РК1›Тема 9. Аксиоматика: векторное, евклидово, аффинное пространства

9. Аксиоматика: векторное, евклидово, аффинное пространства

вопросы РК: В1, В2, В3, В4, В5

РК: часть В конспекта (В.1–В.5); второй файл с аксиомами, разделы 4–9.

Суть

Всё, что для стрелок доказывалось картинками, здесь берётся за аксиомы. Векторное пространство — любое множество, где сложение и умножение на число подчиняются восьми правилам. Скалярное произведение добавляет длины и углы, определитель — объём со знаком, векторное произведение задаётся тремя соотношениями. Аффинное пространство — это точки, которые сдвигаются на векторы; прямые и плоскости — его подпространства.

Векторное пространство VV над полем F\mathbb F (В.1)

Множество VV с операциями сложения u⃗+v⃗\vec u+\vec v и умножения на скаляр αv⃗\alpha\vec v, для которых ∀u⃗,v⃗,w⃗∈V, ∀α,β∈F\forall\vec u,\vec v,\vec w\in V,\ \forall\alpha,\beta\in\mathbb F:

№АксиомаНазвание
1(u⃗+v⃗)+w⃗=u⃗+(v⃗+w⃗)(\vec u+\vec v)+\vec w=\vec u+(\vec v+\vec w)ассоциативность сложения
2∃0⃗∈V: v⃗+0⃗=v⃗\exists\vec 0\in V:\ \vec v+\vec 0=\vec vнейтральный элемент
3∃(−v⃗)∈V: v⃗+(−v⃗)=0⃗\exists(-\vec v)\in V:\ \vec v+(-\vec v)=\vec 0противоположный элемент
4u⃗+v⃗=v⃗+u⃗\vec u+\vec v=\vec v+\vec uкоммутативность
5(αβ)v⃗=α(βv⃗)(\alpha\beta)\vec v=\alpha(\beta\vec v)ассоциативность умножения на скаляры
61⋅v⃗=v⃗1\cdot\vec v=\vec vунитарность
7α(u⃗+v⃗)=αu⃗+αv⃗\alpha(\vec u+\vec v)=\alpha\vec u+\alpha\vec vдистрибутивность по векторам
8(α+β)v⃗=αv⃗+βv⃗(\alpha+\beta)\vec v=\alpha\vec v+\beta\vec vдистрибутивность по скалярам

Линейный базис {e⃗1,e⃗2,… }\{\vec e_1,\vec e_2,\dots\}: всякий v⃗∈V\vec v\in V единственным образом представим как v⃗=α1e⃗1+⋯+αme⃗m\vec v=\alpha_1\vec e_1+\dots+\alpha_m\vec e_m (базис Гамеля).

Во втором файле в определении базиса написано v⃗=α1v⃗1+⋯+αnv⃗n\vec v=\alpha_1\vec v_1+\dots+\alpha_n\vec v_n — это опечатка, раскладывать нужно по базисным векторам: v⃗=α1e⃗1+⋯+αme⃗m\vec v=\alpha_1\vec e_1+\dots+\alpha_m\vec e_m.

Скалярное произведение и норма (В.2)

Скалярное произведение в V(R)V(\mathbb R) — функция ⟨u⃗,v⃗⟩∈R\langle\vec u,\vec v\rangle\in\mathbb R, для которой:

АксиомаНазвание
⟨αu⃗,v⃗⟩=α⟨u⃗,v⃗⟩\langle\alpha\vec u,\vec v\rangle=\alpha\langle\vec u,\vec v\rangle,  ⟨u⃗+w⃗,v⃗⟩=⟨u⃗,v⃗⟩+⟨w⃗,v⃗⟩\ \langle\vec u+\vec w,\vec v\rangle=\langle\vec u,\vec v\rangle+\langle\vec w,\vec v\rangleлинейность по первому аргументу
⟨u⃗,v⃗⟩=⟨v⃗,u⃗⟩\langle\vec u,\vec v\rangle=\langle\vec v,\vec u\rangleсимметричность
⟨v⃗,v⃗⟩≥0\langle\vec v,\vec v\rangle\ge0положительная определённость
⟨v⃗,v⃗⟩=0  ⟺  v⃗=0⃗\langle\vec v,\vec v\rangle=0\iff\vec v=\vec 0невырожденность

Линейность по второму аргументу следует из первой и симметричности. Векторы ортогональны, если ⟨u⃗,v⃗⟩=0\langle\vec u,\vec v\rangle=0. Базис ортонормированный, если ⟨e⃗i,e⃗j⟩=0\langle\vec e_i,\vec e_j\rangle=0 при i≠ji\ne j и 11 при i=ji=j.

Норма ∥⋅∥\|\cdot\| — функция на VV, для которой:

  1. ∥αv⃗∥=∣α∣⋅∥v⃗∥\|\alpha\vec v\|=|\alpha|\cdot\|\vec v\| (однородность);
  2. v⃗≠0⃗⇒∥v⃗∥>0\vec v\ne\vec 0\Rightarrow\|\vec v\|>0;
  3. ∥x⃗+y⃗∥≤∥x⃗∥+∥y⃗∥\|\vec x+\vec y\|\le\|\vec x\|+\|\vec y\| (неравенство треугольника).

Скалярное произведение порождает евклидову норму ∥v⃗∥=⟨v⃗,v⃗⟩\|\vec v\|=\sqrt{\langle\vec v,\vec v\rangle}; неравенство треугольника для неё следует из неравенства Коши–Буняковского ∣⟨u⃗,v⃗⟩∣≤∥u⃗∥ ∥v⃗∥|\langle\vec u,\vec v\rangle|\le\|\vec u\|\,\|\vec v\| [не из конспекта].

