仿射空间

仿射空间:设\(L\)\(V\)d的一个子空间,\(x\)\(V\)中一个向量,记
\[M = x+L=\{x+l:l\in L\}\]
\(M\)仿射空间,也就是把过原点的子空间按照向量\(x\)平移得到,这样就包含了空间所有的点、线、面,也叫做平移子空间。仿射空间可以看作子空间\(x+l\)一一映射得到的。仿射空间没有零元素。
例:给定矩阵\(A^{m\times n}(m<n), 和向量b^m\),则满足
\[M = \{x\in R^n:Ax=b\}\]的解集是仿射空间(非齐次方程的解等于特解+对应其次方程的通解;通解是线性子空间,而特解相当于平移向量)。
几何上,把线性子空间称为偏置子空间,类似于近世代数中陪集的概念,泛函分析中称为仿射流形,凸分析中称之为仿射空间
定理一\(M\)是仿射空间当且仅当对\(\forall x,y\in M\)\(\lambda\in R\)
\[(1-\lambda)x+\lambda y \in M\]要求系数之和为1,是为了保证平移向量不变。
定理二:假设L是向量空间的子空间,对于空间中任意两个向量\(x,y\),下面几个命题等价:

(1) x+L = y+L
(2)\(y\in x+L\)

(3) \(-x+y \in L\)
定理三:如果x+L=y+L',则L=L'
这说明虽然平移线性空间的向量可以是不同的,但被平移的子空间是唯一的。
仿射空间的交:仿射空间族的交集是一个仿射空间或者是空集(当两个仿射空间是平行的时候)。
仿射空间的和:包含仿射空间\(S_i\)的最小集合。和满足交换律和结合律。
两条直线的和是两条直线确定的平面,两条异面直线的和是三位空间,在三维空间研究中,用连接表示,如两点的连接是直线,一条直线与不共线点连接得到平面。

仿射空间的维数:为子空间\(L\)的维数,即dim(x+L)=dim(L)
任何仿射空间的交也是仿射空间,因此对任意集合\(S\subseteq R^n\),存在唯一一个包含S的最小仿射空间,即所有满足\(M\supseteq S\)的仿射空间的交,这个集合也称为S的仿射包。记为aff S.
可以证明\(\text{aff}\{S\}=\{\lambda_1 x_1+...+\lambda_m x_m:\lambda_1+...+\lambda_m=1,x_i\in S_i\}\)
对于m+1个仿射独立的向量x0,x1,...,xm,他们组成了仿射空间aff{x0,x1,...,xm}的仿射坐标系,其中原点是x0,坐标向量分别是x1-x0,...,xm-x0,这个坐标系不再是直角坐标系,坐标原点可以任意选其中一个,其余的作为坐标向量。确定m维子空间需要m个向量,而确定m维仿射空间需要m+1个向量,其中一个确定仿射空间所在位置,而其他m个向量确定空间结构,表示为
\[x = \lambda_1 (x_1-x_0)+...+\lambda_m(x_m-x_0)+x_0,\sum\lambda_i = 1\]\(\lambda_i\geq 0\)时,称之为x的重心坐标。
引理1\((x+U)\cup (y+T)=x+span\{(-x+y)\}+S+T\)
证明:\((x+S)\cup (y+T)\)是包含x和y的仿射空间,因此,存在某个子空间L,使它的形式是x+L=y+L,且L当然包含span{-x+y},同时,也包含S和T。因此x+S, y+T的和是包含他们的最小仿射看空间,因此有L=span{-x+y}+S+T
引理2\((x+S)\cup(y+T)\)不是空集当且仅当\(-x+y\in S+T\)
证明:因为x+s=y+t,当且仅当-x+y=s-t
定理5:设M,N是V中两个仿射空间,S和T分别是对应的子空间,则\(M\cap N=\emptyset\)的充分必要条件是\[\text{dim}(M\cup N)=\text{dim}(S+T)+1\]是空集分两种,一种是不共面,另一种是平行,不共面的两仿射空间求并,导致维数增加;平行的直观图像为:两个子空间为相同,但是平移向量不同,得到的两个仿射空间并相当于两条平行线确定一个平面,比原来的子空间维数大1。
定理6:假设M和N是向量空间V中的仿射空间:
如果\(M\subset N\),则dimM\(\leq\)dimN,当且仅当M=N时dimM = dimN。
如果\(M\cap N\)不是空集,则\[dim(M\cup N)+dim(M\cap N)=dimM+dimN\]二维空间的关联性质
两个不同点的连接是一条直线
两个不平行直线的交是一点
三维空间的关联性质
两个不同点的连线是一条直线
两个不平行平面的交是一条直线
两条相交于一点的直线的和是一个平面
两条共面且不平行的直线交是一点
两条不同平行直线的和是一个平面
一条直线和不在它上的一点连接是一个平面
一个平面和不与它共面的直线的交是一个点

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