A vektortér, más néven lineáris tér a lineáris algebra egyik legalapvetőbb fogalma, amelyhez a geometriában (is) használt vektor fogalmának általánosítása vezet. A vektorokkal végezhető műveletek legelemibb tulajdonságait axiomatikusan definiálja, ezáltal egy algebrai struktúra-típus keletkezik. A lineáris tér a mi szokásos síkunk és terünk általánosítása többdimenziós terekre. Jelentősége nem csupán elméleti, a fizikában, informatikában, a komputergrafikában, számos más elméleti és alkalmazott tudományágban; nemkülönben a matematika számos területén fontos szerepet játszik.

Vektorok összeadása és skalárral szorzása: Egy v vektort (kékkel) hozzáadunk a w vektorhoz (pirossal, alul). Fent a w vektort 2-szeresére nyújtjuk, az eredmény a v + 2·w összeg

Formális definíció szerkesztés

 
Vektorok összeadása: a v (kékkel) és a w (pirossal) v + w összege feketével
 
Skalárral szorzás: a v vektor és ellentettje, −v kékkel; a w vektor pirossal, és 2w rózsaszínnel

Legyen F egy test. Egy V nemüres halmazt vektortérnek nevezünk az F test felett, ha

  • V halmazon értelmezve van egy összeadás nevű művelet, V × VV függvény, ∀ u, vV elempárhoz hozzárendel egy és csak egy V-beli elemet (u+v), valamint
  • F és V között értelmezve van egy skalárral való szorzás nevű művelet, F × VV függvény, ∀ λ ∈ F és vV elempárhoz egyértelműen hozzárendel egy V-beli elemet (λv),

úgy, hogy az alábbi azonosságok, úgynevezett vektortér-axiómák teljesülnek:

  1. V az összeadásra nézve kommutatív csoportot, Abel-csoportot alkot, azaz az összeadás:
  2. Skalárral való szorzás disztributivitási szabályai:
    • ∀ λ ∈ F és u, vV: λ(u + v) = λu + λv. (disztributivitási szabály)
    • ∀ λ, μ ∈ F és vV: (λ + μ)v = λv + μv.(disztributivitási szabály)
    • ∀ λ, μ ∈ F és vV: λ(μv) = (λμ)v. (asszociativitási szabály)
    • vV: 1v = v, ahol 1 az F test egységeleme.

Formálisan tehát úgy definiálhatjuk a vektortereket, figyelembe véve, hogy   egy test,
az F feletti vektortér egy algebrai struktúra, a következő formában

 

úgy, hogy

  Abel-csoport,
  skalárral való szorzás, melyre teljesülnek a fent említett disztributivitási szabályok.

Ekkor a V vektortér struktúráját a következőképpen is jelölhetjük

 

V elemeit vektoroknak, F elemeit skalároknak nevezzük.
Megkülönböztetünk úgynevezett speciális vektortereket is, amelyeken még egyfajta szorzás is értelmezett.
Ilyenek például a skaláris szorzattal ellátott euklideszi terek.

Elemi tulajdonságok szerkesztés

V Abel-csoport szerkesztés

  • nullvektor és az additív inverz unicitása,
  • bármely u,v,w,tV: az u+x = v, és y+w = t egyenletek egyértelműen megoldhatók V-ben x és y-ra,
  • összeadás asszociativitása és kommutativitása miatt többtagú összegek esetén a zárójelezés és a tagok sorrendje is tetszőlegesen megváltoztatható.

További következmények szerkesztés

  • bármely λ ∈ F: λ0 = 0,
  • bármely vV: 0v = 0, ahol 0 az F test nulleleme,
  • bármely vV: (-1)v = -v, ahol -1 az F test egységelemének additív inverze,
  • ha λv = 0, akkor λ = 0 vagy v = 0.
  • (-λ)v = -(λv) = λ(-v)

Példák szerkesztés

 
Példa függvények összeadására: a szinuszfüggvény és az exponenciális függvény   összege,  

A lineáris tér egy nagyon általános fogalom, rengeteg példa van rá a matematikában. Nagyon sok olyan matematikai fejezetben is megjelenik, amit szerteágazóan alkalmaznak a fizika számos területén, például a funkcionálanalízis vagy éppen a differenciálgeometria, hogy csak néhányat említsünk.

