第六章 向量空间
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宁波工程学院理学院《高等代数》课程组制作
§6.1 向量空间的定义和例子
1. 引例―――定义产生的背景. 2. 向量空间的定义――――抽象出的数学本质. 3. 进一步的例子―――加深对定义的理解. 4. 一些简单性质.
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1. 引例―――定义产生的背景
源自文库
例1 设 F 是一个数域，F mn 表示上m×n矩阵的集合， 回忆一下 F mn 上所能够施行的运算（教材P182）：只有 加法和数乘两种，并且满足(教材P183)：
空间，R是否为C上的向量空间？
注2：这个例子说明向量空间与F有关.
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例7 设数域取R, 集合为R+(实数)，加法和数乘定义为：
a b ab, k oa ak , a,b R, k R 证明 R 关于给定的运算构成R上的向量空间. 证明：……
(c1) f(x)+g(x) F[x], 任给f(x),g(x) F[x]. (c2) af(x) F[x]，任给 aF，f(x)F[x]. (a1) f(x)+g(x)= g(x) + f (x), 任给f(x),g(x) F[x].
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(a2) [f(x)+g(x)]+h(x)= f(x)+ [g(x) +h(x) ],
注3：运算可以是通常的，可以重新定义的. 如何理解 运算？…… 注4：取数乘为通常的乘法如何？……，向量空间与运算 有关. 注5：证明向量空间需要10条性质，其中：8条是验证，2 条需要解方程求出零向量与负向量.
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例8 在 R2 上定义加法和数乘：
(a,b) (c, d) (a c,b d ac) k o(a,b) (ka, kb k(k 1) a2 )
数学研究理想结构（突出应用于实际问题），并在这 种研究中去发现各种结构之间的未知关系。 ---皮尔斯(S. Peirce,1838－1914)
不懂几何者勿入内 (指:柏拉图学园) ---柏拉图(Plato，约公元前427年－前347年)
不懂向量空间者无法进入数学圣殿的大门 ---匿名者
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I. 涉及两个集合（其中一个集合……）. II. 涉及两种运算（什么样的运算？）. III. 满足8条运算性质.
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2. 向量空间的定义－抽象出的数学本质
定义1 设F是一个数域，V是一个非空集合.我们把V中的 元素称为向量，V称为向量空间，如果下列条件成立：
闭合性： (c1) V上有(闭合的)加法运算，即：对任意u,v属于V, 一定有u+v属于 V. (c2) F上的数对V上的向量有 (闭合的)数乘运算，即：对任意F中数 和V中元素v, 一定有： v属于V. 加法的性质： (a1) u+v= v +u，对所有u和v属于V. (a2) u+(v+w)= (u+v)+w, 对所有u、v和w属于V. (a3) V中存在一个向量，记作o, 它满足：v+o= v 对所有V中的v. (a4) 给定V中每一个向量v, V中存在一个向量u满足：
1. A+B=B+A 2. (A+B)+C= A+( B+C) 3. O＋A=A 4. A+(-A)=O
5. a(A+B)= aA+Ab 6. (a+b)B=a B +Bb 7. (ab)A=a(b)A 还有一个显而易见的： 8. 1A＝A
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例2 设R是实数域，V3表示空间向量的集合.两个向量可 以作加法（平行四边形法则），可以用R中的一个数乘一个 向量，加法和数乘满足同样的8条性质. 按照解析几何的 方法，向量可以用的坐标（x,y,z）来表达，加法和数乘都 有表达式，…… 类似的问题许多，……，有必要总结它们的共性：
(m4) 1 f(x)= f(x).
注1：刚开始，步骤要完整.
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例5 C[a,b]表示区间[a,b]上连续实函数按照通常的加法 与数乘构成实数域R的向量空间，称为函数空间. 证明： 比照例3，给出完整步骤. 例6 （1）数域F是F上的向量空间. （2）R是Q上的向量
u+v= 0. 这样的u称为v的负向量.
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乘法的性质：
(m1) (ab)V a(bV )，a，b F.
(m2) a(U V ) aU aV. (m3) （a b)U aU bU.
(m4) 1u= u 对所有u属于V.
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任给f(x),g(x),h(x) F[x].
(a3) 0向量就是零多项式. (a4) f(x)的负向量为（- f(x)）. (m1) (ab) f(x)= a(bf(x)).
(m2) a[f(x)+g(x)]= af(x)+ ag(x). (m3) (a b) f(x)= af(x)+ b f(x).
向量空间（Vector Spaces）又称线性空间（Linear Spaces）.本章的特点及要求：
➢ 向量空间是线性代数的最基本的、最重要的概念之一， 是进一步学习数学必备的内容.
➢ 向量空间产生有着丰富的数学背景，又在许多领域（包 括数学本身）中有着广泛的应用，例如：线性非常组解 的结构.
➢ 向量空间是我们遇到的第一抽象的代数系统. 所谓代数 系统，就是带有运算的集合.通过本章的学习，初步熟悉 用公理系统处理代数问题的思维方法、逻辑推理的方法.
3. 进一步的例子――加深定义的理解
例3 按照定义1，F mn 是数域F上的向量空间，称为矩阵
空间.
（1） F1n , F n1 统称为ｎ元向量空间，统一用符号 F n表示.
