线性基笔记

基是线性代数中的一个概念,在 OI 有着广泛的用途。

定义

一个是一个装备了两个二元运算 $+$、$\cdot$ 的集合 $F$,其中 $+:F\times F\to F$,$\cdot:F\times F\to F$,满足以下几个条件:

  • 加法满足结合律:$\forall a,b,c\in F:(a+b)+c=a+(b+c)$;
  • 加法满足交换律:$\forall a,b\in F:a+b=b+a$;
  • 乘法满足结合律:$\forall a,b,c\in F:(ab)c=a(bc)$;
  • 乘法满足交换律:$\forall a,b\in F:ab=ba$;
  • 乘法对加法满足分配律:$\forall a,b,c\in F:a(b+c)=ab+ac$;
  • 存在加法单位元:$\exist 0\in F:\forall a\in F:0+a=a$;
  • 存在乘法单位元:$\exist 1\in F,0\ne 1:\forall a\in F:1a=a$;(要求 $0\ne 1$ 是避免出现仅有一个元素的平凡域)
  • 存在加法逆元:$\forall a\in F:\exist (-a)\in F:a+(-a)=0$;
  • 非零元素存在乘法逆元:$\forall a\in F,a\ne 0:\exist a^{-1}\in F:a^{-1}a=1$.

给定域 $F$,$F$ 上的向量空间是一个装备了两个二元运算的集合 $V$,其中 $+:V\times V\to V$,$\cdot:F\times V\to V$,满足以下几个条件:

  • 向量加法满足结合律:$\forall \mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\in V:(\mathbf u+\mathbf v)+\mathbf w=\mathbf u+(\mathbf v+\mathbf w)$;
  • 向量加法满足交换律:$\forall \mathbf u,\mathbf v\in V:\mathbf u+\mathbf v=\mathbf v+\mathbf u$;
  • 存在向量加法单位元:$\exist\mathbf 0\in V:\forall \mathbf v\in V:\mathbf v+\mathbf 0=\mathbf v$;
  • 存在向量加法逆元:$\forall \mathbf v\in V:\exist (-\mathbf v)\in V:\mathbf v+(-\mathbf v)=\mathbf 0$;
  • 标量乘法与标量的域乘法相容:$\forall a,b\in F,\mathbf v\in V:(ab)\mathbf v=a(b\mathbf v)$;
  • 存在标量乘法单位元:$\exist 1\in F:\forall \mathbf v\in V:1\mathbf v=\mathbf v$;
  • 标量乘法对向量加法的分配律:$\forall a\in F,\mathbf u,\mathbf v\in V:a(\mathbf u+\mathbf v)=a\mathbf u+a\mathbf v$;
  • 标量乘法对域加法的分配律:$\forall a,b\in F,\mathbf v\in V:(a+b)\mathbf v=a\mathbf v+b\mathbf v$.

对于域 $F$ 上的向量空间 $V$ 的一个有限子集 $S={\mathbf v1,\cdots,\mathbf v{|S|}}$,称 $\mathbf v$ 是 $S$ 的一个线性组合,当且仅当 $\exist \lambda1,\cdots\lambda{|S|}\in F:\lambda1\mathbf v_1+\cdots+\lambda{|S|}\mathbf v_{|S|}=\mathbf v$。(规定:向量 $\mathbf 0$ 是空集的线性组合)