矩陣論(一)——線性空間


自從人類有了語言,我們喜歡給每一個東西起一個適合它的名字,也就是定義
太陽、Yuki、Yuki的寵物小魚Bong,這種定義方式具體地命名了每個唯一存在的事物
但是有時候,教導主任忘記了眼前的學生是Yuki還是Jane,於是就喊“同學,你下課來一下我這里”;Jane超級喜歡Yuki的寵物小魚,卻也並不說Bong很可愛,而是說“Yuki,你的這些金魚真可愛!”;Yuki在跟Jane欣賞漫天星瀚的時候,也並不會說那個巴拉巴拉星好亮,而是說“夏天的星星果然是好亮啊”:這時,“同學”“金魚”和“星星”就不再是指一個事物了,它往往是一類滿足相同規則特征的事物的統稱
類似地,在一種更抽象的語言——數學中,我們自然更靈活地使用着第二種方式。我們把同樣一類具有相同本質的東西提取出來,找到能夠最小標識它們的明顯屬性,來確定這個的定義。同時,我們經過研究,也會發現這類事物還有其他的共同點,得到一系列推論

當然,事物會進行operation:水從ocean蒸發成vapor,被氣流帶到陸地上空,凝結為rain和snow等落到地面,還會變成vapor,其余部分成為river,最終回歸ocean。
在水的operation中,它不管是變成了潔白無瑕的聖雪,還是變成了臟兮兮的污水,不管怎么變,它還是那個water,不多也不少。它做着符合一定規則的運算,最后得到的還是滿足定義的元素,所有這些元素組成的集合我們稱為一個空間

線性代數研究的是線性空間下的規律,什么是線性空間?就是在某個數域下,“加法”和“數乘”運算滿足以下八個規律的元素(向量)的集合:

  1. α+β=β+α,對任意α,β∈V.
  2. (α+β)+γ=α+(β+γ),對任意α,β,γ∈V.
  3. 存在一個元素0∈V,對一切α∈V有α+0=α,元素0稱為V的零元素.
  4. 對任一α∈V,都存在β∈V使α+β=0,β稱為α的負元素,記為-α.
  5. 對P中單位元1,有1α=α(α∈V).
  6. 對任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).
  7. 對任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.
  8. 對任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ.

注意:這里的“加法”和“數乘”並不是我們認為的加法和乘法,它可以是任何一種運算;“向量”也不是初中的簡單向量,它可能是多維的,也可能它的元素根本不是一個數,而是多項式、向量、矩陣,甚至其他更復雜的東西。

在我看來,我所學習的知識空間,恰好就是一個線性空間:一個個小小的知識之間有着共同的本質,有着千絲萬縷的運算聯系。或許兩個一加,便是另一個新的知識,靠着努力拾級而上;兩個一乘,迸出躍進式的新的火花,量變就成了質變。等價的珍寶啊,完美地形成它小小的閉合世界,不僅是從此到彼,回過頭來也是一樣地正確真實。若是出現了原來沒有的新知識,便是通過增加了新的線性無關的元素,從原來的線性子空間張成了一個更大的線性子空間。若是能很好地閉合,那么空間完美和滿;若是出現缺漏,就需要找到問題的key——一個或多個基的組合,重新達到完滿。不斷地閉合而豐富,多元而嚴謹,足夠抽象神秘地誘引着我探索終身。


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