Suma prosta przestrzeni liniowych

Z testwiki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Suma prosta przestrzeni liniowych – przestrzeń liniowa V powstała poprzez pewnego rodzaju sumowanie przestrzeni liniowych (Vi)iI:

V=iIVi.

To jakiego rodzaju jest to sumowanie zależy od kontekstu. W przypadku gdy I={1,2,,n} piszemy również

V=V1Vn.

Przykładowo n może być uważane za sumę prostą

n=

n kopii .

Suma prosta to z jednej strony narzędzie analizowania przestrzeni liniowych, a z drugiej strony – bardzo wygodny sposób konstruowania nowych przestrzeni liniowych.

Zewnętrzna suma prosta

Definicja

Szablon:Zobacz też Niech I będzie dowolnym zbiorem. Załóżmy, że mamy daną rodzinę przestrzeni liniowych (Vi)iI nad tym samym ciałem K. Rozpatrzmy funkcje postaci

f:IiIVi

takie, że f(i)Vi. Nośnikiem f nazwiemy zbiór

suppf:={iI; f(i)0}.

Zbiór funkcji tej postaci o skończonym nośniku nazywamy (zewnętrzną) sumą prostą przestrzeni liniowych Vi, iI i oznaczamy

iIVilubiIVi.

Uwagi do definicji

(1) Elementy zbioru I interpretujemy jako indeksy.

(2) Gdy I= to elementami iVi są nieskończone ciągi postaci

(v1,v2,v3,),

gdzie viVi, które mają jednakowoż skończoną liczbę niezerowych wyrazów.

(3) Gdy I={1,2,,n} to elementami iIVi są skończone ciągi postaci

(v1,v2,,vn).

Piszemy wówczas także

V1Vn=iIVi.

(4) (Zewnętrzna) suma prosta to bardzo wygodny sposób konstruowania nowych przestrzeni liniowych (patrz: Struktura przestrzeni liniowej).

Struktura przestrzeni liniowej

W (zewnętrznej) sumie prostej iIVi możemy wprowadzić strukturę przestrzeni liniowej definiując działania punktowo

(f+g)(i):=f(i)+g(i)
(αf)(i):=αf(i)

dla f,giIVi, αK.

Gdy elementy iIVi są ciągami (skończonymi lub nie) to sprowadza się to do dodawania wyrazów ciągów:

(v1,v2,)+(w1,w2,)=(v1+w1,v2+w2,)

i do mnożenia ich przez skalar:

α(v1,v2,)=(αv1,αv2,).

Wewnętrzna suma prosta

Definicja

Niech V będzie przestrzenią liniową. Jeżeli V1,V2,,Vk są podprzestrzeniami liniowymi przestrzeni V takimi, że każdy wektor vV można przedstawić jednoznacznie w postaci sumy

v=v1+v2++vk

gdzie viVi to mówimy, że V jest (wewnętrzną) sumą prostą podprzestrzeni liniowych V1,,Vk i piszemy

V=V1Vk[1].

Uwagi

(1) Podział danej przestrzeni na sumy proste pozwala klasyfikować jej elementy – jeżeli dany wektor należy do podprzestrzeni Vi, to wyraża się całkowicie za pomocą wektorów bazy tej podprzestrzeni.

(2) Podział przestrzeni na podprzestrzenie tworzące sumę prostą przestrzeni nie jest unikalny – istnieje zazwyczaj wiele możliwych podziałów przestrzeni liniowej na sumy proste.

Izomorfizm zewnętrznej i wewnętrznej sumy prostej

Załóżmy, że przestrzeń liniowa V nad ciałem K jest przedstawiona w postaci wewnętrznej sumy prostej

V=V1iiVn.

Utwórzmy zewnętrzną sumę prostą podprzestrzeni V1,,Vn:

V1eeVn.

V i V1eeVnizomorficzne. Oznacza to, że zewnętrzna i wewnętrzna suma prosta są w istocie tym samym i pozwala mówić po prostu o sumie prostej.

Dowód. Zdefiniujmy homomorfizm φ:V1eeVnV. Homomorfizm przestrzeni liniowych U i W nad ciałem K to funkcja ϕ:UW taka, że

ϕ(αu1+βu2)=αϕ(u1)+βϕ(u2)

dla dowolnych u1,u2U, α,βK. Zdefiniujmy φ wzorem

φ(v1,,vn):=v1++vn.

