线性子空间的和与直和
子空间的直和的充要条件
子空间的直和的充要条件一、引言在线性代数中，子空间是向量空间的一个重要概念。
直和则是子空间的一个重要性质。
本文将介绍子空间的直和以及充要条件。
二、子空间2.1 定义向量空间V中的非空子集U称为V的子空间，如果U对于向量加法和数乘运算也构成一个向量空间。
2.2 子空间的性质•零向量属于任意子空间•对于任意u，v属于U，u+v也属于U•对于任意k，u属于U，ku也属于U三、直和3.1 定义设V是线性空间，W1和W2是V的两个子空间。
如果满足以下两个条件，则称W1与W2的直和为V：•V = W1 + W2：即任意v属于V都可以表示为v = w1 + w2，其中w1属于W1，w2属于W2。
•W1 ∩ W2 = {0}：即W1与W2只有零向量交集。
3.2 直和的几何理解直和可以理解为两个子空间在几何上没有交集，并且它们的所有组合可以覆盖整个向量空间V。
四、充要条件子空间的直和有以下充要条件：4.1 直和的充要条件一设W1和W2是向量空间V的两个子空间，则V是它们的直和当且仅当对于任意v属于V，存在唯一的v1属于W1和v2属于W2，使得v = v1 + v2。
4.2 直和的充要条件二设W1和W2是向量空间V的两个子空间，则V是它们的直和当且仅当维数公式成立：dim(V) = dim(W1) + dim(W2)。
4.3 证明充分性证明：如果存在唯一的v1属于W1和v2属于W2，使得v = v1 + v2，那么对于任意v属于V，都可以表示为v = v1 + v2。
这说明V = W1 + W2。
另外，假设存在一个非零向量w同时属于W1与W2，则w既属于W1又属于W2，那么存在唯一的w’属于W1和w’‘属于W2，使得w = w’ + w’’。
由此可知w也可以表示为其他两个不同向量之和，与唯一性矛盾。
因此，W1与W2的交集只有零向量。
必要性证明：如果V是两个子空间W1和W2的直和，那么对于任意v属于V，都可以表示为v = w1 + w2，其中w1属于W1，w2属于W2。
高等代数 第6章线性空间 6.6 子空间的直和与线性空间的同构
多个子空间的直和
设W1，W2，…，Wr都是线性空间V的子空间。如果 则称 W1+ W2+…+ Wr 为子空间 W1 ， W2 ， … ， Wr 的直和，记为 W1+ W2+…+ Wr。
说明：一定要注意这里的条件是 ，不是Wi Wj ={0}，初学者
很容易出错。 多个子空间的和构成直和的条件 设 W1，W2 ，…，Wr是线性空间V的子空间，则 W1+ W2+…+ Wr 构成直和的充要条件是下列之一成立：
n维线性空间
Vn
R
n
x1 1 x2 2 xn n
x ( x1 , x2 , , xn )
T
( 2)设
( x1 , x2 ,, xn )T ( y1 , y2 ,, yn )T
( x1 , x2 ,, xn ) ( y1 , y2 ,, yn )
T T
则有
( x1 , x2 ,, xn )
T
结论 １．数域 P上任意两个n 维线性空间都同 构． ２．同构的线性空间之间具有反身性、对称性 与传递性． ３．同维数的线性空间必同构．
同构的意义
在线性空间的抽象讨论中，无论构成线性空间 的元素是什么，其中的运算是如何定义的，我们所 关心的只是这些运算的代数性质．从这个意义上可 以说，同构的线性空间是可以不加区别的，而有限 维线性空间唯一本质的特征就是它的维数．
定义 设U、V是两个线性空间，如果它们的元素 之间有一一对应关系 ，且这个对应关系保持线性 组合的对应，那末就称线性空间 U2 xn n x1 , x2 ,, xn R
与 n 维数组向量空间 R n 同构. 因为 T (1) Vn中的元素与R n中的元素( x1 , x2 ,, xn ) 形成一一对应关系；
6[1].7 子空间的直和
![6[1].7 子空间的直和](https://img.taocdn.com/s3/m/4f06861652d380eb62946d74.png)
1 - 1 = 0 , 2 - 2 = 0 , 即 1 = 1 , 2 = 2 .
这就是说，向量 的分解式是唯一的.
证毕
推论 和 V1 + V2 为直和的充分必要条件是
V1 ∩ V2 = { 0 } .
证明 先证充分性. 假设有等式
1 + 2 = 0，
那么
1 V1 , 2 V2 ,
是唯一的，这个和就称为直和. 记为 V1 V2 … Vs .
