background image

 

1

LECTURE 9

LINEAR VECTOR SPACES II

background image

 

2

THE BASIS

background image

 

3

DEF.
S is a spanning set for space V  if  every vector in V is a linear 
combination of vectors in S. 

Example:    

lin( (1,1,1), (2,2,2), (0,1,0), (0,3,0) ) = lin( (1,1,1) (0,1,0) )

 

The minimal spanning set must consist of independent vectors.

Spanning sets can contain  redundant vectors.  Every spanning list in a 
vector space can be reduced.

background image

 

4

This  reduced list is called the basis of the vector 
space. 

A consequence of the axiom of choice  is that every vector 
space has a vector basis
.

                                       BASIS

DEF.
A linearly independent spanning set for a vector space V is called 
a basis for V.

background image

 

5

Problem
Does  the set of vectors    S = {(1,2), (3,1)}   constitute a 
basis for  R

2  

?

For an arbitrary vector  w = (w

1

,w

2

)  there exists a solution of the equation:       

c

(1,2) + c

(3,1)= w,

  

with the equivalent form: 

.

1

2

3

1

2

1

2

1

w

w

c

c

The determinant  of the coefficient matrix is not 0,   so the vectors are 
linearly  independent  and  neither  is  redundant.

The unit vectors   e

1, 

e

2

, e

3

, ..., e

n

  in  R

n

   are a  basis for R

n

,

 

they are called the  standard basis for R

n

.

background image

 

6

Let 

V

 be a subspace of 

R

n

, and   let  

B

 = {b

1

, b

2

, ...,b

n

} be a subset of

 V

.

Then the following statements are eqiuvalent:

1. B

 is a basis for 

V

2. B

 is a minimal spanning set for 

V

3. B

 is a maximal linearly independent subset of 

 V

background image

 

7

DIMENSION OF A LINEAR SPACE

Definition
Let  n   vectors   { v

1

, . . ., v

}  constitute the basis of  V.  We then 

say that the dimension of  V  is  n  and denote it as  

  

dim V = n.

background image

 

8

Fact 

Let   A(a

1

, a

2

, ....., a

n

 ) denote  an n 

x

 n matrix in which the i-

th column  is vector a

i

.

If  det A(a

1

, a

2

, ....., a

n

 )  0,  then the system  { a

1

, a

2

, ....., 

a

n

 } 

constitutes o basis  of  R

n

.

background image

 

9

COORDINATES OF A VECTOR RELATIVE TO 

A GIVEN BASIS

Theorem
Let vectors  a

1

, a

2

, ....., a

n

   form  the basis for a linear 

space V.
Every vector b  from this space is a linear combination 
of 
a

1

, a

2

, ....., a

n

   i.e.:

                                  b = c

1

  a

1

 + .....+ c

n

 a

n

,

the coefficients   c

1

, c

2

, ....., c

n

 are uniquely 

determined and are called the coordinates of vector 
b  with respect to this basis (relative to this basis).

background image

 

10

Show that the coordinates of a vector b  relative to 
basis B = {a

1

, a

2

, ....., a

n

} are uniquely determined 

 Let    b = c

1

 a

1

 + .....+ c

n

 a

n

,   and 

          
          b = d

1

 a

1

 + .....+ d

n

 a

n

,   then

          0 = (c

- d

1

)  a

+ .....+ (c

- d

n

) a

n

,  

and  from linear independence

           c

- d

1

 = 0, c

- d

2

 = 0, ..., c

- d

= 0

                                                                                              QED

background image

 

11

TRANSITION MATRIX

background image

 

12

                            TRANSITION MARTIX 
Let us consider a linear space  V  of dimension  n 
and two different bases of this space:   
                       B

1

 = {v

1

,...,v

n

 },   B

2

 = {u

1

,...,u

}.

