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双线性函数和正交空间
辽 东 学 院 教 案 纸
课程:高等代数 第10.1. PAGE 7页
第十章 双线性函数与正交空间、辛空间
引言
本章从线性函数入手,开拓上一章的度量性考察,阐述一般数域上向量空间的度量性方法,在阐述双线性函数的一般概念之后,介绍颇有应用价值的正交空间、辛空间的一些基本结论.
§1 对偶空间
教学目的 通过2学时讲授,使学生理解线性函数、对偶空间的概念,基本掌握对偶基的概念及其求解.
教学内容
本节从向量空间一类特殊的线性映射—线性函数入手,阐述对偶空间的概念.
1.1 线性函数
设V是数域F上的一个向量空间.
定义1 设f∈Hom(V,F),即??,?∈V,?k∈F,都有
f (α+β)=f (α)+f(β),f (kα)=kf(α),
则称f为V上的一个线性函数,也称为余向量(covectors).
由于f∈Hom(V,F),因而第七章§1-§3中关于线性映射的基本结果对于线性函数也成立.
线性函数是十分重要的函数类,在数学的各个分支和许多实际问题中都将遇到它.下面举几个例子.
例1 定积分使每一个连续函数f(x)对应一个实数,并
且满足
.
所以定积分是C[a,b]上的一个线性函数.
例2 矩阵的迹把数域F上每一个n阶矩阵A=(aij)nn对应F中的一个元素,并且有
Tr(A+B)= TrA+ TrB,Tr(kA)=kTrA .
所以矩阵的迹是Mn(F)上的一个线性函数.
例3 在数域F上的一元多项式环F[x]中,未定元x用F中的一个元素t代入,它把每一个多项式f(x)对应F中的元素f(t).由于未定元x用t代入保持加法与乘法(从而也保持纯量乘法),所以x用t(t∈F)代入是向量空间F[x]上的一个线性函数.
例4 给定F中的n个元素a1,a2,…,an,?()∈Fn,规定
, (1)
容易验证f 保持加法与纯量乘法两种运算.因此形如(1)的函数f 是Fn上的一个线性函数.
请注意,在数学分析中,把形如 的n元函数g叫做线性函数.若b≠0,则g不保持加法运算,也不保持纯量乘法运算,从而g不是定义1意义上的线性函数.所以,“线性函数”这一术语在分析和代数里有不同的含义.代数课程中讲的线性函数是分析课程中的齐次线性函数.
我们来讨论有限维向量空间V上的线性函数f 的表达式.
设V是数域F上的n维向量空间,f是V上的一个线性函数.在V中取一个基.由于f可以看成是向量空间V到向量空间F的一个线性映射,因此f 完全被它在V的一个基上的作用所决定.即只要知道,就可以知道V中任一向量在f 作用下的象
. (2)
(2)就是线性函数f 在基α1,…,αn下的表达式.它表明,f在β上的函数值f(β)是β的坐标x1,…,xn的一次齐次多项式.
进而考虑数域F上n维向量空间V上的线性函数的构造,由命题7.1.2易见
定理10.1.1 设V是F上一个n维向量空间,α1,α2,…,αn是V的一个基,a1,a2,…,an是F中任意取定的n个数,则存在V上唯一确定的线性函数f ,使得
f (αi)=ai, i=1,2,…,n. (3) ?
因此,∈V,则β在f下的象为.
1.2 对偶空间
设V是F上的一个向量空间,Hom(V,F)是V的所有线性函数组成的集合,我们来讨论Hom(V,F)的结构,以及它与V的关系.从第七章§2知道,Hom(V,F)也是F上的一个向量空间,称它是V上的线性函数空间,也记作T1(V).
以下设V是n维向量空间.注意到F看成自身上的向量空间是1维的,因而有
dimHom(V,F)=dimFn?1=n.
这表明Hom(V,F)与V的维数相同,故它们同构,即Hom(V,F)≌V.
在V中取一个基α1,α2,…,αn,我们来找Hom(V,F)的一个基.由于Hom(V,F)是n维的,因此只要找出V上的n个线性函数,并且它们线性无关就可以了.
由定理10.1.1,给定F中n个元素1,0,…,0,则存在V上唯一的线性函数f1,使得f1(α1)=1,f1(α2)= …=f1(αn)=0;给定F中n个元素0,1,0,…,0,则存在V上唯一的线性函数f2,使得f2(α2)=1,f2(αj)=0,j≠2;……;给定F中n个元素0,…,0,1,则存在V上唯一的线性函数fn,使得fn(αn)=1,fn(αj)=0,j≠n.
这样我们找到了V上的n个线性函数f1,f2,…,fn,其中fi(1≤i≤n)在基向量上的函数值为
fi(αj)=δij, (4)
这里δij是Kronecker记号.
现在我们断言f1,f2,…,
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