A matematikában , pontosabban a lineáris algebrában , a vektortér egy objektumok halmaza, amelyeket vektoroknak nevezünk , és amelyeket összeadhatunk, és amelyeket meg lehet szorozni egy skalárral (nyújtáshoz vagy zsugorításhoz, megforduláshoz stb.). Más szavakkal, ez egy olyan struktúra , amely lineáris kombinációk végrehajtását teszi lehetővé . A skalárok általában valós számok vagy összetett számok , vagy bármilyen mezőből származnak .
Adott egy mező K , vektortérnek E felett K jelentése egy kommutatív csoport (amelynek joga jelöljük +) felruházva a „kompatibilis” akció a K (a meghatározás értelmében az alábbiakban).
Hadd K legyen kommutatív területen, mint a kommutatív területén ℚ a racionális , hogy ℝ, a valós számok , illetve, hogy ℂ, a komplexek (fogunk beszélni ezekben az esetekben a racionális, valós vagy komplex vektortér).
A K , vagy a K-vektor tér vektorterülete egy E halmaz , amelynek elemeit vektoroknak (vagy - ritkábban - pontoknak) nevezzük, és két törvény rendelkezik:
a következő tulajdonságok ellenőrzése.
1. ( E , +) egy abeli csoport , más szóval: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 |
Ezek axiómák jelenti azt, hogy az E nemüres és bármilyen vektor u a E és bármilyen skalár λ:
λ • u = 0 E | ⇔ | (λ = 0 K vagy u = 0 E ) | (–Λ) • u = - (λ • u ) = λ • (- u ) |
A vektorokat (az E elemei ) itt latin dőlt betűkkel írták, de néhány szerző félkövér betűkkel jegyzi meg őket, vagy nyíllal túllépi őket.
Íme néhány példa olyan vektorterekre, amelyeket többek között elemzésben vagy geometriában használnak:
A fenti definíció a K-n maradt vektorterek meghatározása . A vektor terek közvetlenül K vannak vektor terek maradt a test ellenkező a K . Ha a K mező kommutatív, akkor a bal és a jobb oldali vektorterek fogalmai egybeesnek, és ezután balra vagy jobbra (kívánt esetben) feljegyezhetjük a skalárral való szorzást.
A vektorterek elméletének azon fogalmai, amelyek a szokásos meghatározások mellett csak akkor érvényesek, ha a mező kommutatív, különösen a multilinearitáshoz ( determináns , nyom , tenzor szorzatok , külső algebra , algebra a kommutatív mező fölött ) vagy a polinomhoz kapcsolódnak. funkciókat . Még ha nem is használja ezeket a fogalmakat, különféle részletekre kell figyelnie, ha az alapmezőt nem feltételezzük kommutatívnak. Például dilatációk csak akkor léteznek ( lineáris térképként ), ha a skalárfaktor központi a mezőben, és a skalárszorzást a lineáris térképek ellentétes oldalára kell írni (tehát a jobb skalárral, ha a lineáris térképeket megjegyezzük érveik bal oldalán).
A vektortéren végzett két művelet lehetővé teszi lineáris kombinációk definiálását , vagyis az együtthatók (skalárok) által érintett vektorok véges összegét. A ( v i ) i ∈ I vektorok családjának lineáris kombinációja, amelynek együtthatói ( λ i ) i ∈ I , az ∑ i ∈ I λ i v i vektorok . Amikor az indexelési beállított I van végtelen , meg kell feltételezni, hogy a család ( λ i ) i ∈ I van véges támogatja , vagyis azt, hogy csak egy véges halmaza indexek i , amelyekre : X- i értéke nem nulla.
Altér vektor E egy része nem üres F az E stabil lineáris kombinációi. Az indukált törvényekkel felszerelve F ekkor vektortér. A vektoros altérek nem üres (véges vagy végtelen) családjának metszéspontja vektor altér, de az egyesülés , még a véges is , általában nem.
Az E vektorok ( v i ) i ∈ I családját szabadnak mondják ( K-n ), vagy ennek a családnak a vektorait lineárisan függetlennek mondják , ha a v i egyetlen , a nulla vektorral egyenlő kombinációja az , hogy amelynek az összes együtthatója nulla. Ellenkező esetben azt mondják, hogy a család összekapcsolódik, és a v i- t lineárisan függenek.
Az egyetlen vektorból álló család akkor és csak akkor szabad, ha ez a vektor nem nulla. Pár vektor csak akkor kapcsolódik egymáshoz, ha a két vektor kollineáris . Ha ( u , v ) egy lineárisan független vektorpár, akkor ( u , v ), ( u + v , v ) és ( u , u + v ) szintén nem kollináris vektorok, de az ( u , v , u + v ) mindig kapcsolódik.
A vektorok családjának ( v i ) i ∈ I által generált , Vect (( v i ) i ∈ I ) vektoraltere a legkisebb (a befogadás szempontjából) altér, amely tartalmazza a család összes vektorát. Ezzel egyenértékűen a v i vektorok lineáris kombinációinak halmaza . A család generál E-t , vagy egyben generátor is , ha az általa generált altér teljes egészében E.
