接上一讲,使用$3 \times 3$矩阵举例,其矩阵空间记为$M$。
则$M$的一组基为: $ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \ \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \ 1 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \ 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 1 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \ \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ 1 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 1 & 0 \ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 1 \ \end{bmatrix} \ $
易得,$dim M=9$。
所以可以得出,对上讲中的三阶对称矩阵空间有$dim S=6$、上三角矩阵空间有$dim U=6$、对角矩阵空间有$dim D=3$
求并(intersect):$S \cup U=D, dim(S \cup U)=9$;
求交(sum):$S \cap U=M, dim(S \cap U)=3$;
可以看出:$dim S + dim U=12=dim(S \cup U) + dim(S \cap U)$。
另一个例子来自微分方程:
方程的解有:$y=\cos{x}, \quad y=\sin{x}, \quad y=e^{ix}, \quad y=e^{-ix}$等等($e^{ix}=\cos{x}+i\sin{x}, \quad e^{-ix}=\cos{x}-i\sin{x}$)
而该方程的所有解:$y=c_1 \cos{x} + c_2 \sin{x}$。
所以,该方程的零空间的一组基为$\cos{x}, \sin{x}$,零空间的维数为$2$。同理$e^{ix}, e^{-ix}$可以作为另一组基。
且$dimC(A)=1=dimC(A^T)$,所有的秩一矩阵都可以划为$A=UV^T$的形式,这里的$U, V$均为列向量。
秩一矩阵类似“积木”,可以搭建任何矩阵,如对于一个$5 \times 17$秩为$4$的矩阵,只需要$4$个秩一矩阵就可以组合出来。
令$M$代表所有$5 \times 17$,$M$中所有秩$4$矩阵组成的集合并不是一个子空间,通常两个秩四矩阵相加,其结果并不是秩四矩阵。
现在,在$\mathbb{R}^4$空间中有向量$v=\begin{bmatrix}v_1\v_2\v_3\v_4\end{bmatrix}$,取$\mathbb{R}^4$中满足$v_1+v_2+v_3+v_4=0$的所有向量组成一个向量空间$S$,则$S$是一个向量子空间。
易看出,不论是使用系数乘以该向量,或是用两个满足条件的向量相加,其结果仍然落在分量和为零的向量空间中。
求$S$的维数:
从另一个角度看,$v_1+v_2+v_3+v_4=0$等价于$\begin{bmatrix}1&1&1&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}v_1\v_2\v_3\v_4\end{bmatrix}=0$,则$S$就是$A=\begin{bmatrix}1&1&1&1\end{bmatrix}$的零空间。
顺便看一下$1 \times 4$矩阵$A$的四个基本子空间:
行空间:$dim C(A^T)=1$,其中的一组基是$\begin{bmatrix}1\1\1\1\end{bmatrix}$;
零空间:$dim N(A)=3$,其中的一组基是$\begin{bmatrix}-1\1\0\0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}-1\0\1\0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}-1\0\0\1\end{bmatrix}$
列空间:$dim C(A)=1$,其中一组基是$\begin{bmatrix}1\end{bmatrix}$,可以看出列空间就是整个$\mathbb{R}^1$空间。
左零空间:$dim N(A^T)=0$,因为$A$转置后没有非零的$v$可以使$Av=0$成立,就是$\begin{bmatrix}0\end{bmatrix}$。
综上,$dim C(A^T)+dim N(A)=4=n, dim C(A)+dim N(A^T)=1=m$
图(graph)由节点(node)与边(edge)组成。
假设,每个人是图中的一个节点,如果两个人为朋友关系,则在这两个人的节点间添加一条边,通常来说,从一个节点到另一个节点只需要不超过$6$步(即六条边)即可到达。