线性映射及其结构

秩-零化度定理(抽象形式)

第一卷靠在行化简后的矩阵中数主元列与自由列来证明秩-零化度。抽象形式证明同一个等式 dim ker T + dim im T = dim V,却根本不用矩阵——并在此过程中揭示它为何成立,而不只是它成立。

从第一同构定理出发:V / ker T 同构于 im T。同构的空间维数相等,故 dim(V/ker T) = dim im T。再用商空间的维数公式 dim(V/U) = dim V - dim U,取 U = ker T。便得 dim V - dim ker T = dim im T,移项即得 dim ker T + dim im T = dim V。整个证明就是把两个事实串在一起。

解读这个等式:秩 dim im T 数的是 T 真正输出的方向,零化度 dim ker T 数的是 T 摧毁的方向。定义域的每一个维度都被记账为或被保留(贡献给秩)或被塌缩(贡献给零化度)。无中生有或凭空消失皆无——维数在映射两侧守恒。

这个抽象证明不只是优雅而已。凡商空间仍为有限维处,它对无限维空间之间的映射逐字成立;因为没有选基,它在任何换基下都不变;它又是模与链复形的秩定理的样板。矩阵证明在算,抽象证明在解释。

dim ker T + dim im T = dim V

把三维空间投到一个平面上的投影,秩为 2、零化度为 1:两个存留方向加上一个被塌缩的方向,复原出维数 3。

为使等式干净成立,秩-零化度需要 dim V 有限;对无限维 V,真正的陈述是同构 V/ker T ~= im T 本身,它总成立,而当各部分有限时维数计数是其推论。

又称
dimension theoremdim ker + dim im = dim V