I matematikk , nærmere bestemt i lineær algebra , er et vektorrom et sett med objekter, kalt vektorer , som vi kan legge sammen, og som vi kan multiplisere med en skalar (for å strekke eller krympe dem, snu osv.). Med andre ord er det et sett utstyrt med en struktur som gjør det mulig å utføre lineære kombinasjoner . Skalarer er vanligvis reelle tall eller komplekse tall , eller hentet fra hvilket som helst felt .
Gitt et felt K , er et vektorrom E over K en kommutativ gruppe (hvis lov er betegnet +) utstyrt med en "kompatibel" handling av K (i betydningen av definisjonen nedenfor).
La K være et kommutativt felt, som kommutativt felt ℚ av rasjonelle , det, ℝ, av realer eller det, ℂ, av komplekser (vi vil snakke i disse tilfellene om rasjonelt, reelt eller komplekst vektorrom).
Et vektorrom på K , eller K-vektorrom , er et sett E , hvis elementer kalles vektorer (eller - sjeldnere - punkter) utstyrt med to lover:
slik at følgende egenskaper blir verifisert.
1. ( E , +) er en abelsk gruppe , med andre ord:u + v | = | v + u | u + ( v + w ) | = | ( u + v ) + w |
0 E + v | = | v | u + (- u ) | = | 0 E |
λ • ( u + v ) | = | (λ • u ) + (λ • v ) | (λ + µ) • u | = | (λ • u ) + (µ • u ) |
(λμ) • u | = | λ • (µ • u ) | 1 • u | = | u |
Disse aksiomene antyder at E ikke er lett og for enhver vektor u av E og hvilken som helst skalar λ:
λ • u = 0 E | ⇔ | (λ = 0 K eller u = 0 E ) | (–Λ) • u = - (λ • u ) = λ • (- u ) |
Vektorene (elementene i E ) ble her skrevet med latinske kursive bokstaver, men noen forfattere noterer dem med fete bokstaver, eller overgår dem med en pil.
Her er noen eksempler på vektorrom som brukes blant annet i analyse eller geometri:
Den ovennevnte definisjon er det av vektoren plasser igjen på K . De vektorrom rett på K er vektorrom igjen på det legeme motsatt til K . Hvis feltet K er kommutativ, sammenfaller begrepene vektorrom til venstre og høyre, og vi kan da notere til venstre eller til høyre (etter ønske) multiplikasjonen med en skalar.
Begrepene om teorien om vektorrom som er gyldige, med de vanlige definisjonene, bare når feltet er kommutativ, er spesielt de som er relatert til multilinearitet ( determinant , spor , tensorprodukter , ekstern algebra , algebra over et kommutativt felt ) eller til polynom funksjoner . Selv om man ikke bruker disse forestillingene, må man være oppmerksom på forskjellige detaljer når basisfeltet ikke antas å være kommutativt. For eksempel eksisterer utvidelser bare (som lineære kart ) hvis skalarfaktoren er sentral i feltet, og skalarmultiplikasjonen må skrives på motsatt side av lineære kart (så med skalaren til høyre hvis kartene er linjære til venstre for argumentene deres).
De to operasjonene på et vektorrom gjør det mulig å definere lineære kombinasjoner , det vil si de endelige summene av vektorer som er påvirket av koeffisienter (skalarer). Den lineære kombinasjonen av en familie ( v i ) i ∈ I av vektorer som har koeffisienter ( λ i ) i ∈ I er vektoren ∑ i ∈ I λ i v i . Når indekseringssettet I er uendelig , er det nødvendig å anta at familien ( λ i ) i ∈ I har en endelig støtte , dvs. det er bare et endelig sett med indekser i som λ i er ikke-null.
Et underområde av vektor E er en del som ikke er tom F av E stabile lineære kombinasjoner. Utstyrt med induserte lover, er F da et vektorrom. Den skjæringspunktet for en ikke-tom (endelig eller uendelig) familie av vektor underrom er en vektor underrom men forening , til og med begrenset , er ikke generelt.
En familie ( v i ) i ∈ I av vektorer av E sies å være fri (på K ) eller vektorene i denne familien sies å være lineært uavhengige , hvis den eneste lineære kombinasjonen av v i lik nullvektoren er at hvorav alle koeffisientene er null. Ellers er den familie sies å være knyttet sammen og v jeg er sagt å være lineært avhengige.
En familie som består av en enkelt vektor er gratis hvis og bare hvis denne vektoren ikke er null. Et par vektorer er koblet sammen hvis og bare hvis de to vektorene er kollinære . Hvis ( u , v ) er et par lineært uavhengige vektorer, er ( u , v ), ( u + v , v ) og ( u , u + v ) også par ikke-kollinære vektorer, men familien ( u , v , u + v ) er alltid koblet.