和两个子空间的直和一样，我们有
定理 4 设 V1 , V2 , … , Vs 都是线性空间 V
的子空间，则下面这些条件是等价的：
1) W Vi 是直和；
2) 零向量的表法唯一； 3) Vi
V
j i
j
{0}
(i 1,2,, s) ;
则 R 3 U W1 U W2 , 但 W1 W2
例 3 设 V = P 3，U = L(1 )， 1 = (1, 1, 1)，
求 U 的补空间 W .
解 要求补空间 W，即要求 W 的一组基. 只需
把 U 的基扩充为 P 3 的基. 取
e1 = (1, 0, 0), e2 = ( 0, 1, 0),
② 分解式唯一的不是在任意两个子空间的和中 都成立. 例如，R3的子空间
V1 L( 1 , 2 ), V2 L( 2 , 3 ), V3 L( 3 )
这里， 1 (1,0,0), 2 (0,1,0), 3 (0,0,1)
在和 V1 V2 中，向量的分解式不唯一，如
而0有分解式 0= 0 0,
1 0, 2 0.
充分性.
设 V1 + V2 1 + 2 ， 1 , 1 V1 , 2 , 2 V2.
51-子空间直和的判定与证明
子空间直和的判定与证明一、直和的定义：设V1，V2是线性空间V的子空间，如果和V1+V2中每个向量α的分解式α=α1+α2，α1V1，α2V2，是惟一的，这个和就称为直和，记为V1⊕V2.二、判定定理：1.定理：和V1+V2是直和的充分必要条件是等式α1+α2=0，αiVi （i=1,2）只有在αi全为零向量时才成立.证明：要证明零向量的分解式是唯一的即可。
必要性：显然成立；充分性：设αV1+V2，它有两个分解式α=α1+α2=β1+β2，αi,βiVi （i=1,2）于是（α1-β1）+（α2-β2）=0.其中αi-βiVi （i=1,2）.由定理的条件，应有α1-β1=0，αi=βi （i=1,2）.这就是说，向量α的分解式是唯一的。
2.定理：和V1+V2为直和的充分必要条件是V1∩V2={0}.证明：充分性：假设α1+α2=0，αiVi （i=1,2）那么α1=-α2 V1∩V2.由假设α1=α2=0.这就是证明了V1+V2是直和。
必要性：任取向量αV1∩V2，于是零向量可以表成0=α+（-α），αV1，—αV2.因为是直和，所以α=-α=0，这就证明了V1∩V2={0}.3.定理：设V1，V2是线性空间V的子空间，令W= V1+V2，则W= V1⊕V2的充分必要条件是维（W）=维（V1）+维（V2）.证明：充分性：维（W）=维（V1）+维（V2），由维数公式知，维（V1∩V2）=0，则V1∩V2={0}，由定理2得，V1+V2是直和。
必要性：因为维（W）+维（V1∩V2）=维（V1）+维（V2），由定理2得，V1+V2是直和的充分必要条件是V1∩V2={0}，这与维（V1∩V2）=0等价，则维（W）=维（V1）+维（V2）.4.定理：设U是线性空间V的一个子空间，那么一定存在一个子空间W，使V=U⊕W.证明：取U得一组基α1，……，αm，把它扩充为V的一组基α1，……，αm，αm+1，……，αn，令W=L（αm+1，……，αn）.W即满足条件。
子空间的直和
等价的，也就与维(W) = 维(V1) + 维(V2) 等价. 这就
证明了定理.
证毕
三、直和的性质
定理 11 设 U 是线性空间 V 的一个子空间，
那么一定存在一个子空间 W 使 V = U W .
这时 U 叫做 W 的补空间，W 叫做 U 的补空间，
或者 U 与 W 是互补子空间.
证明 取 U 的一组基 1 , … , m . 把它扩充
为 V 的一组基 1 , … , m , m + 1 , … , n . 令 W = L(m + 1 , … , n ) .
则 W 即满足要求.
证毕
例 1 在 3 维空间 P3 中，过原点的两条相交直
线的直和就是由这两条直线所确定的平面. 如图6-9 所示.
L2
例 2 设 V = P 3 ，L 是过原点的直线， 是过
原点的平面. 令 L 上的点构成的空间为 U， 上的
点构成的空间为 W，如果 U ∩ W = { 0 } ， 即 L 不
上，则 V = U W . 如图 6-10 所示.
z
L
o
y
x
图 6-10
例例 33 设设VV==PP33，，UU==LL((11))，，11==(1(1, ,11, ,11)，)，
面( 直线不在平面上 ) 上的全体向量构成的
二、直和的充分必要条件
定理 9 和 V1 + V2 是直和的充分必要条件是
等式
1 + 2 = 0， 1 V1 , 2 V2 ,
只有在1, 2全为零时才成立.