Mamy

φ(αx+βy)=αφ(x)+βφ(y)

dla dowolnych x,yV1eeVn, α,βK, a zatem φ jest homomorfizmem.

Zdefiniujmy funkcję ψ:VV1eeVn wzorem

ψ(v)=ψ(v1++vn):=(v1,,vn),

gdzie v1++vn to z definicji wewnętrznej sumy prostej jedyne takie przedstawienie wektora v, że viVi. Dla u=u1++un i v=v1++vn utwórzmy sumę αu+βv. Z definicji wewnętrznej sumy prostej istnieje tylko jedno przedstawienie

αu+βv=w1++wn

takie, że wiVi.

αu+βv=(αu1+βv1)++(αun+βvn)

jest takim przedstawieniem, a zatem jest jedyne. Wynika z tego, że

ψ(αu+βv)=ψ((αu1+βv1)++(αun+βvn))=(αu1+βv1,,αun+βvn)=αψ(u)+βψ(v).

A zatem ψ:VV1eeVn jest homomorfizmem.

Złożenia φ i ψfunkcjami identycznościowymi:

(φψ)(v)=v,(ψφ)(u)=u

dla vV i uV1eeVn. Oznacza to z definicji funkcji odwrotnej, że φ i ψ są funkcjami wzajemnie odwrotnymi

ψ=φ1,

a zatem φ jest izomorfizmem V=V1iiVn i V1eeVn.

Twierdzenie o rozkładzie na sumę prostą

Jeżeli V1 jest podprzestrzenią liniową przestrzeni V to zawsze istnieje taka podprzestrzeń V2, że

V=V1V2.

W algebrze liniowej, podprzestrzenie V1 i V2 nazywane są podprzestrzeniami (wzajemnie) komplementarnymi.

Przykłady

Przykład 1: Suma prosta w przestrzeni funkcji

Niech V oznacza przestrzeń liniową wszystkich funkcji rzeczywistych określonych w zbiorze liczb rzeczywistych. Niech Vn,Vp będą zdefiniowane jako:

Dowolną funkcje f można przedstawić jako sumę f(x)=f(x)+f(x)2+f(x)f(x)2,

gdzie pierwszy składnik jest funkcją parzystą, drugi zaś nieparzystą. Rozkład ten jest jednoznaczny.

Dowód (niewprost)

Załóżmy, że daną funkcje daje się rozłożyć na dwa sposoby na sumę funkcji parzystej i nieparzystej. Czyli mamy:

f=p1+n1=p2+n2

lub równoważnie

n1n2=p2p1.

Prawa strona jest funkcją parzystą (różnica parzystych jest parzysta) zaś lewa – nieparzystą. Jedyną funkcją która jest jednocześnie parzysta i nieparzysta jest funkcja stale równa zero. Oznacza to że

p1=p2 oraz n1=n2,

co prowadzi nas do sprzeczności z przyjętym założeniem, cdn.

Ponieważ każdą funkcję można jednoznacznie przedstawić za pomocą sumy funkcji parzystej i nieparzystej, to oznacza że przestrzeń funkcji można przedstawić jako sumę prostą funkcji parzystych i nieparzystych:

V=VpVn.

Przykład 2: Suma prosta w przestrzeni macierzy kwadratowych

W przestrzeni liniowej V macierzy n×n każdą macierz można przedstawić jako sumę macierzy symetrycznej i antysymetrycznej, tzn.

A=Asym+Aantysym,

gdzie:

ATmacierz transponowana macierzy A,
Asym=12(A+AT) – macierz symetryczna,
Aantysym=12(AAT) – macierz antysymetryczna.

Macierze symetryczne tworzą podprzestrzeń Vsym przestrzeni liniowej V macierzy, gdyż:

a) suma macierzy symetrycznych jest macierzą symetryczną,

b) iloczyn macierzy symetrycznej przez skalar daje macierz symetryczną.

Podobnie, macierze antysymetryczne tworzą podprzestrzeń Vantysym przestrzeni V.