Vektorunderrommet generert av en familie ( v i ) i ∈ I av vektorer, betegnet Vect (( v i ) i ∈ I ), er det minste underområdet (i betydningen inkludering) som inneholder alle vektorene i denne familien. Tilsvarende er det settet med lineære kombinasjoner av vektorer v i . Familien genererer E , eller er også en generator , hvis underområdet den genererer, er E helt.
En familie B vektor E er en basis av E hvis det er ledig og generator eller, hva som er ekvivalent, hvis hvilken som helst vektor for E er unikt uttrykt som en lineær kombinasjon av elementene B . Eksistensen av et grunnlag for et hvilket som helst K -vektorrom E blir utledet fra den ufullstendige basisteoremet .
Gitt en vektor plass E over et felt K , alle grunnleggende jeg har samme kardinalitet , kalt dimensjon E .
To vektorrom på K er isomorfe (dvs. forbundet med en isomorfisme ) hvis og bare hvis de har samme dimensjon.
La E og F to vektorrom over samme legeme K . Et kart f fra E til F sies å være lineært hvis det er additivt og pendler til multiplikasjonen med skalarene: Med andre ord bevarer f lineære kombinasjoner .
Settet med lineære kart fra E til F er ofte betegnet med L ( E , F ). Hvis K er kommutativ, L ( E , F ) er en lineær underrom av den plass av funksjonene til E i F . Enhver sammensetning av lineære kart er lineær. Settet L ( E , E ) for endomorfismer av E er betegnet med L ( E ). En isomorfisme av vektorrom er en lineær bijektiv . En automorfisme er en bindende endomorfisme. Settet med automorfismer av E er den lineære gruppen GL ( E ).
For ethvert lineært kart f fra E til F ,
Den graf av f er en vektor underrom av E x F , hvis skjæringspunkt med E x {0} er Ker ( f ) x {0}.
En lineær form på en K -vector plass E er en lineær kartlegging av E i K . Hvis K er kommutativ, de lineære former på E danner en K -vector rom som kalles dobbelt plass av E og betegnet med E *. Kjerner av ikke-null-lineære former på E er hyperplanes av E .
Den sum F + G av to vektor underrom F og G , definert av faller sammen med sub-vektorrommet utspent av F ⋃ G . Denne konstruksjonen generaliserer til alle (ikke-tomme) familie av vektorunderområder.
Den formel Grassmann forbinder dimensjonene F og G som de av deres sum og deres skjæringspunkt:
De to underområdene F og G av E sies å være " i direkte sum " når nedbrytningen av en hvilken som helst vektor av deres sum F + G til en sum av to vektorer, den ene tilhører F og den andre til G , er unik (den er tilstrekkelig for dette at nedbrytningen av 0 E er unik, det vil si at F ∩ G = {0 E }). Denne definisjonen generaliserer til summen av en hvilken som helst (ikke-fri) familie ( F i ) i ∈ I av underområder. Hvis denne summen er direkte, har F i null skjæringspunkt to og to, men det omvendte er falsk.
En sum F + G , når det er direkte, er betegnet med F ⊕ G . Underrom F og G er kalt ytterligere (til hverandre) i E hvis de er i direkte sum, og dessuten er denne sum som er lik E . The Incomplete Base Theorem garanterer at ethvert vektorunderområde har minst ett tillegg.
La være en familie ( E i ) i ∈ I av K -vektorrom. Det kartesiske produktet ∏ i ∈ I E i arver naturlig fra en struktur av K- vektorområdet, kalt produktvektorrom .
Familiene med begrenset støtte danner et vektordelrom av ∏ i ∈ I E i , kalt den direkte summen av mellomrommene E i og betegnet med ⊕ i ∈ I E i .
Når alle E i er lik K , betegnes henholdsvis dette produktet og denne summen K I (funksjonsrommet fra I i K ) og K ( I ) (underområdet til funksjoner med begrenset støtte, hvis dimensjon er lik kardinaliteten til jeg ). For I = N konstruerer vi således rommet K N for sekvensene i K og underområdet K ( N ) for sekvensene med endelig støtte.
La F være et underrom vektor av E . Den kvotient plass E / F (det vil si et sett av ekvivalens klasser av E for relation " u ~ v hvis og bare hvis u - v tilhører F ", utstyrt med de operasjoner som er definert naturligvis på klasse) er en vektor plass slik at fremspringet E → E / F (som assosierer u dens ekvivalens klasse) er lineær kjerne F .
Alle underrom flere av F til E er isomorf med E / F . Deres felles dimensjon, når du er ferdig, kalles codimension av F til E .
La E være et vektorrom generert av et endelig antall m elementer.