证明 定理的条件实际上就是：零向量的分
解式是唯一的. 因而这个条件显然是必要的. 下面 来证这个条件的充分性.
子空间的和与直和
5.5 子空间的和与直和授课题目：子空间的和与直和.教学目标：1．理解并掌握子空间的概念.2．掌握子空间的判别方法，熟悉几种常见的子空间. 3．掌握子空间的交与和的概念.授课时数：3学时教学重点：子空间的判别. 教学难点：子空间的交与和． 教学过程： 一 子空间的的和回忆:令W 是数域F 上向量空间V 的一个非空子集.如果W 对于V 的加法以及标量与向量的乘法来说是封闭的，那么就称W 是V 的一个子空间. 一个向量空间V 本身和零空间叫做V 的平凡子空间。
V 的非平凡子空间叫做V 的真子空间。
1. 定义：设12,W W V ⊆，则称V 的子集{}121122/,W W αααα+∈∈ 为1212w w W W +与的和，记为即12W W +={}121122/,W W αααα+∈∈定理5.5.1：若12,W W 均为V 的两个子空间，则12W W +仍然是子空间.证明：12,W W θθθθθ∈∈∴=+∈ 12W W +故12W W +≠φ对121212,,,,a b F W W αβαααβββ∀∈∉+=+=+有，111222,,,W W αβαβ∈∈ 12W W +均为v 子空间.∴111222,a b W a b W αβαβ+∈+∈于是()()()()1212112212a b a b a b a b W W αβααββαβαβ+=+++=+++∈+∴12W W +是V 的子空间。
推广：12,,,n W W W V n 为的个子空间，则{}12121122/,,,n n n n W W W W W W αααααα+++=+++∈∈∈仍然是V 的子空间.补充：若W =L ()ααα,,, ，(),,,W L βββ=证明：∈γ12W W +，有βαγ+=，12,W W αβ∈∈ 设r r k k k αααα+++= 2211t t l l l ββββ+++= 2211∴ =+=βαγr r k k k ααα+++ 2211+βββt l l l +++ 2211 ∴12W W +=L ()t r βββααα,,,,,,,2121定理5.5.2 维数定理。
高等代数 6-7子空间的直和
在和V1 V2 中，向量的分解式不唯一，如 (2,2,2) (2,3,0) (0, 1,2) (2,1,0) (0,1,2) 所以和 V1 V2不是直和.
V1 V2 是直和 1,2, ,r ,1,2, ,s 线性无关. 证：由题设，V1 L(1,2 , ,r ), dimV1 r V2 L(1,2, ,s ), dimV2 s V1 V2 L(1,2 , ,r ,1,2, ,s ). 若 1,2, ,r ,1,2, ,s 线性无关，
分解式唯一，即若 1 2 0,1 V1,2 V2 则必有 1 2 0.
证：必要性. V1 V2 是直和,
V1 V2, 的分解式唯一. 若1 2 0, 1 V1,2 V2
而0有分解式 0= 0 0,
1 0, 2 0.
充分性. 设 V1 V2 ，它有两个分解式 1 2 1 2 , 1, 1 V1 , 2 , 2 V2 于是 (1 1) (2 2 ) 0 其中 1 1 V1, 2 2 V2
则它是 V1 V2 的一组基. 从而有
dim(V1 V2 ) r s dimV1 dimV2 V1 V2 是直和. 反之,若 V1 V2 直和，则 dim(V1 V2 ) dimV1 dimV2 r s
从而 1,2, ,r ,1,2, ,s 的秩为r＋s . 所以 1,2, ,r ,1,2, ,s 线性无关.