Ponieważ każdą macierz przestrzeni V da się jednoznacznie rozłożyć na macierz symetryczną i antysymetryczną, to całą przestrzeń można przedstawić jako sumę prostą

V=VsymVantysym.

Np. dla macierzy

A=[124046008]

macierz transponowana, symetryczna i antysymetryczna mają postacie

AT=[100240468], Asym=[112143238], Aantysym=[012103230].

Przykład 3: Suma prosta w przestrzeni tensorowej

Przestrzeń liniowa utworzona z tensorów II rzędu (tzw. przestrzeń tensorowa) może być przedstawiona jako suma prosta przestrzeni tensorowej tensorów symetrycznych i przestrzeni tensorowej tensorów antysymetrycznych. Np. w reprezentacji macierzowej dowolny tensor II rzędu jest reprezentowany przez macierz n×n, gdzie n – wymiar przestrzeni liniowej, na której określono pole tensorowe. Macierz tę można zawsze przedstawić jako sumę macierzy symetrycznej i antysymetrycznej.

Przykład 4: Przestrzeń wektorowa n-wymiarowa

Niech V oznacza przestrzeń wektorową 3-wymiarową (ogólnie: n-wymiarową). W przestrzeni tej można wprowadzić podział na sumy proste następująco:

  • wybiera się bazę przestrzeni V (możliwych baz jest nieskończenie wiele),
  • zbiór wektorów B={e1,e2,e3} bazy dzieli się na rozłączne podzbiory; np. dla zbioru 3-elementowego mamy możliwe podziały bazy:
    P1={{e1},{e2,e3}},
    P2={{e2},{e3,e1}},
    P3={{e3},{e1,e2}},
    P4={{e1},{e2},{e2}}.

Każdy z podziałów bazy na podzbiory wyznacza jeden z możliwych sposobów podziału przestrzeni V na sumę prostą podprzestrzeni – bazami tych podprzestrzeni są poszczególne podzbiory bazy w danym podziale. W podanym przykładzie mielibyśmy 4 możliwe podziały na sumy proste, których bazami byłyby podane wyżej podzbiory bazy B={e1,e2,e3}:

V=V1V23,
V=V2V31,
V=V3V12,
V=V1V2V3.

Dla przestrzeni n-wymiarowej – przy dużej wartości n – możliwych podziałów byłoby bardzo dużo.

Suma prosta w analizie funkcjonalnej

Szablon:Osobny artykuł W analizie funkcjonalnej, suma prosta podprzestrzeni V1 i V2 danej przestrzeni liniowo-topologicznej X oznacza sumę prostą

X=V1V2.

przy założeniu, że V1 i V2domknięte (czasami dla odróżnienia, mówi się o topologicznej sumie prostej). Jeśli V1 jest domkniętą podprzestrzenią przestrzeni liniowo-topologicznej X (np. przestrzeni Banacha X), to na ogół, nie istnieje komplementarna do niej podprzestrzeń V2 (tutaj definicję komplementarności zawęża się o wymaganie domkniętości obu podprzestrzeni). W przypadku, gdy X jest przestrzenią Hilberta, to twierdzenie o rzucie ortogonalnym gwarantuje, że dla każdej jej domkniętej podprzestrzeni V1 jej dopełnienie ortogonalne V1 stanowi rozkład na (topologiczną) sumę prostą, tzn.

X=V1V1.

Własność ta (tzn. własność istnienia podprzestrzeni komplementarnej do każdej domkniętej podprzestrzeni) charakteryzuje przestrzenie Hilberta w klasie przestrzeni Banacha.

Suma prosta odwzorowań

Dla pary odwzorowań między przestrzeniami liniowymi Vi i Wi, i=1,2

φ1:V1W1,
φ2:V2W2,

definiuje się ich sumę prostą

φ1φ2:V1V2W1W2

wzorem

(φ1φ2)(v1,v2)=(φ1(v1),φ2(v2)).

Analogicznie definiuje się sumę prostą dowolnej liczby odwzorowań: Jeżeli Vi,Wi są przestrzeniami liniowymi nad tym samym ciałem oraz

φi:ViWi,iI,

to wzór

(iIφi)((xi)iI)=(φ(xi))iI,(xi)iIiIVi

definiuje przekształcenie

iIφi:iIViiIWi

nazywane sumą prostą rodziny odwzorowań (φi)iI.

