向量空间的对偶性

2020-08-15 14:11:14

$\newcommand{\Ua}{\mathrm{a}}\newcommand{\Ub}{\mathrm{b}}\newcommand{\Uc}{\mathrm{c}}\newcommand{\Ud}{\mathrm{d}}\newcommand{\Ue}{\mathrm{e}}\newcommand{\Uf}{\mathrm{f}}\newcommand{\Ug}{\mathrm{g}}\newcommand{\Uh}{\mathrm{h}}\newcommand{\Ui}{\mathrm{i}}\newcommand。{\Uj}{\mathrm{j}}\newcommand{\Uk}{\mathrm{k}}\newcommand{\Ul}{\mathrm{l}}\newcommand{\Um}{\mathrm{m}}\newcommand{\Un}{\mathrm{n}}\newcommand{\Uo}{\mathrm{o}}\newcommand{\Up}{\mathrm{p}}\newcommand{\Uq}{\mathrm{q}}\newcommand{\Ur}{\mathrm{r}}\newcommand{\Us。}{\mathrm{s}}\newcommand{\Ut}{\mathrm{t}}\newcommand{\Uu}{\mathrm{u}}\newcommand{\Uv}{\mathrm{v}}\newcommand{\Uw}{\mathrm{w}}\newcommand{\Ux}{\mathrm{x}}\newcommand{\Uy}{\mathrm{y}}\newcommand{\Uz}{\mathrm{z}}\newcommand{\UA}{\mathrm{A}}\newcommand{\UB}{\。Mathrm{B}}\newcommand{\UC}{\mathrm{C}}\newcommand{\UD}{\mathrm{D}}\newcommand{\UE}{\mathrm{E}}\newcommand{\UF}{\mathrm{F}}\newcommand{\UG}{\mathrm{G}}\newcommand{\UH}{\mathrm{H}}\newcommand{\UI}{\mathrm{I}}\newcommand{\UJ}{\mathrm{J}}\newcommand{\UK}{\mathrm{K。}}\newcommand{\UL}{\mathrm{L}}\newcommand{\UM}{\mathrm{M}}\newcommand{\UN}{\mathrm{N}}\newcommand{\UO}{\mathrm{O}}\newcommand{\UP}{\mathrm{P}}\newcommand{\UQ}{\mathrm{Q}}\newcommand{\UR}{\mathrm{R}}\newcommand{\US}{\mathrm{S}}\newcommand{\UT}{\mathrm{T}}\。Newcommand{\UU}{\mathrm{U}}\newcommand{\UV}{\mathrm{V}}\newcommand{\UW}{\mathrm{W}}\newcommand{\UX}{\mathrm{X}}\newcommand{\UY}{\mathrm{Y}}\newcommand{\UZ}{\mathrm{Z}}%\newcommand{\Uzero}{\mathm{0}}\newcommand{\uone}{\mathm{1}}\newcommand{\uTwo}{\mathm{2}}\newcommand{。\UThree}{\mathm{3}}\newcommand{\ufour}{\mathm{4}}\newcommand{\UFive}{\mathm{5}}\newcommand{\USix}{\mathrm{6}}\newcommand{\Useven}{\mathrm{7}}\newcommand{\Ueight}{\mathrm{8}}\newcommand{\Unine}{\mathrm{9}}%\newcommand{\Ja}{\mathit{a}}\newcommand{\Jb}{\mathit{b}}\newcommand{\Jc。}{\mathit{c}}\newcommand{\Jd}{\mathit{d}}\newcommand{\Je}{\mathit{e}}\newcommand{\Jf}{\mathit{f}}\newcommand{\Jg}{\mathit{g}}\newcommand{\Jh}{\mathit{h}}\newcommand{\Ji}{\mathit{i}}\newcommand{\Jj}{\mathit{j}}\newcommand{\Jk}{\mathit{k}}\newcommand{\Jl}{\。Mathit{l}}\newcommand{\Jm}{\mathit{m}}\newcommand{\Jn}{\mathit{n}}\newcommand{\Jo}{\mathit{o}}\newcommand{\Jp}{\mathit{p}}\newcommand{\Jq}{\mathit{q}}\newcommand{\Jr}{\mathit{r}}\newcommand{\Js}{\mathit{s}}\newcommand{\Jt}{\mathit{t}}\newcommand{\Ju}{\mathit{u。}}\newcommand{\Jv}{\mathit{v}}\newcommand{\Jw}{\mathit{w}}\newcommand{\Jx}{\mathit{x}}\newcommand{\Jy}{\mathit{y}}\newcommand{\Jz}{\mathit{z}}\newcommand{\JA}{\mathit{A}}\newcommand{\JB}{\mathit{B}}\newcommand{\JC}{\mathit{C}}\newcommand{\JD}{\mathit{D}}\。Newcommand{\JE}{\mathit{E}}\newcommand{\JF}{\mathit{F}}\newcommand{\JG}{\mathit{G}}\newcommand{\JH}{\mathit{H}}\newcommand{\JI}{\mathit{I}}\newcommand{\JJ}{\mathit{J}}\newcommand{\JK}{\mathit{K}}\newcommand{\JL}{\mathit{L}}\newcommand{\JM}{\mathit{M}}\newcommand{\。JN}{\mathit{N}}\newcommand{\JO}{\mathit{O}}\newcommand{\JP}{\mathit{P}}\newcommand{\JQ}{\mathit{Q}}\newcommand{\JR}{\mathit{R}}\newcommand{\JS}{\mathit{S}}\newcommand{\JT}{\mathit{T}}\newcommand{\JU}{\mathit{U}}\newcommand{\JV}{\mathit{V}}\newcommand{\JW}{。\mathit{W}}\newcommand{\JX}{\mathit{X}}\newcommand{\JY}{\mathit{Y}}\newcommand{\JZ}{\mathit{Z}}%\newcommand{\Jzero}{\mathit{0}}\newcommand{\jone}{\mathit{1}}\newcommand{\jTwo}{\mathit{2}}\newcommand{\Jthree}{\mathit{3}}\newcommand{\Jfour}{\mathit{4}}\newcommand{\jFive}{\mathit。{5}}\newcommand{\JSix}{\mathit{6}}\newcommand{\Jseven}{\mathit{7}}\newcommand{\Jeight}{\mathit{8}}\newcommand{\Jnine}{\mathit{9}}%\newcommand{\BA}{\boldsymbol{A}}\newcommand{\BB}{\boldsymbol{B}}\newcommand{\BC}{\boldsymbol{C}}\newcommand{\BD}{\boldsymbol{D}}\newcommand{\BE}{\boldsymbol{E。}}\newcommand{\BF}{\boldsymbol{F}}\newcommand{\BG}{\boldsymbol{G}}\newcommand{\BH}{\boldsymbol{H}}\newcommand{\BI}{\boldsymbol{I}}\newcommand{\BJ}{\boldsymbol{J}}\newcommand{\BK}{\boldsymbol{K}}\newcommand{\BL}{\boldsymbol{L}}\newcommand{\BM}{\boldsymbol{M}}\newcommand{\BN}{\boldsymbol{N}}\。Newcommand{\BO}{\boldsymbol{O}}\newcommand{\BP}{\boldsymbol{P}}\newcommand{\BQ}{\boldsymbol{Q}}\newcommand{\BR}{\boldsymbol{R}}\newcommand{\BS}{\boldsymbol{S}}\newcommand{\BT}{\boldsymbol{T}}\newcommand{\BU}{\boldsymbol{U}}\newcommand{\BV}{\boldsymbol{V}}\newcommand{\BW}{\boldsymbol{W}}\newcommand{\。BX}{\boldsymbol{X}}\newcommand{\BY}{\boldsymbol{Y}}\newcommand{\BZ}{\boldsymbol{Z}}\newcommand{\Ba}{\boldsymbol{a}}\newcommand{\Bb}{\boldsymbol{b}}\newcommand{\Bc}{\boldsymbol{c}}\newcommand{\Bd}{\boldsymbol{d}}\newcommand{\Be}{\boldsymbol{e}}\newcommand{\Bf}{\boldsymbol{f}}\newcommand{\Bg}{。\boldsymbol{g}}\newcommand{\Bh}{\boldsymbol{h}}\newcommand{\Bi}{\boldsymbol{i}}\newcommand{\Bj}{\boldsymbol{j}}\newcommand{\Bk}{\boldsymbol{k}}\newcommand{\Bl}{\boldsymbol{l}}\newcommand{\Bm}{\boldsymbol{m}}\newcommand{\Bn}{\boldsymbol{n}}\newcommand{\Bo}{\boldsymbol{o}}\newcommand{\Bp}{\boldsymbol{。P}}\newcommand{\Bq}{\boldsymbol{q}}\newcommand{\Br}{\boldsymbol{r}}\newcommand{\Bs}{\boldsymbol{s}}\newcomma

