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对偶基:作为测量的坐标

为 V 选一组基,V* 的一组基就免费出现了——对偶基。它揭示出:坐标本身就是一个线性泛函。

坐标其实是伪装的泛函

固定 V 的一组 e1, ..., en。每个向量都有唯一的 坐标向量:v = c1·e1 + ... + cn·en。现在问:“第 i 个坐标”是什么对象?把 v 送到 ci 的映射 e^i 是线性的——所以它是一个 线性泛函,是 V* 中的元素。读出一个坐标就是一次测量。

这 n 个泛函 e^1, ..., e^n 就是 对偶基。它们由一条干净的规则定死:当 i = j 时 e^i(ej) = 1,否则为 0。换句话说,第 i 次测量在第 i 个基向量上读出 1,忽略其余。上标(余向量)与下标(向量)的记账方式,正是 协变与逆变 的核心。

维数相同,却没有典范联系

由于对偶基恰有 n 个元素,V* 与 V 有相同的 维数(当 V 有限维时)。因此 V 与 V* 作为抽象空间同构。但微妙之处在于:同构 v_i -> e^i 依赖于你所选的基。换一组基,这种对应就变了。不存在自然的、与基无关的同构 V -> V*。记住这一点——它会在第 5 篇强势回归。

计算对偶基

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  ✓
对偶基 = 以你的基为列的矩阵之逆的各行。

注意 逆矩阵 的出现:当基向量按矩阵 B 变换时,它们的对偶泛函按 B^-1(转置)变换。向量与余向量对基变换的反应方向相反——这正是物理学家区分协变与逆变指标的原因。