В первом файле (В.2) у нормы указано только неравенство треугольника, а однородность и положительность пропущены. Полный список из трёх аксиом — во втором файле, его и пиши.

Определитель (второй файл, раздел 7)

Функция det⁡(v⃗1,…,v⃗n)\det(\vec v_1,\dots,\vec v_n) от nn векторов nn-мерного пространства с базисом e⃗1,…,e⃗n\vec e_1,\dots,\vec e_n:

  1. полилинейность — линейность по каждому аргументу;
  2. кососимметричность — det⁡(…,v⃗k,…,v⃗k,… )=0\det(\dots,\vec v_k,\dots,\vec v_k,\dots)=0 (два одинаковых аргумента дают ноль);
  3. нормированность — det⁡(e⃗1,…,e⃗n)=1\det(\vec e_1,\dots,\vec e_n)=1.

Из 1 и 2 следует: перестановка двух аргументов меняет знак. При 1+1≠01+1\ne0 в поле верно и обратное. Геометрически определитель — ориентированный объём параллелепипеда на векторах.

Векторное, смешанное, двойное произведение аксиоматически (В.3)

Векторное произведение в R3\mathbb R^3 с ОНБ {i⃗,j⃗,k⃗}\{\vec i,\vec j,\vec k\} — векторнозначная функция [u⃗,v⃗][\vec u,\vec v]:

  1. линейность по первому аргументу;
  2. кососимметричность (антикоммутативность) [u⃗,v⃗]=−[v⃗,u⃗][\vec u,\vec v]=-[\vec v,\vec u];
  3. образующие соотношения [i⃗,j⃗]=k⃗[\vec i,\vec j]=\vec k, [j⃗,k⃗]=i⃗[\vec j,\vec k]=\vec i, [k⃗,i⃗]=j⃗[\vec k,\vec i]=\vec j.

Смешанное произведение (u⃗,v⃗,w⃗):=⟨[u⃗,v⃗],w⃗⟩=det⁡(u⃗,v⃗,w⃗)(\vec u,\vec v,\vec w):=\langle[\vec u,\vec v],\vec w\rangle=\det(\vec u,\vec v,\vec w).
Двойное векторное произведение [u⃗,v⃗,w⃗]:=[u⃗,[v⃗,w⃗]][\vec u,\vec v,\vec w]:=[\vec u,[\vec v,\vec w]]:
[u⃗,[v⃗,w⃗]]=v⃗⟨u⃗,w⃗⟩−w⃗⟨u⃗,v⃗⟩,[u⃗,[v⃗,w⃗]]+[v⃗,[w⃗,u⃗]]+[w⃗,[u⃗,v⃗]]=0⃗.[\vec u,[\vec v,\vec w]]=\vec v\langle\vec u,\vec w\rangle-\vec w\langle\vec u,\vec v\rangle,\qquad [\vec u,[\vec v,\vec w]]+[\vec v,[\vec w,\vec u]]+[\vec w,[\vec u,\vec v]]=\vec 0.

Аффинное пространство (В.4)

Множество точек AA, связанное с векторным пространством VV операцией сдвига точки на вектор P+v⃗=QP+\vec v=Q, со свойствами:

  1. (P+u⃗)+v⃗=P+(u⃗+v⃗)(P+\vec u)+\vec v=P+(\vec u+\vec v);
  2. для любых P,Q∈AP,Q\in A существует единственный v⃗∈V\vec v\in V такой, что P+v⃗=QP+\vec v=Q; его обозначают PQ→\overrightarrow{PQ}.

Аффинное подпространство, проходящее через точку P0P_0 с направляющим линейным подпространством V0⊆VV_0\subseteq V:
L=P0+V0={P∈A∣P=P0+v⃗, v⃗∈V0},dim⁡L=dim⁡V0.L=P_0+V_0=\{P\in A\mid P=P_0+\vec v,\ \vec v\in V_0\},\qquad \dim L=\dim V_0.

Примеры аффинных подпространств (В.5)

РазмерностьНаправляющее V0V_0УравнениеОбъект
0{0⃗}\{\vec 0\}P=P0P=P_0точка
1span⁡{s⃗}={ts⃗}\operatorname{span}\{\vec s\}=\{t\vec s\}P=P0+ts⃗P=P_0+t\vec sпрямая
2span⁡{u⃗,v⃗}\operatorname{span}\{\vec u,\vec v\}P=P0+λu⃗+μv⃗P=P_0+\lambda\vec u+\mu\vec vплоскость
3V3V_3P=P0+v⃗P=P_0+\vec vвсё пространство
P₀dim 0: точка P = P₀P₀sdim 1: P = P₀ + tsP₀uvdim 2: P = P₀ + λu + μv

Параметрические уравнения прямой и плоскости из тем 7–8 — это ровно эти формулы в координатах.

Типичные ошибки

  • Перечислять аксиомы векторного пространства, путая 5 и 8: в 5 перемножаются скаляры, в 8 складываются.
  • Забыть аксиому 1⋅v⃗=v⃗1\cdot\vec v=\vec v: без неё умножение αv⃗≡0⃗\alpha\vec v\equiv\vec 0 удовлетворяло бы остальным.
  • Путать линейное подпространство (обязательно содержит 0⃗\vec 0) и аффинное (сдвинутое на P0P_0, например прямая не через начало координат).