个矢量就是在运用数学的那个几何向量,它的英文都是vector,只不过是中文不一样罢了。而标量scalar,就是指只有大小的量,但这已经过时了。
2024-10-10 11:04:48