  • a közönséges síkbeli és térbeli, origóból kiinduló vektorok a valós test felett a szokásos vektorösszeadásra és skalárral való szorzásra nézve,
  • a valós szám n-esek   felett, a komplex szám n-esek   felett, és
  • általában F n, F felett (F tetszőleges test), a szokásos módon értelmezett, komponensenként végzett műveletekre; ezeket a vektorokat általában oszlopvektorként ábrázolják,
  • F n × k, F felett, azaz az n×k-as mátrixok F test felett, a mátrixok szokásos, komponensenkénti összeadására és skalárral való szorzására nézve.
  • F [x], azaz az F feletti polinomok, F felett, a polinomok összeadására és skalárral való szorzására nézve,
  • a legfeljebb n-edfokú polinomok F felett,
  • valós számsorozatok a valós test felett a szokásos műveletekre,
  • az   intervallumon folytonos  -be képező függvények a valós test felett, a szokásos pontonkénti összeadásra, és skalárral való szorzásra nézve,
  • az   intervallumon Riemann-integrálható  -be képező függvények a valós számok teste felett, a szokásos pontonkénti összeadásra, valamint a skalárral való szorzásra nézve,
  • a komplex számok a valós test felett, a komplex számok körében értelmezett műveletekre,
  • a komplex számok a komplex számok teste felett,
  • a valós számok a valós számok teste felett,
  • a komplex számok a valós számok felett,
  • a valós számok a racionális számok felett,
  • általában, testbővítés esetén a bővebb test a szűkebb felett,
  • a valószínűségi változók a szokásos összeadásra és skalárral való szorzásra nézve,
  • az euklideszi sík, illetve tér eltolásai, hiszen az eltolások egymás utáni végzése megfelel a vektorok összeadásának, és a skalárszoros eltolás megfelel az eltolásvektor skalárszorosának. A nullelem az identitás, aminek megfelelője a nullvektor.

Lineáris altér szerkesztés

 
Az R3 vektortér néhány altere: két, az origón átmenő sík (sárga és zöld) és metszésvonaluk, egy origón átmenő egyenes (kékkel)

Egy F test feletti V vektortér egy nemüres WV részhalmazát altérnek nevezzük V-ben, ha W maga is vektortér ugyanazon F test felett ugyanazokra a V-beli vektorműveletekre, precízebben ezeknek a műveleteknek W-re történő megszorításaira nézve. Jelölése WV. Mivel W vektortér, azért tartalmazza a nullvektort.

Minden vektortér tartalmazza önmagát és a csak nullvektorból álló vektorteret. Minden altér előáll a másik vektortér képeként úgy, hogy egy lineáris leképezés leképez egy másik vektorteret a tartalmazó vektortérbe; és magtérként is úgy, hogy egy lineáris leképezés leképezi a tartalmazó vektorteret egy másik vektortérbe. Ekvivalenciaosztályok képzésével egy vektortérből és alteréből hányadostér, más néven vektortér állítható elő; ami összefügg az altérnek azzal a tulajdonságával, hogy előáll képként, lásd homomorfizmustétel.

Lineáris leképezések szerkesztés

A lineáris leképezések egy vektorteret egy másikba képeznek a struktúra megtartásával. Az univerzális algebra szerint homomorfizmusok a vektorterek között. Egy ugyanazon   test fölött definiált   vektorteret   vektortérbe vivő   függvény lineáris leképezés, ha minden   és minden   esetén:

  •  
  •  

Ekkor   kompatibilis a struktúrákkal, amelyek a vektorteret felépítik: az összeadással és a skalárral szorzással. Két vektortér izomorf, ha van köztük bijektív lineáris leképezés, vagyis van inverz függvény. Ez az inverz függvény automatikusan lineáris. Az izomorf vektorterek nem különböznek egymástól struktúrájukban.

