線性映射及其結構

秩-零化度定理(抽象形式)

第一卷靠在列化簡後的矩陣中數主元行與自由行來證明秩-零化度。抽象形式證明同一個等式 dim ker T + dim im T = dim V,卻根本不用矩陣——並在此過程中揭示它為何成立,而不只是它成立。

從第一同構定理出發:V / ker T 同構於 im T。同構的空間維數相等,故 dim(V/ker T) = dim im T。再用商空間的維數公式 dim(V/U) = dim V - dim U,取 U = ker T。便得 dim V - dim ker T = dim im T,移項即得 dim ker T + dim im T = dim V。整個證明就是把兩個事實串在一起。

解讀這個等式:秩 dim im T 數的是 T 真正輸出的方向,零化度 dim ker T 數的是 T 摧毀的方向。定義域的每一個維度都被記帳為或被保留(貢獻給秩)或被塌縮(貢獻給零化度)。無中生有或憑空消失皆無——維數在映射兩側守恆。

這個抽象證明不只是優雅而已。凡商空間仍為有限維處,它對無限維空間之間的映射逐字成立;因為沒有選基,它在任何換基下都不變;它又是模與鏈複形的秩定理的樣板。矩陣證明在算,抽象證明在解釋。

dim ker T + dim im T = dim V

把三維空間投到一個平面上的投影,秩為 2、零化度為 1:兩個存留方向加上一個被塌縮的方向,復原出維數 3。

為使等式乾淨成立,秩-零化度需要 dim V 有限;對無限維 V,真正的陳述是同構 V/ker T ~= im T 本身,它總成立,而當各部分有限時維數計數是其推論。

又稱
dimension theoremdim ker + dim im = dim V