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核與像,無需座標

每個映射都附帶兩個子空間:被它壓成零的部分,以及它能到達的部分。直接由映射定義它們,便能讓秩-零化度成為一行真理,並立刻告訴你映射何時是單射或滿射。

由映射誕生的兩個子空間

給定 T: V -> W,兩個集合組織起一切。是被 T 送到零的全體:ker T = { v in V : T(v) = 0 }。是 T 實際產生的全體:im T = { T(v) : v in V }。我們無座標地定義二者,直接來自映射——無需矩陣。

二者都是子空間,這值得親手驗證一次。若 T(u) = 0 且 T(v) = 0,則 T(u + v) = T(u) + T(v) = 0,故 ker T 對加法封閉;縮放同理。像也封閉,因為 T(u) + T(v) = T(u + v) 本身就是一個輸出。在第一卷裡,你把它們認作矩陣的零空間列空間——同樣的物件,如今從映射上讀出。

單射、滿射,一眼讀出

核用一個乾淨的判據探測單射:T 是單射(一一對應)當且僅當 ker T = {0}。證明很短。若 ker T = {0} 且 T(u) = T(v),則 T(u - v) = 0,故 u - v 落在核中,迫使 u = v。反之,一個非零的核向量與 0 都映到 0,破壞單射。

像同樣直接地探測滿射:T 是滿射(映上)當且僅當 im T = W。既單又滿的映射是可逆映射——它有雙邊逆。但要當心:在維數不等的空間之間,你可能只有單邊逆,而存在的那一邊恰好告訴你單射/滿射哪一個成立。

  1. 滿足 L∘T = id_V 的左逆 L 恰好在 T 為單射時存在(它在輸入端撤銷 T)。
  2. 滿足 T∘R = id_W 的右逆 R 恰好在 T 為滿射時存在(它命中每個輸出)。
  3. 當兩者都成立時,左逆與右逆重合,T 真正可逆。

秩-零化度,抽象版本

核衡量 T 壓塌了多少;像衡量倖存了多少。V 的總維數在二者之間恰好劈開。這就是抽象形式的秩-零化度:dim(ker T) + dim(im T) = dim V。沒有座標,沒有列化簡——這是關於映射的陳述。

T: R^3 -> R^3,  T(x, y, z) = (x + y, x + y, z)

Kernel: need x + y = 0 and z = 0
  ker T = { (t, -t, 0) }  -> dimension 1

Image: outputs look like (a, a, b)
  im T = { (a, a, b) }    -> dimension 2

Check rank-nullity:
  dim(ker T) + dim(im T) = 1 + 2 = 3 = dim R^3   OK
核與像的維數之和總能重建定義域的維數。