Lineáris kombináció szerkesztés

V vektortér v1, v2, …, vk tetszőleges vektorai és λ1, λ2, …, λkF skalárok.
Ekkor a  V vektort a vi vektorok, λi skalárokkal képzett lineáris kombinációjának nevezzük.

Lineáris függetlenség szerkesztés

Egy V vektortér véges sok vektoráról akkor mondjuk, hogy lineárisan függetlenek, ha lineáris kombinációjuk csak úgy lehet a nullvektor, ha mindegyik skalár szükségképpen 0. Végtelen sok vektor lineáris függetlenségén azt értjük, hogy közülük bármely véges sok lineárisan független. A v1,…,vnV vektorok lineárisan összefüggőek, ha lineárisan nem függetlenek, tehát

 

nem mind nulla skalár, azaz közülük legalább egy nem nulla, hogy

 

Lineáris burok szerkesztés

Néhány vektor lineáris burka az a vektorhalmaz, ami előáll a vektorok lineáris kombinációjaként. Ez egy altér, és a legkisebb vektortér, ami a vektorokat tartalmazza.

Bázis szerkesztés

 
Egy v vektor az R2 térben (kékkel) különböző bázisokban kifejezve: az R2 standard bázisában: v = xe1 + ye2 (feketével), és egy másik, nem ortogonális bázisban: v = f1 + f2 (pirossal)

A bázis a lineáris algebrában egy olyan vektorhalmazt jelent, mely vektorainak lineáris kombinációi reprezentálják egy megadott vektortér valamennyi vektorát, valamint e vektorhalmaz semelyik eleme sem fejezhető ki a többi elem lineáris kombinációjával.
Tehát bázison lineárisan független generátorrendszert értünk.

Feltéve a kiválasztási axiómát, a Zorn-lemma biztosítja, hogy minden vektortérnek van bázisa. A Zermelo-Frankel axiómarendszerben ez az állítás ekvivalens a kiválasztási axiómával.

Ha egy vektort kifejezzük egy generátorrendszer elemeinek lineáris kombinációjaként, akkor a lineáris kombinációban szereplő skalárok a vektor koordinátái az adott bázisban. Egy generátorrendszerben a vektortér minden vektora kifejezhető koordinátákkal; azonban, ha a generátorrendszer nem lineárisan független, akkor ez nem egyértelmű; viszont egy bázisban a koordináták már egyértelműek. Ez megkönnyíti a számításokat, mivel a vektorok helyett koordinátavektorok használhatók.

Dimenzió szerkesztés

Ha adott egy V vektortér, akkor minden bázisának elemszáma, számossága ugyanaz. Ez a számosság a V vektortér dimenziója. Ha a vektortérnek nincs véges generátorrendszere, akkor dimenziója végtelen. A 0 tér dimenziója: 0.

Két, azonos test fölötti vektortér akkor és csak akkor izomorf, ha dimenziójuk megegyezik. Ez lehetővé teszi, hogy a vektorterek bázisainak elemei megfeleljenek egymásnak, ami kiterjeszthető lineáris leképezéssé; így a véges vektorterek közötti lineáris leképezések mátrixszal ábrázolhatók.

Vektorterek izomorfizmusa szerkesztés

Definíció szerkesztés

Két vektortér, V1 és V2 izomorf egymással, ha létezik egy kölcsönösen egyértelmű, injektív lineáris (homogén) leképezés V1-ből V2-re.

Azaz

  lineáris leképezés bijektív.

A vektorterek halmazán az izomorfia meghatároz egy osztályozást. Ez az osztályozás a halmazt diszjunkt részhalmazok uniójára bontja fel. Két vektortér akkor és csak akkor kerül ugyanabba az osztályba, ha izomorf.
E reláció reflexív, szimmetrikus és tranzitív, vagyis az izomorfia ekvivalenciareláció.

