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数学 / null-space

零空间

线性映射的零空间是所有被映为零向量的输入构成的子空间,刻画齐次方程的解与解的不唯一性。

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在线性代数中,线性映射的零空间是所有被该映射映为零向量的向量组成的集合,也称为该映射的核(线性映射),描述的是被映射消去的输入。对于矩阵 AA,零空间由齐次方程 Ax=0Ax=0 的全部解组成。它是输入空间的线性子空间,一般并不是输出空间的子空间。(maths.tcd.ie)

定义与基本性质

设 T:V→WT:V\to W 是域(数学) F\mathbb F 上两个向量空间之间的线性映射。它的零空间为

ker⁡T={v∈V:T(v)=0W}.\ker T=\{v\in V:T(v)=0_W\}.

对于 F\mathbb F 上的 m×nm\times n 矩阵,常用记号有

N(A),Null⁡(A),ker⁡A.N(A),\qquad \operatorname{Null}(A),\qquad \ker A.

这里 N(A)⊆FnN(A)\subseteq\mathbb F^n,而 AA 的像(线性映射)位于 Fm\mathbb F^m 中。(maths.tcd.ie)

零向量总是属于零空间。若 u,v∈ker⁡Tu,v\in\ker T 且 a,b∈Fa,b\in\mathbb F,则由线性性可得

T(au+bv)=aT(u)+bT(v)=0.T(au+bv)=aT(u)+bT(v)=0.

因此,零空间对线性组合封闭。只含零向量的零空间称为平凡零空间;它并不是空集。线性映射是单射函数,当且仅当它的零空间是平凡的,因为 T(u)=T(v)T(u)=T(v) 等价于 u−v∈ker⁡Tu-v\in\ker T。(maths.tcd.ie)

零化度与秩

零空间的维数(向量空间)称为零化度。若 VV 是有限维的,则秩—零化度定理指出

dim⁡V=dim⁡ker⁡T+dim⁡im⁡T.\dim V=\dim\ker T+\dim\operatorname{im}T.

因此,若 AA 有 nn 列,且矩阵的秩为 rr,则

nullity⁡(A)=n−r.\operatorname{nullity}(A)=n-r.

所以,零化度表示变换所丢失的独立输入方向的数目。(homepages.ucl.ac.uk)

矩阵的零空间是平凡的,当且仅当它的各列线性无关。特别地,当 n>mn>m 时,m×nm\times n 矩阵必定具有非平凡零空间,因为它的秩不可能超过 mm。这一结论针对的是齐次方程组,并不能据此断定任意方程 Ax=bAx=b 都有解。(live.ocw.mit.edu)

基的计算

在精确计算中,可以用高斯消元法将 AA 化为行阶梯形。初等行变换不改变 Ax=0Ax=0 的解,因此也不改变它的零空间。将主元变量用自由变量表示,再依次令一个自由变量为 11、其余自由变量为 00,就能得到零空间的一组基(线性代数)。所得基向量的个数等于非主元列的个数。(ocw.mit.edu)

例如,取

A=(123246).A=\begin{pmatrix} 1&2&3\\ 2&4&6 \end{pmatrix}.

第二个方程是第一个方程的两倍,因此只需保留

x1+2x2+3x3=0.x_1+2x_2+3x_3=0.

令 x2=sx_2=s、x3=tx_3=t,得到

x=s(−210)+t(−301).x=s\begin{pmatrix}-2\\1\\0\end{pmatrix} +t\begin{pmatrix}-3\\0\\1\end{pmatrix}.

于是

N(A)=span⁡{(−2,1,0)T,(−3,0,1)T}.N(A)=\operatorname{span}\{(-2,1,0)^T,(-3,0,1)^T\}.

这个例子中的矩阵秩为 11,零化度为 22。它的零空间是 R3\mathbb R^3 中经过原点的一个平面,但上面给出的基并不唯一。

几何意义与解集

对于实矩阵,零空间是行空间的正交补:

N(A)=im⁡(AT)⊥,N(A)=\operatorname{im}(A^T)^\perp,

其中 ATA^T 表示矩阵转置。按标准内积,Ax=0Ax=0 中的每个方程都表示 xx 与 AA 的某一行垂直。相应地,左零空间 N(AT)N(A^T) 与列空间垂直,其维数为 m−rm-r。对于复矩阵,这些结论需使用共轭转置 A∗A^*。(ocw.mit.edu)

对于有解的线性方程组 Ax=bAx=b,设 xpx_p 是一个特解,则每个解都具有如下形式:

x=xp+z,z∈N(A).x=x_p+z,\qquad z\in N(A).

这是因为两个解之差是齐次方程的解,而在一个解上加上任意齐次方程的解,所得向量仍满足 Ax=bAx=b。因此,解集是将零空间平移后得到的仿射空间。只有当 b=0b=0 时,它才是线性子空间。有解的方程组具有唯一解,当且仅当 N(A)={0}N(A)=\{0\}。(people.cs.uchicago.edu)

数值计算与应用

在数值计算中,可以利用奇异值分解构造零空间的一组标准正交基。在完整分解 A=UΣV∗A=U\Sigma V^* 中,VV 中与 Σ\Sigma 的零对角元对应的列,加上其余右侧方向所对应的列,共同张成 N(A)N(A)。采用浮点运算时,通常根据容差将足够小的奇异值视为零。这样得到的是数值意义下的零空间,其维数可能不同于精确的代数零化度。(docs.scipy.org)

在普通最小二乘法中,向系数向量加上零空间中的分量,不会改变拟合值。摩尔—彭罗斯伪逆选取欧几里得范数最小的最小二乘解,该解在 N(A)N(A) 中没有分量。在一个线性逆问题中,同样的结构可以揭示未知量的哪些变化无法通过测量加以区分。(ocw.mit.edu)