dim(V1 V2 ) 0
V1 V2 0
V1 V2 是直和. （由2、得之）
总之，设 V1,V2 为线性空间V的子空间，则下面 四个条件等价:
1） V1 V2 是直和 2）零向量分解式唯一
线性代数中的子空间与直和
线性代数中的子空间与直和在线性代数中，子空间是指由向量空间中的一部分向量所组成的空间。
子空间在线性代数中起着重要的作用，它们可以帮助我们理解向量空间的结构以及解决许多实际问题。
本文将介绍子空间的概念、性质以及与之相关的直和运算。
一、子空间的定义与性质子空间是指一个向量空间中的一个非空子集合，且满足以下三个条件：（1）零向量属于该子集合；（2）对于该子集合中的任意两个向量，它们的线性组合仍然属于该子集合；（3）该子集合对于向量的加法和标量的乘法封闭。
简而言之，子空间就是一个满足向量空间的定义的向量集合。
对于子空间，有一些重要的性质需要注意。
首先，子空间的交集仍然是一个子空间，即两个子空间的交集是一个子空间。
其次，子空间的和也是一个子空间，即两个子空间的和是一个子空间。
最后，子空间的维数不超过父空间的维数，即子空间的维数小于等于父空间的维数。
二、直和的定义与性质在了解了子空间的基本概念后，我们可以介绍直和的概念。
直和是指将多个子空间进行合并得到的新的子空间。
具体来说，给定两个子空间U和V，它们的直和表示为U⊕V，定义为所有可以写成u+v的形式的向量的集合，其中u属于U，v属于V。
直和有一些重要的性质。
首先，直和的维数等于所有子空间维数的和，即dim(U⊕V) = dim(U) + dim(V)。
其次，子空间U和V的直和U⊕V是直和的充要条件是U和V的交集只包含零向量。
三、子空间与直和的应用子空间与直和的概念在线性代数中具有广泛的应用。
在实际问题中，我们经常需要将一个向量空间分解成几个子空间的直和，以便更好地理解向量空间的结构。
例如，在图像处理中，我们可以将一幅图像分解为由亮度和色彩组成的子空间的直和。
通过对每个子空间独立地处理，我们可以对图像进行降噪、增强等操作，从而得到更好的视觉效果。
此外，子空间与直和也在最小二乘法等问题的求解中起着重要作用。
通过将问题的解空间分解为多个子空间的直和，我们可以更方便地求解问题的最优解。
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有
线性空间与欧几里得空间
所以
有
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15
定理 2.6 的证明
证明：由维数公式可以得到(2)与(3)的等价性。 下面证明(1)与(2)的等价性。
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线性空间与欧几里得空间
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16
定理 2.7 的证明
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由于基的扩充是不唯一的，所以当W是不平凡子空间时， 它的补子空间是不唯一的。
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20
proof
10
命题2.1的证明
证明：
所以 W 是线性子空间。
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线性空间与欧几里得空间
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11
命题 2.2 的证明
证明: 由定义, 有
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线性空间与欧几里得空间
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12
引理２.３的证明
引理 2.3: 线性子空间中的线性无关的向量组可以 被扩充成该子空间的一组基。 证明:
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线性子空间的直和: 定义
下面介绍子空间的和的一种重要的特殊情形----直和.
必要性是显然的, 下证充分性.
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线性空间与欧几里得空间
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线性子空间的直和，补子空间
proof
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线性空间与欧几里得空间
proof
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多个线性子空间的直和
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线性空间与欧几里得空间
proof
量组可以被扩充成该子空间的一组基。
proof
proof
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线性空间与欧几里得空间
5
线性子空间的和的求法：例子
主元所在的列对应的向量组就是一个极大线性无关组
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线性空间与欧几里得空间
6
线性子空间的和的求法：例子
基础解系:
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线性空间与欧几里得空间
如果这个向量组不是W的基, 则用同样的方法扩充 线性无关的向量组, 直到不能扩充为止．
最后得到W的一组基.
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线性空间与欧几里得空间
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定理2.4的证明
证明:
注意到
只要证明 线性无关
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线性空间与欧几里得空间
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定理 2.4 的证明(2)
设
即
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则集合
proof
2
线性子空间的和(2)
从线性子空间的和的定义很容易看出：
(3) 多个子空间的和：
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线性空间与欧几里得空间
3
线性子空间的和的维数
以上 4 个线性子空间都是 2 维的
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线性空间与欧几里得空间
4
线性子空间的和的维数(理论结果)
引理 2.3: 线性子空间中的线性无关的向
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线性空间与欧几里得空间
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命题 2.8 的证明
证明:
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线性空间与欧几里得空间
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命题 2.8 的证明(2)
所以
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线性空间与欧几里得空间
=0
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命题 2.8 的证明(3)
其中 于是
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则有 ={0} 所以
线性空间与欧几里得空间
§2 线性子空间的和与直和
线性子空间的和 线性子空间的和的维数公式 线性子空间的和的基的求法 线性子空间的直和
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线性空间与欧几里得空间
1
线性子空间的和
两个线性子空间的交是线性子空间，但两个线性子空间 的并集一般不是线性子空间。
也是一个线性子空间，
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线性空间与欧几里得空间