Vektortér
A vektortér, más néven lineáris tér a lineáris algebra egyik legalapvetőbb fogalma, amelyhez a geometriában (is) használt vektor fogalmának általánosítása vezet. A vektorokkal végezhető műveletek legelemibb tulajdonságait axiomatikusan definiálja, ezáltal egy algebrai struktúra-típus keletkezik. A lineáris tér a mi szokásos síkunk és terünk általánosítása többdimenziós terekre. Jelentősége nem csupán elméleti, a fizikában, informatikában, a komputergrafikában, számos más elméleti és alkalmazott tudományágban; nemkülönben a matematika számos területén fontos szerepet játszik.
Formális definíció
[szerkesztés]Legyen F egy test. Egy V nemüres halmazt vektortérnek nevezünk az F test felett, ha
- V halmazon értelmezve van egy összeadás nevű művelet, V × V → V függvény, ∀ u, v ∈ V elempárhoz hozzárendel egy és csak egy V-beli elemet (u+v), valamint
- F és V között értelmezve van egy skalárral való szorzás nevű művelet, F × V → V függvény, ∀ λ ∈ F és v ∈ V elempárhoz egyértelműen hozzárendel egy V-beli elemet (λv),
úgy, hogy az alábbi azonosságok, úgynevezett vektortér-axiómák teljesülnek:
- V az összeadásra nézve kommutatív csoportot, Abel-csoportot alkot, azaz az összeadás:
- asszociatív: ∀ u, v, w ∈ V: u + (v + w) = (u + v) + w.
- kommutatív: ∀ u, v ∈ V: u + v = v + u.
- létezik neutrális elem: 0 ∈ V, V nullvektora: v + 0 = v, ∀ v ∈ V.
- invertálható: ∀ v ∈ V: ∃ olyan -v ∈ V additív inverz: v + (-v) = 0.
- Skalárral való szorzás disztributivitási szabályai:
- ∀ λ ∈ F és u, v ∈ V: λ(u + v) = λu + λv. (disztributivitási szabály)
- ∀ λ, μ ∈ F és v ∈ V: (λ + μ)v = λv + μv.(disztributivitási szabály)
- ∀ λ, μ ∈ F és v ∈ V: λ(μv) = (λμ)v. (asszociativitási szabály)
- ∀ v ∈ V: 1v = v, ahol 1 az F test egységeleme.
Formálisan tehát úgy definiálhatjuk a vektortereket, figyelembe véve, hogy egy test,
az F feletti vektortér egy algebrai struktúra, a következő formában
úgy, hogy
- Abel-csoport,
- skalárral való szorzás, melyre teljesülnek a fent említett disztributivitási szabályok.
Ekkor a V vektortér struktúráját a következőképpen is jelölhetjük
V elemeit vektoroknak, F elemeit skalároknak nevezzük.
Megkülönböztetünk úgynevezett speciális vektortereket is, amelyeken még egyfajta szorzás is értelmezett.
Ilyenek például a skaláris szorzattal ellátott euklideszi terek.
Elemi tulajdonságok
[szerkesztés]V Abel-csoport
[szerkesztés]- nullvektor és az additív inverz unicitása,
- bármely u,v,w,t ∈ V: az u+x = v, és y+w = t egyenletek egyértelműen megoldhatók V-ben x és y-ra,
- összeadás asszociativitása és kommutativitása miatt többtagú összegek esetén a zárójelezés és a tagok sorrendje is tetszőlegesen megváltoztatható.
További következmények
[szerkesztés]- bármely λ ∈ F: λ0 = 0,
- bármely v ∈ V: 0v = 0, ahol 0 az F test nulleleme,
- bármely v ∈ V: (-1)v = -v, ahol -1 az F test egységelemének additív inverze,
- ha λv = 0, akkor λ = 0 vagy v = 0.
- (-λ)v = -(λv) = λ(-v)
Példák
[szerkesztés]A lineáris tér egy nagyon általános fogalom, rengeteg példa van rá a matematikában. Nagyon sok olyan matematikai fejezetben is megjelenik, amit szerteágazóan alkalmaznak a fizika számos területén, például a funkcionálanalízis vagy éppen a differenciálgeometria, hogy csak néhányat említsünk.