（2） Rn是解析几何的坐标平面、坐标空间的推广它是常
用的一类. ……
例4 数域F上一元多项式集合F[x]按照通常的加法与数乘 构成F上的向量空间，称为多项式空间. 证明：根据多项式加法和数乘的定义，
§6.1 向量空间的定义和例子
1. 引例―――定义产生的背景. 2. 向量空间的定义――――抽象出的数学本质. 3. 进一步的例子―――加深对定义的理解. 4. 一些简单性质.
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1. 引例―――定义产生的背景
源自文库
例1 设 F 是一个数域，F mn 表示上m×n矩阵的集合， 回忆一下 F mn 上所能够施行的运算（教材P182）：只有 加法和数乘两种，并且满足(教材P183)：
空间，R是否为C上的向量空间？
注2：这个例子说明向量空间与F有关.
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例7 设数域取R, 集合为R+(实数)，加法和数乘定义为：
a b ab, k oa ak , a,b R, k R 证明 R 关于给定的运算构成R上的向量空间. 证明：……
(c1) f(x)+g(x) F[x], 任给f(x),g(x) F[x]. (c2) af(x) F[x]，任给 aF，f(x)F[x]. (a1) f(x)+g(x)= g(x) + f (x), 任给f(x),g(x) F[x].
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(a2) [f(x)+g(x)]+h(x)= f(x)+ [g(x) +h(x) ],
注3：运算可以是通常的，可以重新定义的. 如何理解 运算？…… 注4：取数乘为通常的乘法如何？……，向量空间与运算 有关. 注5：证明向量空间需要10条性质，其中：8条是验证，2 条需要解方程求出零向量与负向量.
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例8 在 R2 上定义加法和数乘：
(a,b) (c, d) (a c,b d ac) k o(a,b) (ka, kb k(k 1) a2 )
数学研究理想结构（突出应用于实际问题），并在这 种研究中去发现各种结构之间的未知关系。 ---皮尔斯(S. Peirce,1838－1914)
不懂几何者勿入内 (指:柏拉图学园) ---柏拉图(Plato，约公元前427年－前347年)
不懂向量空间者无法进入数学圣殿的大门 ---匿名者
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I. 涉及两个集合（其中一个集合……）. II. 涉及两种运算（什么样的运算？）. III. 满足8条运算性质.
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2. 向量空间的定义－抽象出的数学本质
定义1 设F是一个数域，V是一个非空集合.我们把V中的 元素称为向量，V称为向量空间，如果下列条件成立：
闭合性： (c1) V上有(闭合的)加法运算，即：对任意u,v属于V, 一定有u+v属于 V. (c2) F上的数对V上的向量有 (闭合的)数乘运算，即：对任意F中数 和V中元素v, 一定有： v属于V. 加法的性质： (a1) u+v= v +u，对所有u和v属于V. (a2) u+(v+w)= (u+v)+w, 对所有u、v和w属于V. (a3) V中存在一个向量，记作o, 它满足：v+o= v 对所有V中的v. (a4) 给定V中每一个向量v, V中存在一个向量u满足：
1. A+B=B+A 2. (A+B)+C= A+( B+C) 3. O＋A=A 4. A+(-A)=O
5. a(A+B)= aA+Ab 6. (a+b)B=a B +Bb 7. (ab)A=a(b)A 还有一个显而易见的： 8. 1A＝A
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例2 设R是实数域，V3表示空间向量的集合.两个向量可 以作加法（平行四边形法则），可以用R中的一个数乘一个 向量，加法和数乘满足同样的8条性质. 按照解析几何的 方法，向量可以用的坐标（x,y,z）来表达，加法和数乘都 有表达式，…… 类似的问题许多，……，有必要总结它们的共性：
(m4) 1 f(x)= f(x).
注1：刚开始，步骤要完整.
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例5 C[a,b]表示区间[a,b]上连续实函数按照通常的加法 与数乘构成实数域R的向量空间，称为函数空间. 证明： 比照例3，给出完整步骤. 例6 （1）数域F是F上的向量空间. （2）R是Q上的向量
u+v= 0. 这样的u称为v的负向量.
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乘法的性质：
(m1) (ab)V a(bV )，a，b F.
(m2) a(U V ) aU aV. (m3) （a b)U aU bU.
(m4) 1u= u 对所有u属于V.
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任给f(x),g(x),h(x) F[x].
(a3) 0向量就是零多项式. (a4) f(x)的负向量为（- f(x)）. (m1) (ab) f(x)= a(bf(x)).
(m2) a[f(x)+g(x)]= af(x)+ ag(x). (m3) (a b) f(x)= af(x)+ b f(x).
向量空间（Vector Spaces）又称线性空间（Linear Spaces）.本章的特点及要求：
➢ 向量空间是线性代数的最基本的、最重要的概念之一， 是进一步学习数学必备的内容.
➢ 向量空间产生有着丰富的数学背景，又在许多领域（包 括数学本身）中有着广泛的应用，例如：线性非常组解 的结构.
➢ 向量空间是我们遇到的第一抽象的代数系统. 所谓代数 系统，就是带有运算的集合.通过本章的学习，初步熟悉 用公理系统处理代数问题的思维方法、逻辑推理的方法.
3. 进一步的例子――加深定义的理解
例3 按照定义1，F mn 是数域F上的向量空间，称为矩阵
空间.
（1） F1n , F n1 统称为ｎ元向量空间，统一用符号 F n表示.
（2） Rn是解析几何的坐标平面、坐标空间的推广它是常
用的一类. ……
例4 数域F上一元多项式集合F[x]按照通常的加法与数乘 构成F上的向量空间，称为多项式空间. 证明：根据多项式加法和数乘的定义，