לדלג לתוכן

הוכחות מתמטיות/אלגברה לינארית/מרחבים וקטוריים, בסיס וממד

מתוך ויקיספר, אוסף הספרים והמדריכים החופשי

משפט הממדים לתתי-מרחבים

[עריכה]

אם U,W הנם תתי-מרחבים של מרחב וקטורי V , אזי מתקיים

dim⁡(U+W)=dim⁡(U)+dim⁡(W)−dim⁡(U∩W)


הוכחה

נסמן

m=dim⁡(U),n=dim⁡(W),k=dim⁡(U∩W)

ונוכיח כי dim⁡(U+W)=m+n−k .


יהי {v1,…,vk} בסיס לחיתוך. מעצם הגדרת החיתוך, אברי הבסיס הם בלתי-תלויים לינארית הן ב-U והן ב-W .

נשלים קבוצה זו לבסיסים של U ושל W בהתאמה:

{v1,…,vk,uk+1,…,um}{v1,…,vk,wk+1,…,wn}

נסמן ב-B את האיחוד של שתי הקבוצות הנ"ל. מספר האברים ב-B הוא k+(m−k)+(n−k)=m+n−k . לכן נותר רק להוכיח כי B היא בסיס למרחב הסכום.

מהגדרת בסיס, יש להוכיח כי B קבוצה פורשת ובלתי-תלויה לינארית. תחילה נראה כי היא פורשת.

אברים בתת-המרחב U+W הם כולם מהצורה u+w , כאשר u∈U,w∈W , מעצם הגדרת מרחב הסכום.

u הוא צירוף לינארי של v1,…,vk,uk+1,…,um שכן זהו הבסיס שמצאנו עבור U .

w הוא צירוף לינארי של v1,…,vk,wk+1,…,wn שכן זהו הבסיס שמצאנו עבור W .

לפיכך, u+w הוא צירוף לינארי של אברי B . לכן B קבוצה פורשת.

כעת נוכיח כי B בלתי-תלויה לינארית. מעצם הגדרת אי-תלות לינארית, עלינו להוכיח כי הפתרון היחיד למשוואה

α1v1+⋯+αkvk+βk+1uk+1+⋯+βmum+γk+1wk+1+⋯+γnwn=0

הוא ∀i:αi=βi=γi=0 .


לאחר העברת אגפים נקבל כי:

α1v1+⋯+αkvk+βk+1uk+1+⋯+βmum=−γk+1wk+1−⋯−γnwn

האגף השמאלי הוא צירוף לינארי של אברי בסיס של U , לכן הוא שייך ל-U .

האגף הימני הוא צירוף לינארי של אברי בסיס של W ולכן הוא שייך ל-W .

לכן כל אחד מהאגפים שייך לחיתוך U∩W . לכן ניתן לכתוב את האגף השמאלי כצירוף לינארי של אברי הבסיס של החיתוך.

−γk+1wk+1−⋯−γnwn=δ1v1+⋯+δkvk

נעביר אגפים ונקבל:

δ1v1+⋯+δkvk+γk+1wk+1+⋯+γnwn=0

קיבלנו צירוף לינארי של אברי הבסיס של W ומכיון שאברי בסיס הם בלתי-תלויים לינארית מעצם הגדרתו, נובע מכך כי ∀i:δi=γi=0 .

נציב זאת לצירוף הלינארי של אברי B אשר התחלנו ממנו ונקבל:

α1v1+⋯+αkvk+βk+1uk+1+⋯+βnun=0

זהו צירוף לינארי של אברי הבסיס של U , לכן ∀i:αi=βi=γi=0 .

◼