- a közönséges síkbeli és térbeli, origóból kiinduló vektorok a valós test felett a szokásos vektorösszeadásra és skalárral való szorzásra nézve,
- a valós szám n-esek felett, a komplex szám n-esek felett, és
- általában F n, F felett (F tetszőleges test), a szokásos módon értelmezett, komponensenként végzett műveletekre; ezeket a vektorokat általában oszlopvektorként ábrázolják,
- F n × k, F felett, azaz az n×k-as mátrixok F test felett, a mátrixok szokásos, komponensenkénti összeadására és skalárral való szorzására nézve.
- F [x], azaz az F feletti polinomok, F felett, a polinomok összeadására és skalárral való szorzására nézve,
- a legfeljebb n-edfokú polinomok F felett,
- valós számsorozatok a valós test felett a szokásos műveletekre,
- az intervallumon folytonos -be képező függvények a valós test felett, a szokásos pontonkénti összeadásra, és skalárral való szorzásra nézve,
- az intervallumon Riemann-integrálható -be képező függvények a valós számok teste felett, a szokásos pontonkénti összeadásra, valamint a skalárral való szorzásra nézve,
- a komplex számok a valós test felett, a komplex számok körében értelmezett műveletekre,
- a komplex számok a komplex számok teste felett,
- a valós számok a valós számok teste felett,
- a komplex számok a valós számok felett,
- a valós számok a racionális számok felett,
- általában, testbővítés esetén a bővebb test a szűkebb felett,
- a valószínűségi változók a szokásos összeadásra és skalárral való szorzásra nézve,
- az euklideszi sík, illetve tér eltolásai, hiszen az eltolások egymás utáni végzése megfelel a vektorok összeadásának, és a skalárszoros eltolás megfelel az eltolásvektor skalárszorosának. A nullelem az identitás, aminek megfelelője a nullvektor.
Lineáris altér
[szerkesztés]Egy F test feletti V vektortér egy nemüres W ⊆ V részhalmazát altérnek nevezzük V-ben, ha W maga is vektortér ugyanazon F test felett ugyanazokra a V-beli vektorműveletekre, precízebben ezeknek a műveleteknek W-re történő megszorításaira nézve. Jelölése W ≤ V. Mivel W vektortér, azért tartalmazza a nullvektort.
Minden vektortér tartalmazza önmagát és a csak nullvektorból álló vektorteret. Minden altér előáll a másik vektortér képeként úgy, hogy egy lineáris leképezés leképez egy másik vektorteret a tartalmazó vektortérbe; és magtérként is úgy, hogy egy lineáris leképezés leképezi a tartalmazó vektorteret egy másik vektortérbe. Ekvivalenciaosztályok képzésével egy vektortérből és alteréből hányadostér, más néven vektortér állítható elő; ami összefügg az altérnek azzal a tulajdonságával, hogy előáll képként, lásd homomorfizmustétel.
Lineáris leképezések
[szerkesztés]A lineáris leképezések egy vektorteret egy másikba képeznek a struktúra megtartásával. Az univerzális algebra szerint homomorfizmusok a vektorterek között. Egy ugyanazon test fölött definiált vektorteret vektortérbe vivő függvény lineáris leképezés, ha minden és minden esetén:
Ekkor kompatibilis a struktúrákkal, amelyek a vektorteret felépítik: az összeadással és a skalárral szorzással. Két vektortér izomorf, ha van köztük bijektív lineáris leképezés, vagyis van inverz függvény. Ez az inverz függvény automatikusan lineáris. Az izomorf vektorterek nem különböznek egymástól struktúrájukban.
Lineáris kombináció
[szerkesztés]V vektortér v1, v2, …, vk tetszőleges vektorai és
λ1, λ2, …, λk ∈ F skalárok.
Ekkor a ∈ V vektort a vi vektorok, λi skalárokkal képzett lineáris kombinációjának nevezzük.
