A dimenziótétel vagy nullitás–rang tétel a lineáris algebrában alapvetően a véges dimenziós terek között ható leképezések magterének és képterének komplementer jellegére mutat rá. Ha φ lineáris leképezés egy n dimenziós térből valamely másikba hat, Ker φ = { v | φv = 0 } a φ magtere és Im φ a leképezés értékkészlete, mint altér, akkor

dim Ker φ + dim Im φ = n

Ugyanazon terek között ható két leképezés közül, amelyik magtérdimenziója nagyobb, annak a képtérdimenziója kisebb.

A tétel a dimenziók szerepeltetése nélkül tovább általánosítható nem feltétlenül véges dimenziós V1 térre is, a következő formában:

Ker φ ⊕ Im φ ≅ V1

A tétel kapcsolatban van az első izomorfizmustétellel és az Abel-csoportok közötti morfizmusok dekompozíciós tételével.[1]

DimenziótételSzerkesztés

Ha V1 véges dimenziós, V2 pedig tetszőleges lineáris tér, továbbá φ:V1   V2 lineáris leképezés, akkor

 

BizonyításSzerkesztés

Legyen dim V1 = n, dim Ker φ = kn és legyen Ker φ egy bázisa:[2]

 

Mivel ez lineárisan független vektorrendszer V1-ben, ezért vannak

 

vektorok, melyekkel

 

V1 bázisa.

Belátjuk, hogy a cj-k képvektoraiból álló

 

vektorrendszer Im φ bázisát alkotja. Ezután már készen vagyunk, mert f elemszáma így m lesz és kapjuk: dim Im φ = m = n - k = dim V1 - dim Ker φ.

(1) F generálja Im φ-t. Legyen ugyanis φ(v) tetszőleges Im φ-beli vektor alkalmas vV1-vel. Ekkor v-hez egyértelműen léteznek a λi, μj skalárok, hogy:

 

ezért

 
 
 

azaz φ(v) már az F-beli vektorok lineáris kombinációjaként is előáll. Az előbb felhasználtuk, hogy a bi vektorok képe mind 0.

(2) F lineárisan független. Tegyük fel, hogy F elemei előállítják a 0 vektort alkalmas skalárokkal. Ekkor

 

azaz

 

Eszerint az előbbi vektor a Ker φ báziselemeinek egyértelmű lineáris kombinációjaként is előáll:

 

amiből

 

de a vektorok függetlenségéből következik, hogy ekkor

 

speciálisan

 .

MegjegyzésSzerkesztés

A bizonyításból az is következik, hogy

  1. Ker φ és a cj-k generálta altér direkt összegként állítják elő V1-et:
     
  2. φ a cj-k generálta altérre leszűkítve az Im φ-be képező lineáris izomorfizmus.

Emiatt pedig V1 a mag- és a képtér direkt összegével izomorf:

 

Direktösszeg-felbontásSzerkesztés

Az univerzális algebra terminusaiban érvényes, hogy

 

egy rövid egzakt sorozat, azaz Im f = Ker g, hisz mindkettő a Ker φ.

Emiatt az Abel-csoportokra vonatkozó kategóriaelméleti dekompozíciós lemma gondolatmenetével is előállíthatjuk a direkt összeget.

Legyen Im φ egy bázisa

 

alkalmas cCV1 vektorokkal. Ekkor C lineárisan független vektorrendszer, mert ha összefüggő volna, akkor a képe is összefüggő volna, ami viszont Im φ bázisa, tehát nem lehet összefüggő. Ez azt jelenti, hogy a

 

függvény lineáris izomorfizmus definiál a C által kifeszített altéren. Ebben az esetben is

 

és

 

PéldaSzerkesztés

1. Egy A mátrix esetén a v   Av lineáris leképezés. Ennek a leképezésnek a magját az A mátrix magjának nevezzük.

Az

 

magja nem más, mint egy R3 egy origón áthaladó síkja:

 

A dimenziótétel segíthet abban, hogy megállapítsuk, hogy a sík valóban kétdimenziós. Világos, hogy Im A = rang A = 1, mert egyetlen sorból álló mátrixról van szó, így dim Ker A = 3 - 1 =2.

2. A dimenziótétel végtelen dimenziós terekre is igaz. Ekkor persze ugyanazok a paradoxonok lépnek fel, mint a számosságaritmetikában.

A T testbeli értékű sorozatok Tω terében az

 

leképezés lineáris,

 
 

így a dimenziótétel formulája átmegy az

 

egyenlőségbe.

Bár Im λ az egész tér mégis λ (a végesdimenziósokkal ellentétben) nem injektív, mivel Ker λ ≠ {0}.

JegyzetekSzerkesztés

  1. Itt az angolban Splitting Lemma néven ismert tételről van szó, lásd: Mac Lane, Birkhoff, Algebra, p. 328.
  2. Freud, Lineáris algebra könyvben található gondolatmenetét követjük. Lásd: p. 146

Felhasznált irodalomSzerkesztés

  • Freud Róbert, Lineáris algebra, ELTE Eötvös Kiadó, 1998.
  • Saunders Mac Lane, Garrett Birkhoff, Algebra, Chelsea, 1999. ISBN 0-8218-1646-2

ForrásokSzerkesztés