A család B vektor E egy bázis a E , ha ez szabad és a generátor, vagy ami ezzel egyenértékű, ha vektor E egyedileg kifejezett lineáris kombinációja az elemek B . A létezése alapját bármilyen K , vektor tér E levezethető a hiányos alapján tétel .
Adott egy vektortér E egy mezőt K , az összes alapjait én ugyanolyan számosságú , az úgynevezett dimenzió E .
Két vektor terek K izomorf (azaz összekötve egy izomorfizmus ) akkor és csak akkor, ha azok azonos méretű.
Legyen E és F két vektortér ugyanazon K test felett . A térkép f re E és F azt mondják, hogy a lineáris , ha az adalékanyag és ingázik a szorzás a skalár: Más szóval, f megőrzi a lineáris kombinációkat .
Az E- től F- ig terjedő lineáris térképek halmazát gyakran L ( E , F ) jelöli . Ha K kommutatív, L ( E , F ) egy lineáris altér a tér funkcióinak E a F . A lineáris térképek bármely összetétele lineáris. A beállított L ( E , E ) a endomorfizmusok az E L jelöli ( E ). A vektorterek izomorfizmusa lineáris bijektív . Az automorfizmus egy bijektív endomorfizmus. A készlet automorfizmusaira E jelentése a lineáris csoport GL ( E ).
Bármely lineáris f térkép esetén , E- től F-ig ,
A grafikon az f egy vektor altér E × F , akinek keresztezi E × {0} Ker ( f ) × {0}.
A lineáris formában egy K , vektor tér E lineáris feltérképezése E a K . Ha K kommutatív, a lineáris formák E alkotnak K , vektor teret az úgynevezett duális tér az E és a jelölt E *. A magok nem nulla a lineáris formákat a E a hipersíkokat az E .
A összege F + G két vektor altér F és G , által meghatározott egybeesik a sub-vektortér kifeszített által F ⋃ G . Ez a konstrukció általánosítja a vektor alterek bármely (nem üres) családját.
A Grassmann képlet összeköti az F és G dimenziókat, mint az összegüket és metszéspontjukat:
A két altér F és G az E akkor mondjuk, hogy „ a közvetlen összege ”, amikor a bomlás bármilyen vektor összegük F + G egy összege két vektor, az egyik tartozó F és a másik, hogy a G , egyedülálló (ez ehhez elegendő, hogy 0 E bomlása egyedi legyen, azaz F ∩ G = {0 E }). Ez a definíció egy tetszőleges (nem üres) család ( F i ) i ∈ I alterek összegére általánosít . Ha ez az összeg a közvetlen, akkor a F i nulla kereszteződés kettesével, de ennek az ellenkezője igaz.
Az F + G összeget , ha közvetlen, F ⊕ G- vel jelöljük . Az F és G alterületeket E-ben további (egymásnak) nevezzük, ha közvetlen összegben vannak, sőt, ez az összeg egyenlő E-vel . A Hiányos alaptétel garantálja, hogy bármely vektor altérnek legyen legalább egy további.
Hagy egy család ( E i ) i ∈ I A K , vektor terek. Az ∏ i ∈ I E i derékszögű szorzat természetesen a K -vektor tér szerkezetéből , úgynevezett szorzat-vektor térből öröklődik .
A véges támogatottságú családok egy ∏ i ∈ I E i vektoralteret képeznek , amelyet az E i terek közvetlen összegének nevezünk és ⊕ i ∈ I E i-nek jelölünk .
Amikor az összes E i vannak egyenlő K , ezt a terméket, és ezt az összeget rendre jelöljük K I (a teret a funkciók I a K ) és K ( I ) (a szubtéri funkciók véges támogatást, amelynek mérete megegyezik a kardinalitása I ). Az I = N , mi így megépíteni a teret K N A szekvenciák K és a altér K ( N ) a szekvenciák véges támogatást.
Legyen F az E altérvektora . Az E / F hányados (vagyis az E ekvivalenciaosztályok halmaza az " u ~ v akkor és csak akkor, ha u - v tartozik F-hez ", felruházva az osztályban természetesen definiált műveletekkel) vektortér oly módon, hogy az E → E / F vetület (amely u egyenértékűségi osztályát társítja ) az F lineáris mag .
Minden altereinek további of F figyelembe E izomorfak az E / F . Ezek közös dimenziót, amikor elkészült, az úgynevezett codimension az F a E .
Legyen E egy vektortér, amelyet véges számú m elem generál .
A vektortér fogalma fogalmilag az affin geometriából származik , a koordináták bevezetésével a referenciakeretbe a síkban vagy a szokásos térben. 1636 körül Descartes és Fermat megadták az analitikai geometria alapjait azzal, hogy két ismeretlennel egyenlet felbontását társították a sík görbéjének grafikus meghatározásához .