与$a_i$不同,实用的做法是将$\bv$的组件表示为$v^i$,即具有与对偶基的提升指数相对应的提升指数的相同符号的亮面:

实际上,这一约定与对偶性引起的对称性更相容,引入一形式的对偶基表示后,这一点会更加清楚。

证明:对于CV$中的任何$\bv\,$\be^i(\bv)$必须给出$v^i$,即$\bv$的$v^i$。设置$\bv=\be_j$,可以看到当$i=j$时,$\be^i(\bv)=v^i=1$,否则为零。

在几何上,\eqref{eq:dualbasis2}意味着一个基向量垂直于所有对偶基向量,除了它自己的对偶。

设$\Balpha$是$\Cv^\ast$中的一种形式,对应的对偶基为$\setveciup{\be}$。则类似于向量,$\Balpha$具有以下表示。

表示$\Balpha$在$\bv$上的作用,称为向量空间与其对偶之间的自然配对或对偶配对。要理解$\abrn{\cdot,\cdot}$并不表示$\cv$中的内积,即$\abr{\bv,\Balpha}$表示$\Balpha(\bv)$。

使用$\BE_I$是列向量而$\BE^I$是行向量的约定,\eqref{eq:dualbasis1}可以按以下方式重新排列。

示例:给定一个基数为$\be_1=[2,-0.5]\tra$,$\be_2=[1,1]\tra$的二维向量空间$\cv$,我们使用\eqref{eq:cultedualbasis1}进行计算

得到对偶基向量$BE^1=[0.4,-0.4]$和$BE^2=[0.2,0.8]$,结果如下图所示。

以曲线坐标嵌入$IR^2$中的体$\cb$,在$\bx$处的每个点$\cp$都有一个相关的二维向量空间,称为$\cb$在$\bx$处的切线空间,记为$\tang_\bx\cb$.。与坐标$\theta_i$对应的基$\be_i$不一定是正交的,由于曲线的缘故,它可以容纳相应的对偶$\be_i$,坐标在点的直接邻域上看起来是仿射的,因此在切线空间中也是仿射的。

对偶空间的引入允许我们将一种形式的$\Balpha$重新解释为驻留在对偶空间中的对象。事实上,典型对偶$\cv^{\ast\ast}=\cv$表示每个向量$\bv$都可以解释为空间$\cv^\ast$via上的泛函