Magtér, képtér szerkesztés

Ha   tetszőleges lineáris leképezés, akkor a magtér és a képtér

 
 

Megjegyzés: a magtér a V, a képtér a W vektortér altere.

Tulajdonságok szerkesztés

Véges dimenziós vektorterek tulajdonságai

  • Egy   lineáris leképezés akkor és csak akkor izomorfizmus, ha
 
  • Ha V vektortér F felett, valamint
 
  • Ugyanazon F test feletti véges dimenziós vektorterekre fennáll:
 

Dimenziótétel szerkesztés

A dimenziótétel azt állítja, hogy tetszőleges lineáris leképezés képterében illetve magterében lévő bármely lineáris független generátorrendszer összelemszáma a kiindulási vektortér dimenziójával egyenlő. Formálisan

V1 és V2, két tetszőleges, véges dimenziós vektortér ugyanazon F test felett, továbbá   tetszőleges lineáris leképezés V1-ből V2-be. Ekkor

 

Műveletek vektorterekkel szerkesztés

Homomorfizmus szerkesztés

Az algebrában egy struktúra egy másikra vett leképezése homomorfizmus, ha megtartja az adott struktúrán végezhető műveleteket. Például vektortér esetén ez azt jelenti, hogy a leképezés megőrzi az összeadást és a skalárral szorzást. Legyenek  ,   vektorterek az   test fölött; ekkor   homomorfizmus, ha minden   és minden   esetén:

  •  
  •  

ami éppen a lineáris leképezés definíciója.

Faktortér szerkesztés

V egy tetszőleges vektortér F felett, és U egy tetszőleges altere V-nek. A

 

halmazok, ahol v befutja az egész vektorteret, diszjunkt részhalmazok uniójára bontják V-t, ugyanis ha
  akkor   és   diszjunkt, ha   akkor  
Definiálunk két műveletet e halmazok körében

 
 

Az ily módon definiált műveletek egyértelműek, mivel

 
 

Így egy vektorteret kaptunk, melyet a V vektortér U altere szerinti faktorterének nevezünk, vagy röviden a   faktortér, szokás   hányadosterének is nevezni.
A faktortér elemei a   vektorhalmazok, az additív egységelem a  

Direkt összeg szerkesztés

Ha   vektorterek ugyanazon test fölött, akkor direkt összegük az a vektortér, melynek elemei úgy képződnek, hogy az első komponens az első, a második komponens a második vektortér eleme:

 

A vektorokat komponensenként adjuk össze és a skalárral szorzást is komponensenként végezzük. A   vektortér dimenziója a tagok dimenziójának összege. Az összeg elemeit   helyett írják úgy is, mint  . A direkt összeg általánosítható véges és végtelen tagra is; utóbbi esetén csak véges sok tag különbözhet a nullvektortértől.

Direkt szorzat szerkesztés

Ha   vektorterek ugyanazon test fölött, akkor direkt szorzatuk az a vektortér, melynek elemei úgy képződnek, hogy az első komponens az első, a második komponens a második vektortér eleme:

 .

A vektorokat komponensenként adjuk össze és a skalárral szorzást is komponensenként végezzük. A   vektortér dimenziója a tagok dimenziójának összege. A direkt összeg általánosítható véges és végtelen tényezőre is; utóbbi esetben akár végtelen sok tényező is különbözhet a nullvektortértől.

Tenzorszorzás szerkesztés

 
A tenzorszorzás univerzális tulajdonságát szemléltető kommutatív diagram

Ha   vektorterek ugyanazon test fölött, akkor tenzorszorzatukat

 

jelöli. A tenzorszorzat elemeinek bilineáris ábrázolása:

 ,

ahol az   elemek skalárok,   bázis  -ben és   bázis  -ben. Ha   vagy   végtelen dimenziós, akkor csak véges sok tag különbözhet nullától. Ekkor   dimenziója   és   dimenziójának szorzata. A tenzorszorzás is általánosítható több vektortérre.

