商空間

商空間

線上性代數中,一個向量空間被一個子空間的商是將“坍塌”為零得到的向量空間,所得的空間稱為商空間(quotient space),記作/(讀作模)。

定義

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設 V是域 K上的一個向量空間,且 N是 V的一個子空間。我們定義在 V上定義一個等價類,如果 則令 。即如果其中一個加上 中一個元素得到另一個,則 與 相關。 的所在等價類通常記作

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因為它由 給出。那么商空間 定義為 / , V在 下所有等價類集合。等價類上的數乘與加法定義為:

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1) 對所有 , ,

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2) 。

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不難驗證這些運算是良定義的(即與代表元之選取無關)。這些運算將商空間 轉化為 K上一個向量空間, 成為零類。相對應的,商映射即定義為 與等價類 之映射

性質

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(1)反身性:

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(2)對稱性: 若 則

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(3)傳遞性: 若 則

性質推廣

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令 為標準笛卡兒平面, 是 中過原點的一條直線。則商空間 可與 X中與 Y平行的所有直線等價。這就是講,集合 的元素是 X中平行於 Y的元素。這給出了以一種幾何的方式看 商空間的方法。

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另一個例子是 被前 個標準基向量張成的子空間的商。空間 R有所有實數 元組 組成。子空間,與 等價,由只有前 元素是非零 的所有 元組組成。 的兩個向量在模去這個子空間的同一個共軛類中若且唯若他們的後 個坐標相等。商空間 / 顯然地同構於 。

更一般地,如果 V寫成子空間 U與 W的一個(內部)直和:

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則商空間 自然同構於   。

如果 U是 V的一個子空間, U在 V中的余維數定義為 V/ U的維數。如果 V是有限維的,這就是 V與 U的維數之差:

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從 到商空間 有一個自然滿射,將 x送到它的等價類 。這個滿射的核(或零空間)是子空間 。此關係簡單地總結為短正合序列:

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令 是一個線性運算元, T 的核,記作,是所有使得的集合。核是的一個子空間。線性代數第一同構定理說商空間 V/ker( T)同構於在中的像。一個直接推論,對有限維空間的秩-零化度定理: V的維數等於核的維數( 的零化度)加上像的維數(的秩)。
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線性運算元 的余核定義為商空間 。

商空間

定義

如果 X是一個巴拿赫空間而 M是 X的一個閉子空間,則商 X/ M仍是一個巴拿赫空間。上一節已經給出商空間一個向量空間結構。我們定義 X/ M上一個範數為

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商空間 X/ M關於此範數是完備的,所以是一個巴拿赫空間。

例子

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令 表示區間[0,1]上連續實值函式的巴拿赫空間。記所有函式 使得 的子空間為 M。則某個函式 的等價類由它在0點的值決定,商空間 C[0,1]/ M同構於 R

如果 X是一個希爾伯特空間,則商空間 X/ M同構於 M的正交補   。

局部凸空間

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局部凸空間被一個閉子空間商還是局部凸的。事實上,假設 是局部凸的所以 上的拓撲由一族半範數 生成,這裡 是一個指標集。設 是一個閉子空間,定義 上半範數

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則 是一個局部凸空間,上面的拓撲是商拓撲。

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進一步,若 X是可度量化的,則 也是;如果 X是弗雷歇空間, 也是。

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