Virittäminen

Katsotaan sitten, mitä vektoreita saadaan annettujen vektoreiden lineaarikombinaatioina. Joskus saadaan kaikki tarkasteltavan avaruuden vektorit, mutta ei tietenkään aina. Sanotaankin, että vektorit , , ..., virittävät avaruuden , jos jokainen vektori voidaan lausua jonakin näiden lineaarikombinaationa

.

Huomaa, että lukujen ja ei tässä tarvitse olla samoja kokonaislukuja.

Virittäminen voi olla suoraan määrittelyn mukaan tehtynä työlästä tarkistaa. Kehitetäänkin tämän toteamiseksi nopeampi päättelytapa.

Merkitään avaruuden vektoreille , , ..., , että

.

Tämä on ns. vektoreiden , , ..., virittämä aliavaruus.

Yleensäkin aliavaruuksilla on se karakteristinen ominaisuus, että kaikki niiden vektorien lineaarikombinaatiot ovat edelleen sen vektoreita. Ne muodostavat siten tavallaan omia vektoriavaruuksiaan. Esimerkiksi origon kautta kulkevat suorat ja tasot ovat kaikki tämän mukaisesti aliavaruuksia avaruudessa . Itse asiassa myöhemmin esimerkissä 6.13 todetaan, että muun tyyppisiä aliavaruuksia ei olekaan. Huomaa lisäksi, että jokainen aliavaruus sisältää aina avaruuden nollavektorin.

Esimerkki 4.6.

Tarkastellaan avaruuden osajoukkoa

.

Jos nyt ja , saadaan summavektorin komponenteille laskettua, että

.

Tämä osoittaa, että . Jos lisäksi , saadaan vastaavasti monikertavektorille , että

.

Siten myös . Edellä olevan määrittelyn mukaan joukko on siten avaruuden aliavaruus. Määrittelyjen yhteensopivuuden vuoksi sen täytyisi olla myös esitettävissä joidenkin vektoreiden virittämänä aliavaruutena. Todennetaan vielä se.

Vektorin komponenteille on voimassa ehto , joka voidaan lausua myös muodossa . Kolmas komponentti on näin ollen määrätty, jos kaksi ensimmäistä tiedetään. Tämän mukaisesti kokeillaan valita vektorit ja . Silloin jokainen vektori voidaan esittää muodossa

 

Tämä osoittaakin, että joukko on vektorien ja virittämä aliavaruus eli .

 

Seuraavassa päämääränä on ratkaista koko avaruuden virittämiskysymys pelkästään lineaarisen riippumattomuuden ja vektoreiden lukumäärän avulla. Sitä varten tarvitaan ensin muutamia valmistavia tuloksia. Ensimmäinen näistä on ehkä teknisen tuntuinen muotoilultaan ja todistukseltaan, mutta se on tarpeellinen avaintulos myöhemmille tuloksille.

Lause 4.7.

Jos vektori on vektorien , , ..., lineaarikombinaatio, niin

.

Todistus. Koska on vektorien , , ..., lineaarikombinaatio, voidaan jokaisessa vektorien , , , ..., lineaarikombinaatiossa vektori korvata muiden lineaarikombinaatiolla, jolloin tuloksena on pelkästään vektorien , , ..., lineaarikombinaatio.

 

Lause 4.8.

Jos avaruuden vektorit , , ..., ovat lineaarisesti riippumattomat ja jos vektorit , , ..., virittävät avaruuden , on oltava .

Todistus. Seuraavassa esitetään todistuksesta pääpiirteet joitakin yksityiskohtaisia laskelmia ohittaen. Koska , vektorilla on esitys

.

Tässä esityksessä jokin kerroin on nollasta eroava, sillä muutoin vastoin vektoreiden , , ..., lineaarista riippumattomuutta. Olkoon (muut tapaukset voidaan indeksejä muuttamalla hoitaa vastaavasti). Yltä voidaan silloin ratkaista, että

.

Edellisen lauseen 4.7 mukaan on täten

 

Niinpä vektorilla on jokin esitys

.

Jos tässä olisi , olisi ja siten joukko olisi vastoin oletusta lineaarisesti riippuva. Jonkin näistä kertoimista on siis oltava nollasta eroava, olkoon se (muut tapaukset voidaan hoitaa taas indeksejä muuttamalla). Samaan tapaan kuin edellä voidaan ratkaista

 

ja päätellä edelleen, että

.

Tällä tavalla jatketaan, ts. jokainen vektori korvataan vuorollaan vektorilla ja joka vaiheessa päätellään, että näin saatu vektorijoukko virittää edelleen koko avaruuden.

Jos nyt olisi vastoin väitettä, saataisiin tulokseksi, että

.

Tällöin käyttämättä jäänyt vektorikin olisi kyseisessä aliavaruudessa ts. se olisi muiden vektoreiden lineaarikombinaatio. Tämä taas tarkoittaisi, että vektorit , , ..., olisivat lineaarisesti riippuvat - vastoin oletusta. Ei siis voi olla , vaan täytyy olla , kuten väitettiin.