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  • 数学概念(集合,数环,数域,线性空间,线性变换)

    集合(Set)

    定义:集合(或简称集)是基本的数学概念,它是集合论的研究对象。最简单的说法,即是在最原始的集合论─朴素集合论─中的定义,集合就是“一堆东西”。集合里的“东西”,叫作元素。

    数环(number ring)

    定义:设S是复数集的非空子集。如果S中的数对任意两个数的和、差、积(没有商)仍属于S,则称S是一个数环。

    例如整数集Z就是一个数环,有理数集Q、实数集R、复数集C等都是数环。

    性质

    1. 任何数环都包含数零(即零环是最小的数环)。

    2. 设S是一个数环。若a∈S ,则na∈S(n∈Z)。

    3. 若M,N都是数环,则M∩N也是数环。

    数域(number field)

    定义1:设F是一个数环,如果对任意的a,b∈F而且a≠0, 则b/a∈F;则称F是一个数域。

    定义2:设S是复数集的非空子集。如果S中的数对任意两个数的和、差、积、商(除数不为0)仍属于S,则称S是一个数域。

    例如有理数集Q、实数集R、复数集C等都是数域。

    性质:任何数域都包含有理数域Q。

    线性空间(linear space)

      简单的说,线性空间是这样一种集合,其中任意两元素相加可构成此集合内的另一元素,任意元素与任意数(可以是实数也可以是复数,也可以是任意给定域中的元素)相乘后得到此集合内的另一元素。(个人理解就是可加性和齐次性

      定义:设V是一个非空集合,F是一个数域,在集合V的元素之间定义一种代数运算,叫做加法;这就是说,给出了一个法则,对于V中任意两个元素x和y,在V中都有唯一的一个元素z与他们对应,称为x与y的和,记为z=x+y.在数域F与集合V的元素之间还定义了一种运算,叫做数量乘法;这就是说,对于数域F中任一数k与V中任一元素x,在V中都有唯一的一个元素y与他们对应,称为k与x的数量乘积,记为y=kx。如果加法与乘法还满足下述规则,那么V称为数域F上的线性空间.

    1. V对加法满足:

    (1)(交换律)x+y=y+x;

    (2)(结合律)(x+y)+z=x+(y+z)

    (3)(零元素)在V中有一元素θ,对于V中任一元素x都有x+θ=x;

    (4)(负元素)对于V中每一个元素x,都有V中的元素y,使得x+y=θ;

    2. 数量乘法满足:

    (5)(1乘律)1x=x;

    (6)(结合律)k(lx)=(kl)x;

    3. 数量乘法和加法满足:

    (7)(分配律)(k+l)x=kx+lx;

    (8)(数因子分配律)k(x+y)=kx+ky.

    其中x,y,z为V中任意元素,k,l为数域F中的任意元素,1是F的乘法单位元。

    数域F称为线性空间V的系数域或基域,F中元素称为纯量或数量(scalar),V中元素称为向量(vector)。

    当系数域F为实数域时,V称为实线性空间。当F为复数域时,V称为复线性空间

    简单性质

    (1)V中零元素(或称θ向量)是唯一的。

    (2)V中任一向量x的负元素(或称负向量)是唯一的。

    (3)kx=θ(其中k是域F中元素,x是V中元素)当且仅当k=0或x=θ。

    (4)(-k)x=-(kx)=k(-x)。

    例子

    1. 域F上m×n矩阵全体,按矩阵的加法与数乘是F上线性空间。

    2. 复数域C是实数域R上的线性空间。

    3. 域F上次数小于n的多项式形式全体是F上的线性空间。

    4. 连续实变函数全体按函数的加法和数与函数的乘法是实数域R上的线性空间。

    线性变换(linear transformation)

      变换的定义:设V是数域K上的线性空间,T是V到自身的一个映射,使对于任意向量x∈V,V中都有唯一的向量y与之对应,则称T是V的一个变换或算子,记为:Tx=y。称y为x在T下的象,而x是y的原象。

      线性变换:如果数域K上的线性空间V的一个变换T具有性质:T(kx+ly)=k(Tx)+l(Ty),其中x,y∈V,k,l∈K。则称T是V的一个线性变换或线性算子。(个人理解就是可加性和齐次性

      两个特殊的线性变换

      1. 单位变换或恒等变换:Tex=x (x∈V)

      2. 零变换:T0x=θ(x∈V)

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