Перейти до вмісту

Скінченновимірний простір

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Скінченнови́мірний про́стір — це векторний простір, у якому є скінченний базис — породжувальна (повна) лінійно незалежна система векторів. Іншими словами, в такому просторі існує скінченна лінійно незалежна система векторів, лінійною комбінацією яких можна подати будь-який вектор даного простору.

Базис — це (одночасно) і мінімальна породжувальна (повна) система, і максимальна лінійно незалежна система векторів. Всі базиси містять однакову кількість елементів, яку називають розмірністю векторного простору.

Скінченновимірний простір, у якому введено скалярний добуток його елементів, називають евклідовим. Скінченновимірний простір, у якому введено норму його елементів, називають скінченновимірним нормованим. Наявність скалярного добутку або норми породжує в скінченновимірному просторі метрику.

Властивості скінченновимірних просторів

[ред. | ред. код]

Кожен елемент скінченновимірного простору можна подати єдиним чином у вигляді

де  — поле (часто або ), над яким розглядається простір ,  — елементи базису. Це випливає з визначення базису.

Також будь-який базис в евклідовому просторі можна зробити ортонормованим за допомогою ортогоналізації Шмідта.

  • Всі базиси скінченновимірного простору складаються з однакової кількості елементів. Ця властивість дає коректність визначення розмірності простору.
  • Нехай  — скінченновимірний простір і  — лінійно-незалежна система елементів. Тоді цю систему завжди можна доповнити до базиса.
  • Всі скінченновимірні простори однакової розмірності ізоморфні один одному.
  • В будь-якому скінченновимірному просторі над полем можна ввести скалярний добуток. Наприклад, у просторі із фіксованим базисом, розмірності , можна ввести скалярний добуток за правилом:

    , де  — компоненти векторів і відповідно.

    Із цієї властивості випливає, що в скінченновимірному просторі над полем можна ввести норму і метрику. Як наслідок, можна отримати що:
    •  — рефлексивний простір[1].
    • Простір , спряжений до деякого скінченновимірного простору , скінченновимірний і його розмірність збігається з розмірністю .
    • Для будь-якого підпростору скінченновимірного простору існує підпростір [2] такий, що і розкладається в пряму суму і , .
  • В евклідовому просторі кожна слабко збіжна послідовність збігається сильно.
  • Всі норми у скінченновимірному просторі над полем еквівалентні. Збіжність у евклідовому просторі еквівалентна покоординатній збіжності.
  • Кожен лінійний неперервний оператор у скінченновимірному просторі можна подати у вигляді матриці.
  • Простір над полем є скінченновимірним тоді й лише тоді, коли одиничний оператор є цілком неперервним.
  • Простір є скінченновимірним тоді й лише тоді, коли знайдеться оборотний цілком неперервний оператор, що діє над .
  • Простір є скінченновимірним тоді й лише тоді, коли одинична куля в передкомпактна. Цю властивість можна переформулювати так: простір є скінченновимірним тоді й лише тоді, коли будь-яка обмежна в множина передкомпактна.
  • Будь-який лінійний оператор , визначений у скінченновимірному просторі є неперервним і навіть цілком неперервним.
  • У скінченновимірному просторі кожен оператор є унітарним тоді й лише тоді, коли він ізометричний, тобто зберігає скалярний добуток.

Приклади

[ред. | ред. код]
  • Евклідів простір має розмірність 3, за його базис можна вибрати трійку векторів

Загальніший випадок — простору розмірності n. Норму в них зазвичай задають одним з таких способів ():

або

Якщо ввести норму і скалярний добуток то простір буде евклідовим.

  •  — простір усіх многочленів степеня не вище . Розмірність цього простору . Многочлени утворюють у ньому базис.
  • Нехай  — довільний лінійний простір і нехай деяка лінійно-незалежна система векторів. Тоді лінійна оболонка, натягнута на цю систему є скінченновимірним простором.

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. Цей факт можна отримати як за допомогою теореми Ріса — Фреше, так і прямими викладками, без використання теорії гільбертових просторів.
  2. часто називають ортогональним доповненням до

Література

[ред. | ред. код]