Begrepet vektorrom er født konseptuelt fra affin geometri med innføring av koordinatene i en referanse til planet eller det vanlige rommet. Rundt 1636 ga Descartes og Fermat grunnlaget for analytisk geometri ved å knytte oppløsningen til en ligning med to ukjente til den grafiske bestemmelsen av en kurve på planet.
For å oppnå en geometrisk oppløsning uten å bruke begrepet koordinater, introduserte Bolzano i 1804 operasjoner på punkter, linjer og plan, som er forløperne til vektorene. Dette arbeidet finner et ekko i oppfatningen av barsentriske koordinater av Möbius i 1827. Grunnfasen av definisjonen av vektorer var definisjonen av bipunktet av Bellavitis , som er et orientert segment (den ene enden er et opphav og den andre et mål. ). Equipollence-forholdet, som gjør to bipoints ekvivalente når de bestemmer et parallellogram, fullfører dermed definisjonen av vektorene.
Begrepet vektor er tatt opp med presentasjonen av komplekse tall av Argand og Hamilton , deretter kvarternioner av sistnevnte, som elementer i de respektive rommene ℝ 2 og ℝ 4 . Behandlingen ved lineær kombinasjon finnes i systemene for lineære ligninger , definert av Laguerre allerede i 1867.
I 1857 introduserte Cayley matriksnotasjon , som harmoniserte notasjoner og forenklet skrivingen av lineære kartlegginger mellom vektorrom. Han skisserte også operasjonene på disse gjenstandene.
Omtrent samtidig gjenopptok Grassmann den barsentriske beregningen initiert av Möbius ved å vurdere sett med abstrakte objekter utstyrt med operasjoner. Hans arbeid gikk utover rammene av vektorrom fordi han, ved å definere multiplikasjon, endte opp med begrepet algebra . Likevel finner vi begrepene dimensjon og lineær uavhengighet , så vel som det skalære produktet som dukket opp i 1844. Forrangene til disse oppdagelsene er omstridt i Cauchy med publiseringen av Sur les clefs algebrique i Comptes Rendus .
Peano , et betydelig bidrag var streng aksiomatisering eksisterende konsepter - inkludert konstruksjon av konvensjonelle sett - var en av de første som ga en moderne definisjon av begrepet vektorrom på slutten av XIX - tallet.
En viktig utvikling av dette konseptet er på grunn av byggingen av områder funksjoner av Lebesgue , ble byggingen formalisert i løpet av XX th århundre av Hilbert og Banach , i sin doktoravhandling i 1920.
Det var på dette tidspunktet at interaksjonen mellom begynnende funksjonell analyse og algebra gjorde seg gjeldende, spesielt med innføring av nøkkelbegreper som rom for p- integrerbare funksjoner eller til og med Hilbert-rom . Det var på denne tiden at de første studiene på uendelige dimensjonale vektorrom dukket opp.
Uten å ha en definisjon av vektorrom, en mulig tilnærming til geometri er basert på studier av en affin plan Desargues P . Den består av punkter og linjer, med et medlemsforhold kalt forekomst, hvis egenskaper gir mening til justeringen av punktene og parallelliteten til linjene. Man kaller homote-oversettelse for enhver transformasjon av P som bevarer justeringen og sender hvilken som helst rett linje på en parallell linje. Bortsett fra identitet (betraktet som både homøthetisk og oversettelse), løser en slik transformasjon maksimalt ett punkt; den kalles homøthet hvis den fikser et punkt O, som da er dens sentrum; det kalles en oversettelse ellers. Settet med faste senterhomotetier O danner en abelsk gruppe til loven om sammensetning, uavhengig av O isomorfisme nær , betegnet K *. Det er mulig å legge til en 0-element for å danne et legeme K , blir tilsetn lov ytterligere definert fra P . Enhver skalar som ikke er null tilsvarer en unik homøthet med sentrum O, og vi sier at det er dens forhold. Settet med oversettelser av P danner et K- vektorrom, og dets lover er som følger:
Nullvektoren er identiteten. Det motsatte av en vektor representert av en oversettelse t er vektoren definert av t −1 .
Alt dette generaliserer til affine forekomst (eller syntetiske) rom med dimensjoner (endelig eller uendelig) større enn eller lik 3 (de er da fra Desargues). Men i dette tilfellet, hvis antall elementer i linjene er lik 2, må forholdet mellom parallellitet mellom linjer inkluderes i definisjonen av de affine rom. Så det er iboende et "underliggende" vektorrom til ethvert affinert Desargues-plan og ethvert affint innfallsområde.
Disse betraktningene gjør det mulig å lage koblingen mellom en moderne tilnærming til geometri basert på lineær algebra, og en aksiomatisk tilnærming.
(no) John J. O'Connor og Edmund F. Robertson , "Abstrakte lineære rom" , i MacTutor History of Mathematics archive , University of St. Andrews ( les online ).