Lineáris függetlenség
[szerkesztés]Egy V vektortér véges sok vektoráról akkor mondjuk, hogy lineárisan függetlenek, ha lineáris kombinációjuk csak úgy lehet a nullvektor, ha mindegyik skalár szükségképpen 0. Végtelen sok vektor lineáris függetlenségén azt értjük, hogy közülük bármely véges sok lineárisan független. A v1,…,vn ∈ V vektorok lineárisan összefüggőek, ha lineárisan nem függetlenek, tehát
nem mind nulla skalár, azaz közülük legalább egy nem nulla, hogy
Lineáris burok
[szerkesztés]Néhány vektor lineáris burka az a vektorhalmaz, ami előáll a vektorok lineáris kombinációjaként. Ez egy altér, és a legkisebb vektortér, ami a vektorokat tartalmazza.
Bázis
[szerkesztés]A bázis a lineáris algebrában egy olyan vektorhalmazt jelent, mely vektorainak lineáris kombinációi reprezentálják egy megadott vektortér valamennyi vektorát, valamint e vektorhalmaz semelyik eleme sem fejezhető ki a többi elem lineáris kombinációjával.
Tehát bázison lineárisan független generátorrendszert értünk.
Feltéve a kiválasztási axiómát, a Zorn-lemma biztosítja, hogy minden vektortérnek van bázisa. A Zermelo-Frankel axiómarendszerben ez az állítás ekvivalens a kiválasztási axiómával.
Ha egy vektort kifejezzük egy generátorrendszer elemeinek lineáris kombinációjaként, akkor a lineáris kombinációban szereplő skalárok a vektor koordinátái az adott bázisban. Egy generátorrendszerben a vektortér minden vektora kifejezhető koordinátákkal; azonban, ha a generátorrendszer nem lineárisan független, akkor ez nem egyértelmű; viszont egy bázisban a koordináták már egyértelműek. Ez megkönnyíti a számításokat, mivel a vektorok helyett koordinátavektorok használhatók.
Dimenzió
[szerkesztés]Ha adott egy V vektortér, akkor minden bázisának elemszáma, számossága ugyanaz. Ez a számosság a V vektortér dimenziója. Ha a vektortérnek nincs véges generátorrendszere, akkor dimenziója végtelen. A 0 tér dimenziója: 0.
Két, azonos test fölötti vektortér akkor és csak akkor izomorf, ha dimenziójuk megegyezik. Ez lehetővé teszi, hogy a vektorterek bázisainak elemei megfeleljenek egymásnak, ami kiterjeszthető lineáris leképezéssé; így a véges vektorterek közötti lineáris leképezések mátrixszal ábrázolhatók.
Vektorterek izomorfizmusa
[szerkesztés]Definíció
[szerkesztés]Két vektortér, V1 és V2 izomorf egymással, ha létezik egy kölcsönösen egyértelmű, injektív lineáris (homogén) leképezés V1-ből V2-re.
Azaz
- lineáris leképezés bijektív.
A vektorterek halmazán az izomorfia meghatároz egy osztályozást. Ez az osztályozás a halmazt diszjunkt részhalmazok uniójára bontja fel.
Két vektortér akkor és csak akkor kerül ugyanabba az osztályba, ha izomorf.
E reláció reflexív, szimmetrikus és tranzitív, vagyis az izomorfia ekvivalenciareláció.
Magtér, képtér
[szerkesztés]Ha tetszőleges lineáris leképezés, akkor a magtér és a képtér
Megjegyzés: a magtér a V, a képtér a W vektortér altere.