Vektorterek további struktúrával szerkesztés

 
  néhány  -normához tartozó egységgömb: az 1-es normához tartozó sárgával, a 2-es normához tartozó zölddel és a végtelen normához tartozó pirossal. A halványsága csúcsra állított négyzet azokat a pontokat jelöli, melyek 1-normája 2

A matematika több alkalmazásában, például a geometriában és az analízisben van, hogy nem elegendő a vektortér struktúra, hanem még további struktúrát is feltételezni kell; így biztosítva például normát vagy határérték létezését. Például:

  • euklidészi vektorterek: skalárszorzattal ellátott valós vektortér. A prehilbertterek speciális esete.
  • normált tér: egy olyan vektortér, amiben a vektoroknak hossza (normája) van. Ez egy nemnegatív szám, amire teljesül a háromszög-egyenlőtlenség.
  • prehilberttér: skalárszorzattal ellátott valós vagy komplex vektortér. Egy ilyen térben a vektorok hossza mellett még a vektorok szöge is definiálható. A topologikus vektortér speciális esete.
  • topologikus vektortér: topologikus tér fölötti vektortér, ahol a vektorok összeadása és a skalárral szorzás folytonos műveletek.
  • unitér vektortér: többnyire komplex vektortér skalárszorzattal ellátva. A prehilberttér speciális esete.

Topologikus vektorterekben kezelhető a konvergencia, a teljesség és az egyenletes konvergencia. A teljes normált terek Banach-terek, a teljes prehilbertterek Hilbert-terek.

Általánosítások szerkesztés

  • Ha a teret test helyett gyűrű felett definiáljuk, akkor modulust kapunk. Egyes szerzők csak kommutatív gyűrűk fölött definiálnak modulusokat. A kommutatív gyűrűk fölötti modulusok az Abel-csoport és a vektortér közös általánosításai.
  • Egyes szerzők a ferdetestek fölötti modulusokat is vektortérnek nevezik. Kommutativitás hiányában beszélhetünk bal- és jobbvektorterekről. Ez a helyzet összehasonlítható nem kommutatív gyűrűk fölötti modulusokkal. A cikkben megadott definíció ekkor a balvektorterekhez vezet, mivel a skalár a bal oldalon áll. A jobbvektorterek ennek tükörképi párjai, a skalár jobb oldalon jelenik meg. Több alapvető eredmény átvihető ferdetestek fölé, például bázis létezése.
  • Ha test helyett féltestet veszünk, akkor félvektorteret kapunk.
  • Egy másik általánosítás a vektornyaláb, ami vektorterek egy topologikus tér pontjaival paraméterezett családja.

Történeti megjegyzés szerkesztés

Bartel Leendert van der Waerden megjegyzi, hogy tudomása szerint az n-dimenziós vektortér fogalmát először Hermann Günther Graßmann használta 1844-ben megjelent Die lineale Ausdehnungslehre című könyvében. Implicit már korábban is használták a fogalmat.

Kapcsolódó szócikkek szerkesztés

Irodalom szerkesztés

  • Bronstejn – Szemengyajev – Musiol: Matematikai kézikönyv' (TypoTeX, 2002)
  • Dancs I. – Puskás Cs.: Vektorterek (Aula Kiadó, 2003)
  • Sain Márton: Matematikatörténeti ABC (Tankönyvkiadó, 1978)
  • Scharnitzky Viktor: Mátrixszámítás. Bolyai-könyvek sorozat (Műszaki Könyvkiadó, 1998)
  • Surányi László: Algebra, testek, gyűrűk, polinomok (TypoTeX, 2004)
  • Szász Gábor: Matematika II. (Nemzeti Tankönyvkiadó, 2000)
  • Szendrei János: Algebra és számelmélet (Nemzeti Tankönyvkiadó, 1996)

Források szerkesztés

Fordítás szerkesztés

Ez a szócikk részben vagy egészben a Vektorraum című német Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

További információk szerkesztés