We write the basis vectors from  B

2

  as a linear 

combination of  the basis vectors  from B

1

:

   u

p

11 

v

p

21 

v

2  

+...+  

p

n1

 

v

n

;

   .....
   .....
   .....
   u

p

1n 

v

p

2n

v

2  

+...+

  p

nn 

v

n

.

n

2

1

nn

2

n

1

n

n

2

22

21

n

1

12

11

n

2

1

u

u

u

p

p

p

p

p

p

p

p

p

v

v

v

background image

 

13

Definition
The transition matrix  from   basis  B

1  

 to basis  B

2

  is 

matrix  P= [p

ij

]  in which the elements of the 

columns are the coordinates of vectors from the 
new basis B

2

  relative to the old basis B

1

 :

nn

n

n

n

n

p

p

p

p

p

p

p

p

p

P

2

1

2

22

21

1

12

11

background image

 

14

Example – Space  R

3

 

We consider the following two bases:
B

= { e

1

, e

2

 , e

3

 }     unit basis;  old

B

= { (1,0,0), (1,1,0), (1,1,1) } = { u

1

, u

2

, u

}  new

The transition matrix from  B

1

  to  B

2

 is 

.

P

1

0

0

1

1

0

1

1

1

u

1

 = 1 e

1

u

2

 = 1 e

1

 + 1 e

2

u

3

 = 1 e

1

 + 1 e

2

 + 1 e

3

1

0

0

1

1

0

1

1

1

.

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

background image

 

15

e

1

 =  1 u

1

e

2

 = -1 u

1

 + 1 u

2

e

3

 = -1 u

2

 + 1 u

3

1

0

0

1

1

0

0

1

1

P

1

u

1

 = 1 e

1

u

2

 = 1 e

1

 + 1 e

2

u

3

 = 1 e

1

 + 1 e

2

 + 1 e

3

background image

 

16

Fact
If  P is a transition matrix from basis B

1

 to basis  B

2

,  

then  P is invertible and the inverse matrix  P

-1

  is the 

transition matrix from B

2

  to  B

1

.

Fact
In the case when  B

1

 is the unit basis of  R

n

, the 

transition matrix from the unit basis  B

1

  to an 

arbitrary basis is  simply composed of the vectors 
from the new basis set up as columns. 

background image

 

17

Fact
If the coordinates of vector  w  relative to  B

1  

are  

w

1

,...,w

n

 , then its coordinates  w

1

’,...,w

n

’ relative to  B

2

 

satisfy:  

where P

 

 is the transition matrix from   B

1    

to  B

2

 .

,

w

w

w

P

w

w

w

n

,

n

,

,

2

1

1

2

1

background image

 

18

Example cont. 
The coordinates of vector w = (3,1,0) relative to  B

2  

are:

.

P

0

1

2

0

1

3

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

3

1

Thus:         w = 2 u

u

2

.

background image

 

19

RANGE SPACE

background image

 

20

                                RANGE SPACE
The range of a matrix A

mxn

 is defined to be the subspace

R(A)  of R

                        R(A) = {Ax : x    R

n

}     R

m

The spanning set for R(A) is the the set of basic columns in A

background image

 

21

background image

 

22

RANK PLUS NULLITY THEOREM

           dim R(A) + dim N(A) = n 
for all  mxn matrices

background image

 

23

                                                

Summary 

 

of ‘RANK’

Let   A  be  a nm matrix.

1. rank(A) = the number of nonzero rows in any row echelon form 

equivalent to A

2. rank(A) = the number of leading elements in any row echelon form 

equivalent to A

3. rank(A) = the number of basic columns in A
4. rank(A) = the size of the largest nonsingular submatrix in A
5. rank(A) = the number of independent columns in A
6. rank(A) = the number of independent rows in A
7. rank(A) =  dim R(A)
8. rank(A) = dim R(A

T

)

9. rank(A) = n - dim N(A
10.rank(A) = m - dim N(A

T

background image

 

24


Document Outline