Tulajdonságok
[szerkesztés]Véges dimenziós vektorterek tulajdonságai
- Egy lineáris leképezés akkor és csak akkor izomorfizmus, ha
- Ha V vektortér F felett, valamint
- Ugyanazon F test feletti véges dimenziós vektorterekre fennáll:
Dimenziótétel
[szerkesztés]A dimenziótétel azt állítja, hogy tetszőleges lineáris leképezés képterében illetve magterében lévő bármely lineáris független generátorrendszer összelemszáma a kiindulási vektortér dimenziójával egyenlő. Formálisan
V1 és V2, két tetszőleges, véges dimenziós vektortér ugyanazon F test felett, továbbá tetszőleges lineáris leképezés V1-ből V2-be. Ekkor
Műveletek vektorterekkel
[szerkesztés]Homomorfizmus
[szerkesztés]Az algebrában egy struktúra egy másikra vett leképezése homomorfizmus, ha megtartja az adott struktúrán végezhető műveleteket. Például vektortér esetén ez azt jelenti, hogy a leképezés megőrzi az összeadást és a skalárral szorzást. Legyenek , vektorterek az test fölött; ekkor homomorfizmus, ha minden és minden esetén:
ami éppen a lineáris leképezés definíciója.
Faktortér
[szerkesztés]V egy tetszőleges vektortér F felett, és U egy tetszőleges altere V-nek. A
halmazok, ahol v befutja az egész vektorteret, diszjunkt részhalmazok uniójára bontják V-t, ugyanis ha
akkor és diszjunkt, ha akkor
Definiálunk két műveletet e halmazok körében
Az ily módon definiált műveletek egyértelműek, mivel
Így egy vektorteret kaptunk, melyet a V vektortér U altere szerinti faktorterének nevezünk, vagy röviden a faktortér, szokás hányadosterének is nevezni.
A faktortér elemei a vektorhalmazok, az additív egységelem a
Direkt összeg
[szerkesztés]Ha vektorterek ugyanazon test fölött, akkor direkt összegük az a vektortér, melynek elemei úgy képződnek, hogy az első komponens az első, a második komponens a második vektortér eleme:
A vektorokat komponensenként adjuk össze és a skalárral szorzást is komponensenként végezzük. A vektortér dimenziója a tagok dimenziójának összege. Az összeg elemeit helyett írják úgy is, mint . A direkt összeg általánosítható véges és végtelen tagra is; utóbbi esetén csak véges sok tag különbözhet a nullvektortértől.
Direkt szorzat
[szerkesztés]Ha vektorterek ugyanazon test fölött, akkor direkt szorzatuk az a vektortér, melynek elemei úgy képződnek, hogy az első komponens az első, a második komponens a második vektortér eleme:
- .
A vektorokat komponensenként adjuk össze és a skalárral szorzást is komponensenként végezzük. A vektortér dimenziója a tagok dimenziójának összege. A direkt összeg általánosítható véges és végtelen tényezőre is; utóbbi esetben akár végtelen sok tényező is különbözhet a nullvektortértől.
Tenzorszorzás
[szerkesztés]Ha vektorterek ugyanazon test fölött, akkor tenzorszorzatukat
jelöli. A tenzorszorzat elemeinek bilineáris ábrázolása:
- ,
ahol az elemek skalárok, bázis -ben és bázis -ben. Ha vagy végtelen dimenziós, akkor csak véges sok tag különbözhet nullától. Ekkor dimenziója és dimenziójának szorzata. A tenzorszorzás is általánosítható több vektortérre.
Vektorterek további struktúrával
[szerkesztés]A matematika több alkalmazásában, például a geometriában és az analízisben van, hogy nem elegendő a vektortér struktúra, hanem még további struktúrát is feltételezni kell; így biztosítva például normát vagy határérték létezését. Például:
- euklidészi vektorterek: skalárszorzattal ellátott valós vektortér. A prehilbertterek speciális esete.
- normált tér: egy olyan vektortér, amiben a vektoroknak hossza (normája) van. Ez egy nemnegatív szám, amire teljesül a háromszög-egyenlőtlenség.
- prehilberttér: skalárszorzattal ellátott valós vagy komplex vektortér. Egy ilyen térben a vektorok hossza mellett még a vektorok szöge is definiálható. A topologikus vektortér speciális esete.
- topologikus vektortér: topologikus tér fölötti vektortér, ahol a vektorok összeadása és a skalárral szorzás folytonos műveletek.
- unitér vektortér: többnyire komplex vektortér skalárszorzattal ellátva. A prehilberttér speciális esete.
