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對偶基:作為測量的座標

為 V 選一組基,V* 的一組基就免費出現了——對偶基。它揭示出:座標本身就是一個線性泛函。

座標其實是偽裝的泛函

固定 V 的一組 e1, ..., en。每個向量都有唯一的 座標向量:v = c1·e1 + ... + cn·en。現在問:「第 i 個座標」是什麼對象?把 v 送到 ci 的映射 e^i 是線性的——所以它是一個 線性泛函,是 V* 中的元素。讀出一個座標就是一次測量。

這 n 個泛函 e^1, ..., e^n 就是 對偶基。它們由一條乾淨的規則定死:當 i = j 時 e^i(ej) = 1,否則為 0。換句話說,第 i 次測量在第 i 個基向量上讀出 1,忽略其餘。上標(餘向量)與下標(向量)的記帳方式,正是 協變與逆變 的核心。

維數相同,卻沒有典範聯繫

由於對偶基恰有 n 個元素,V* 與 V 有相同的 維數(當 V 有限維時)。因此 V 與 V* 作為抽象空間同構。但微妙之處在於:同構 v_i -> e^i 依賴於你所選的基。換一組基,這種對應就變了。不存在自然的、與基無關的同構 V -> V*。記住這一點——它會在第 5 篇強勢回歸。

計算對偶基

Basis of R^2 (non-standard):
  v1 = [1; 1],  v2 = [1; -1]

Want covectors f1, f2 (rows) with f_i(v_j) = delta_ij.
Stack v1,v2 as columns:  B = [1  1; 1  -1]
Dual basis rows are the ROWS of B^-1.

  B^-1 = (1/-2) [ -1  -1;  -1   1 ]
       = [ 1/2   1/2 ;  1/2  -1/2 ]

So  f1 = [1/2  1/2],  f2 = [1/2  -1/2]
Check: f1(v1) = 1/2 + 1/2 = 1,  f1(v2) = 1/2 - 1/2 = 0  ✓
對偶基 = 以你的基為列的矩陣之逆的各列。

注意 逆矩陣 的出現:當基向量按矩陣 B 變換時,它們的對偶泛函按 B^-1(轉置)變換。向量與餘向量對基變換的反應方向相反——這正是物理學家區分協變與逆變指標的原因。