Общее решение системы линейных уравнений.

Теорема 7.12. Размерность пространства решений однородной СЛУ равна

n-rgA.

Доказательство. Рассмотрим однородную систему линейных уравнений Ax=0. Множество решений системы не изменится, если из матрицы удалить линейно зависимые строки. Поэтому, можно считать, что число строк матрицы A совпадает с её рангом. Пусть J – множество номеров столбцов матрицы A, в которых расположен максимальный не нулевой минор, T – остальное множество номеров столбцов. Систему уравнений можно записать в виде , где  подматрица матрицы A расположенная в столбцах с номерами из J,  - вектор, образованный компонентами x с номерами из J. Обозначим столбец, у которого все компоненты равны 0, кроме i-ой, равной 1, через . Вектор ,  является решением системы линейных уравнений. Обозначим этот вектор через  (). Система векторов  является линейно независимой, так как в строках с номерами из T расположена единичная матрица, определитель которой не равен 0. Пусть y - произвольное решение системы линейных уравнений, тогда , и, учитывая равенство  выводим  и, значит, . Поскольку произвольное решение системы линейных уравнений является линейной комбинацией линейно независимой системы векторов , то эта система векторов является базисом и размерность подпространства решений равна n-rgA.

Позднее будет показано, что любое подпространство может быть задано некоторой СЛУ.

Теорема 7.13 Общее решение неоднородной системы линейных уравнений равно сумме частного решения и общего решения соответствующей однородной системы линейных уравнений.

Доказательство. Очевидно.

Множество решений системы линейных уравнений (не однородной) называется линейным многообразием.

Двойственное пространство

Пусть V – линейное пространство над полем P. Линейной формой (функцией) над V называется функция, удовлетворяющая условиям

1. 
2. 

Свойство 7.3 Линейная форма определена своими значениями на базисных векторах.

Доказательство. Пусть  базис V. Вектор x из V разложим по базису . Тогда .

На множестве линейных форм определим операции сложения  и умножения на скаляр .

Свойство 7.4 Множество линейных форм образует линейное пространство

Доказательство. Проверим все аксиомы векторного пространства.

Определение 7.14 Пространство линейных форм называется двойственным к исходному пространству.

Свойство 7.5 Двойственное пространство изоморфно исходному.

Доказательство. Для доказательства достаточно показать совпадение размерностей исходного и двойственного пространств. Пусть  базис V. Определим линейные формы . Эти линейные формы линейно независимы, и через них выражается любая другая линейная форма. Таким образом, эти линейные формы образуют базис двойственного пространства, и размерность двойственного пространства совпадает с размерностью исходного пространства.

Элементы двойственного пространства называются ковекторами.

 Подпространству W линейного пространства V поставим в соответствие подпространство  двойственного пространства, состоящее из линейных форм, обращающихся в ноль на всех векторах из W. Отметим некоторые свойства этого соответствия.

Свойство 7.6. Справедливы равенства

1.

2.

3.

4.

Доказательство. Поскольку только нулевая форма обращается в ноль на всех векторах из V, то первое равенство установлено.

Пусть , тогда линейная форма f равна 0 на всех векторах из U+W, а, значит,  и  . Тем самым установлено включение . Пусть , тогда линейная форма f равна 0 на всех векторах из U и W, а, значит, она равна 0 на всех векторах из U+W, то есть . Таким образом, получено включение . Объединив включение получим второе равенство.

Третье равенство доказывается аналогично второму равенству.

Пусть  базис W, дополним его до базиса всего пространства векторами . Определим линейные формы , где j=1,…,n. Линейные формы  образуют базис двойственного пространства и  принадлежат . Покажем, что  базис . Возьмём произвольную линейную форму f из  и разложим её по базису . Тогда , и, значит, . Тем самым четвёртое равенство доказано.

Из четвёртого свойства вытекает, что размерность пространства решений системы однородных линейных уравнений равна разности размерности всего пространства и (строчечного) ранга матрицы.

Вектор из пространства V можно рассматривать как линейную форму в двойственном пространстве. Действительно,  и . Следовательно, подпространству F двойственного пространства к V можно поставить в соответствие подпространство  пространства V, образованное векторами из V, обращающими в 0 все линейные формы из F.

Свойство 7.7 Пусть  - подпространство конечномерного линейного пространства . Тогда .

Доказательство. Пусть , тогда  для всех линейных форм из , а, значит, . Тем самым установлено включение . Далее, , следовательно, .

Следствие 7.12 Любое подпространство арифметического пространства можно задать системой линейных уравнений.

Доказательство. Очевидным образом следует из равенства .

Рассмотрим задачу построения системы однородных линейных уравнений задающих линейную оболочку системы векторов  (для определённости будем считать эту систему векторов линейно независимой а исходное пространство арифметическим). Следуя проведённым теоретическим построениям, мы должны поступать следующим образом. Дополним систему векторов  до базиса всего пространства векторами . Далее, найдём обратную матрицу к матрице A, составленную из векторов . Последние n-k строк матрицы  будут определять требуемую систему. Однако, можно уменьшить объём вычислений. Действительно, базис подпространства  определяется как базис пространства решений однородной системы линейных уравнений .

Следствие 7.13 Любое линейное многообразие можно задать системой неоднородных уравнений.