Suma prosta przestrzeni Banacha

Jeżeli {Xi:iI} jest rodziną przestrzeń Banacha, to w (algebraicznej) sumie prostej

iIXi.

nie da się w naturalny sposób zdefiniować normy, która byłaby w istotny sposób związana z normami poszczególnych przestrzeni Xi, a uzyskana przestrzeń unormowana byłaby zupełna (poza szczególnym przypadkiem, gdy zbiór I jest skończony). W sytuacji ogólnej musimy rozpatrywać uzupełnienie algebraicznej sumy prostej – jest to procedura którą intuicyjnie można opisać jako dołożenie do niej granic ciągów Cauchy’ego. Na algebraicznej sumie prostej można zadać wiele nierównoważnych norm – prowadzi to powstania wielu różnych sposobów określania sumy prostej.

c0-suma przestrzeni Banacha

Jeżeli {(Xn,n):n} jest (przeliczalną) rodziną przestrzeni Banacha, to podprzestrzeń

XnXn

tych ciągów (xn)n, dla których

limnxnn=0

jest przestrzenią Banacha z normą

(xn)n=sup{xnn:n}.

Podprzestrzeń X nazywana jest czasem c0 sumą rozważanej wyżej rodziny przestrzeni Banacha i oznaczana jest symbolem

X=(nXn)c0.

Analogicznie definiuje się sumy typu c0(I), gdzie I jest dowolnym, nieprzeliczalnym zbiorem indeksów.

lp-suma przestrzeni Banacha. Suma prosta przestrzeni Hilberta

Jeżeli {(Xi,i):iI} jest rodziną przestrzeni Banacha oraz 1p<, to podprzestrzeń

XiIXi

złożona z tych elementów (xi)i dla których co najwyżej przeliczalnie wiele wyrazów xi jest niezerowych oraz szereg

iIxiip,

jest zbieżny, jest przestrzenią Banacha z normą

(xi)ip=(iIxiip)1p.

Przestrzeń X nazywana jest p-sumą rodziny {Xi:iI} i oznaczana symbolem

X=(iIXi)p.

Jeżeli p i q są dowolnymi liczbami z przedziału [1,), to normy w p – i q-sumie skończenie wielu przestrzeni Banacha są równoważne.

W przypadku, gdy wszystkie przestrzenie Xiprzestrzeniami Hilberta, to ich 2-suma jest również przestrzenią Hilberta. W teorii przestrzeni Hilberta, przestrzeń ta nazywana jest po prostu suma prostą przestrzeni Hilberta (dolny indeks 2 w oznaczeniu najczęściej pomija się). Iloczyn skalarny elementów (xi)i i (yi)i w sumie prostej spełnia warunek

(xi)i,(yi)i=iIxi,yii.

Pojęcie p-sumy skończenie wielu przestrzeni Banacha pochodzi od Banacha[2]. Przypadek przeliczalnie wielu przestrzeni Banacha rozważał Day[3], natomiast przypadek ogólny został zdefiniowany przez Kakutaniego[4].

Suma prosta operatorów ograniczonych

Jeżeli (Ti)iI jest rodziną operatorów jednakowo ograniczonych między przestrzeniami Banacha, odpowiednio, Xi i Yi, tj.

supiITi<,

to dla ustalonego p1 definiuje się analogicznie jak w przypadku ogólnych przestrzeni liniowych p-sumę rodziny (Ti)iI, tj. operator

(iITi)p:(iIXi)p(iIYi)p,

zastępując pojęcie sumy prostej pojęciem p-sumy. W szczególności, p-suma operatorów ograniczonych jest operatorem ograniczonym oraz

(iITi)p=sup{Ti:iI}.

Jeżeli Xi,Yi są przestrzeniami Hilberta, to 2-sumę operatorów Ti nazywa się sumą prostą operatorów na przestrzeniach Hilberta.

Zobacz też

Przypisy

Szablon:Przypisy

Bibliografia

Linki zewnętrzne

and applications]

Szablon:Kontrola autorytatywna