关于直和的思考

直和是什么东西?

首先,我们说$V$的两子空间$A$,$B$的和$A+B$为$\{v_a+v_b$$|v_a\in A,$$v_b\in B\}$,然后$A+B$若为直和,则对于$\forall v\in A+B$,存在唯一的$v_a\in A$,$v_b$$\in B$使得$v=v_a+v_b$,此时记为$A\oplus B$。
首先要知道任意一个和空间必然是线性空间,它还是包含$A\cup B$的最小子空间。设想有一个线性空间,想要包含$A\cup B$,不管怎么说,你起码得包含两个子空间中的所有元素吧?满足了这个条件之后,你必得满足封闭性,$A\cup B$中任何两个元素进行加和,某元素进行数乘,必须封闭。如此,你自然推出,该线性空间被包含于和空间中。再,因为和空间亦包含于该线性空间,自然有和空间最小。
和空间还有一性质,就是拆分方式唯一。抽象地说,这个性质不是和基生成的线性空间类同吗?只不过原来是有唯一的向量,现在是有唯一的属于某集合的向量。

  • 两子空间的也是一个线性空间。对照起来看,既然都能造成线性空间,这两个操作还都是二元操作。你现在手上就有两把利刃,足够把一个线性空间分筋错骨,剔出它的子空间来,对子空间之间的联系看得洞若观火。

    怎么判断直和?

    一个和空间,固然是一个线性空间,不过是不是直和还有待商榷。以下罗列姚强讲过的四种刻画:

    1. 存在唯一的向量$v_1,v_2$使得$0$=$v_1+v_2$。
    2. 存在唯一的向量$v_1,v_2$使得和空间中某个向量$r$=$v_1+v_2$。
    3. $V_1\cap V_2$=$\{0\}$
    4. $dim(V_1+V_2)$=$dim(V_1)$+$dim(V_2)$

诸刻画都有些有趣之处。像第一二条,本来直和要求所有向量拆分唯一,这里直接将其化约到了某一向量拆分唯一。我讲不出来它的秘密所在,不过任何人只要看看就明白了——这种举重若轻的魔力肯定会发挥大作用;三很显然:你拆分方式都唯一了,两集合必然没有任何部分能互相替代,唯一相同只在于所有线性空间共有的零向量了。
四由和空间的维数公式可得,这公式和容斥原理形貌相同,论证都有共通之处。不过和空间的维数公式得从基这方面来考察,来证明。

推广

和空间可以无穷加下去,以子空间为单位建立一种类似于基的“大”空间。

一个有趣的例子

设$V=P^n$,$A\in P^{n\times n}$,满足$A^2=A$。
设:
$V_1=\{x\in P^n|Ax=0\}$
$V_2=\{x\in P^n|(A-I)x=0\}$
得证$V=V_1\oplus V_2$

这个例子有意思就在于$V_1$是零空间,$V_2$是特征向量空间。就是说任何一线性变换, 要是满足幂等阵条件,对于所有向量,它要么把人家化约回零点,要么保持人家不变。

  • 此外我才发现特征向量必可成一子空间。

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