Topologikus vektorterekben kezelhető a konvergencia, a teljesség és az egyenletes konvergencia. A teljes normált terek Banach-terek, a teljes prehilbertterek Hilbert-terek.
Általánosítások
[szerkesztés]- Ha a teret test helyett gyűrű felett definiáljuk, akkor modulust kapunk. Egyes szerzők csak kommutatív gyűrűk fölött definiálnak modulusokat. A kommutatív gyűrűk fölötti modulusok az Abel-csoport és a vektortér közös általánosításai.
- Egyes szerzők a ferdetestek fölötti modulusokat is vektortérnek nevezik. Kommutativitás hiányában beszélhetünk bal- és jobbvektorterekről. Ez a helyzet összehasonlítható nem kommutatív gyűrűk fölötti modulusokkal. A cikkben megadott definíció ekkor a balvektorterekhez vezet, mivel a skalár a bal oldalon áll. A jobbvektorterek ennek tükörképi párjai, a skalár jobb oldalon jelenik meg. Több alapvető eredmény átvihető ferdetestek fölé, például bázis létezése.
- Ha test helyett féltestet veszünk, akkor félvektorteret kapunk.
- Egy másik általánosítás a vektornyaláb, ami vektorterek egy topologikus tér pontjaival paraméterezett családja.
Történeti megjegyzés
[szerkesztés]Bartel Leendert van der Waerden megjegyzi, hogy tudomása szerint az n-dimenziós vektortér fogalmát először Hermann Günther Graßmann használta 1844-ben megjelent Die lineale Ausdehnungslehre című könyvében. Implicit már korábban is használták a fogalmat.
Kapcsolódó szócikkek
[szerkesztés]Irodalom
[szerkesztés]- Bronstejn – Szemengyajev – Musiol: Matematikai kézikönyv' (TypoTeX, 2002)
- Dancs I. – Puskás Cs.: Vektorterek (Aula Kiadó, 2003)
- Sain Márton: Matematikatörténeti ABC (Tankönyvkiadó, 1978)
- Scharnitzky Viktor: Mátrixszámítás. Bolyai-könyvek sorozat (Műszaki Könyvkiadó, 1998)
- Surányi László: Algebra, testek, gyűrűk, polinomok (TypoTeX, 2004)
- Szász Gábor: Matematika II. (Nemzeti Tankönyvkiadó, 2000)
- Szendrei János: Algebra és számelmélet (Nemzeti Tankönyvkiadó, 1996)
Források
[szerkesztés]- Freud Róbert: Lineáris algebra (ELTE Eötvös Kiadó, 2004)
- Fried Ervin: Algebra I., Elemi és lineáris algebra (Nemzeti Tankönyvkiadó, 2000)
- Kuros, A. G.: Felsőbb algebra (Tankönyvkiadó, Bp., 1975)
- Praszolov, V. V.: Lineáris algebra (TypoTeX, 2005)
- Gerd Fischer: Lineare Algebra. Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-03217-0.
- R. Hartwig: Syntax, Semantik, Spezifikation - Grundlagen der Informatik Archiválva 2022. december 21-i dátummal a Wayback Machine-ben. WS 2009/2010.
Fordítás
[szerkesztés]Ez a szócikk részben vagy egészben a Vektorraum című német Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
További információk
[szerkesztés]- Encyclopedia Of Maths: Linear operator (angolul)
- MathWorld: Linear algebra (angolul)
- MathWorld: Linear transformation (angolul)
- PlanetMath: Linear algebra Archiválva 2012. június 12-i dátummal a Wayback Machine-ben (angolul)
- PlanetMath: Linear transformation Archiválva 2007. szeptember 30-i dátummal a Wayback Machine-ben (angolul)
- Wikipedia: Algebra (angolul)
- Wikipedia: Euclidean space (angolul)
- Wikipedia: Linear Map (angolul)
- Wikipedia: Linear algebra (angolul)
- Wikipedia: Normed vector space (angolul)
- Wikipedia: Topological vector space (angolul)