A geometriai felbontás elérése érdekében a koordináták fogalma nélkül Bolzano 1804-ben bevezette a pontok, vonalak és síkok műveleteit, amelyek a vektorok előfutárai. Ez a munka találja visszhangot koncepciójának baricentrikus koordináták által Möbius 1827-ben Az alapító szakaszában a meghatározása vektorok meghatározása volt által Bellavitis a bipoint, amely orientált szegmens (egyik végén van egy eredete és a másik a cél. ). Az equipollence reláció, amely két bipont egyenértékűvé teszi a paralelogramma meghatározásakor, így kiegészíti a vektorok meghatározását.
A fogalom a vektort felvesszük a bemutatása komplex számok által Argand és Hamilton , majd, hogy a négyes az utóbbi által, mint az elemek a megfelelő térrészek ℝ 2 és ℝ 4 . A lineáris kombinációval történő kezelés megtalálható a lineáris egyenletrendszerekben , amelyeket Laguerre már 1867-ben meghatározott.
Cayley 1857-ben bevezette a mátrix jelölését , amely harmonizálta a jelöléseket és leegyszerűsítette a vektorterek közötti lineáris leképezések írását . Ezekkel a tárgyakkal végzett műveleteket is felvázolta.
Körülbelül ugyanebben az időben Grassmann folytatta a Möbius által kezdeményezett baricentrikus számítást, absztrakt objektumok halmazának figyelembevételével, amelyek műveletekkel voltak felszerelve. Munkája túllépett a vektorterek keretein, mert a szorzás meghatározásával is az algebra fogalmához kötött . Mindazonáltal ott találjuk a dimenzió és a lineáris függetlenség fogalmát, valamint az 1844-ben megjelent skaláris szorzatot . E felfedezések elsőbbségét Cauchy vitatja, amikor a Sur les clefs algebrique megjelent a Comptes Rendus-ban .
Peano , jelentős hozzájárulás volt a szigorú axiomatizálás, a meglévő fogalmak - ideértve a hagyományos halmazok felépítését is - az elsők között adták meg a vektortér fogalmának korabeli definícióját a XIX . Század végén.
Fontos ezen elképzelés annak köszönhető, hogy az építési terek funkciók által Lebesgue , építkezés hivatalos során XX th században Hilbert és Banach , a doktori értekezését 1920-ban.
Ebben az időben éreztette hatását a kialakulóban lévő funkcionális elemzés és az algebra közötti kölcsönhatás , különösen olyan kulcsfogalmak bevezetésével, mint a p- integrálható függvények terei vagy akár a Hilbert-terek . Ekkor jelentek meg az első vizsgálatok a végtelen dimenziós vektorterekről.
A vektorterek meghatározása nélkül a síkgeometriának egy lehetséges megközelítése egy affin sík, Desargues P vizsgálatán alapul . Pontokból és vonalakból áll, incidenciának nevezett tagsági relációval, amelyek tulajdonságai értelmet adnak a pontok igazodásának és a vonalak párhuzamosságának. Egy hívás homothety-fordítását bármely átalakítása P megőrzése igazítás és a küldő bármely egyenes vonal párhuzamos vonal. Az identitáson kívül (amelyet mind homotétának, mind fordításnak tekintenek) egy ilyen transzformáció legfeljebb egy pontot rögzít; akkor hívjuk homotetikának, ha rögzít egy O pontot, amely ekkor a középpontja; fordításnak hívják egyébként. A rögzített középpontú homotetikák O halmaza az összetétel törvényéhez abeli csoportot alkot, függetlenül a közeli O izomorfizmustól , amelyet K * -nak jelölnek . Lehetséges 0 elem hozzáadása egy K test kialakításához , az összeadási törvényt P- ből határozzuk tovább . Bármely nem nulla skalár megfelel az O középpontú egyedi homotetikának, és azt mondjuk, hogy ez az aránya. A P fordításainak halmaza K- vektor teret alkot , törvényei a következők:
A nulla vektor az azonosság. A t transzlációval ábrázolt vektor ellentéte a t −1 által definiált vektor .
Mindez általánosítja a affin incidencia (vagy szintetikus) dimenziók (véges vagy végtelen) területeit, amelyek nagyobbak vagy egyenlőek 3-mal (ezek Desargues-ból származnak). De ebben az esetben, ha a vonalak elemeinek száma egyenlő 2-vel, a vonalak közötti párhuzamosság viszonyát bele kell foglalni az affin terek meghatározásába. Tehát van egy „mögöttes” vektortér minden affin Desargues síkhoz és minden affin incidencia térhez.
Ezek a megfontolások lehetővé teszik a kapcsolat felépítését a lineáris algebrán alapuló modern geometria-megközelítés és az axiomatikus megközelítés között.
(hu) John J. O'Connor és Edmund F. Robertson , „absztrakt lineáris terek” , a MacTutor History of Mathematics archiválni , University of St Andrews ( olvasható online ).