Базис

У

Любой декартовой системе координат на плоскости или в трёхмерном пространстве (также и в пространстве другой размерности) может быть сопоставлен базис, состоящий из векторов, каждый из которых направлен вдоль своей координатной оси. Это относится и к прямоугольным

${\displaystyle {\vec {e}}_{1},{\vec {e}}_{2},{\vec {e}}_{3}}$

или

${\displaystyle {\vec {e}}_{x},{\vec {e}}_{y},{\vec {e}}_{z}}$

— трёхмерного пространства. Для трёхмерного пространства часто по традиции используется и обозначение

${\displaystyle {\vec {i}},{\vec {j}},{\vec {k}}.}$

Представление какого-то конкретного (любого) вектора ${\displaystyle {\vec {a}}}$ пространства в виде линейной комбинации векторов базиса (суммы базисных векторов числовыми коэффициентами), например

${\displaystyle {\vec {a}}=a_{x}{\vec {e}}_{x}+a_{y}{\vec {e}}_{y}+a_{z}{\vec {e}}_{z}}$

или

${\displaystyle {\vec {a}}=a_{1}{\vec {e}}_{1}+a_{2}{\vec {e}}_{2}+a_{3}{\vec {e}}_{3}}$

или, употребляя знак суммы ${\displaystyle \Sigma }$:

${\displaystyle {\vec {a}}=\sum _{i=1}^{3}a_{i}{\vec {e}}_{i}}$

называется разложением этого вектора по этому базису.

Числовые коэффициенты ${\displaystyle (a_{x},a_{y},a_{z})}$ называются коэффициентами разложения, а их набор в целом — представлением (или представителем) вектора ${\displaystyle {\vec {a}}}$ в базисе ${\displaystyle {\vec {e}}_{x},{\vec {e}}_{y},{\vec {e}}_{z}.}$ (Разложение вектора по конкретному базису единственно; разложение одного и того же вектора по разным базисам — разное, то есть получается разный набор конкретных чисел, однако в результате при суммировании — как показано выше — дают один и тот же вектор).

Базис Га́меля — множество

Критерием единственности решения задачи разложения вектора по полной системе векторов является линейная независимость векторов, входящих в полную систему. Линейная независимость означает, что всякая линейная комбинация векторов системы, в которой хотя бы один коэффициент ненулевой, имеет ненулевую сумму. То есть это эквивалентно единственности разложения нулевого вектора.

В случае линейных пространств, когда всякий ненулевой коэффициент обратим, линейная независимость эквивалентна невозможности выразить какой-либо вектор полной системы линейной комбинацией остальных векторов. (В более общей ситуации — модулей над кольцами — эти два свойства неэквивалентны). Невозможность выразить никакой вектор базиса через остальные означает минимальность базиса как полной системы векторов — при удалении любого из них теряется полнота.

В вопросе о существовании базисов основной является следующая лемма (доказательство этой леммы в общем случае неконструктивно и использует аксиому выбора):

Лемма. Пусть ${\displaystyle S_{1}}$ — полная, а ${\displaystyle S_{2}}$ — линейно независимая система векторов. Тогда система ${\displaystyle S_{1}}$ содержит набор векторов, дополняющий ${\displaystyle S_{2}}$ до базиса пространства ${\displaystyle V}$.

Следствием этой леммы являются утверждения:

1. Каждое линейное пространство обладает базисом.
2. Базис пространства можно выделить из любой полной системы векторов.
3. Всякую линейно независимую систему можно дополнить до базиса пространства V.

Любые два базиса в линейном пространстве равномощны, так что мощность базиса — величина, независящая от выбора базисных векторов. Она называется размерностью пространства (обозначается ${\displaystyle \dim V}$). Если линейное пространство имеет конечный базис, его размерность конечна и оно называется конечномерным, в противном случае его размерность бесконечна, и пространство называется бесконечномерным.

Выбранный базис линейного пространства позволяет ввести координатное представление векторов, чем подготавливается использование аналитических методов.

Линейное отображение из одного линейного пространства в другое однозначно определено, если задано на векторах какого-нибудь базиса. Комбинация этого факта с возможностью координатного представления векторов предопределяет применение матриц для изучения линейных отображений векторных пространств (в первую очередь — конечномерных). При этом многие факты из теории матриц получают наглядное представление и приобретают весьма содержательный смысл, когда они выражены на языке линейных пространств. И выбор базиса при этом служит хоть и вспомогательным, но в то же время ключевым средством.

• Векторы ${\displaystyle e_{1},e_{2},\dots ,e_{n}}$ пространства ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ образуют базис тогда и только тогда, когда определитель матрицы, составленной из координатных столбцов этих векторов, не равен 0: ${\displaystyle \det\{e_{1},e_{2},\dots ,e_{n}\}\neq 0}$.
• В пространстве всех многочленов над полем один из базисов составляют степенные функции: ${\displaystyle 1,x,x^{2},\dots ,x^{n},\dots }$.
• Понятие базиса используется в бесконечномерном случае, например вещественные числа образуют линейное пространство над рациональными числами и оно имеет континуальный базис Гамеля и, соответственно, континуальную размерность.

Базис Гамеля может быть использован для построения разрывной вещественной функции, удовлетворяющей условию ${\displaystyle f(x+y)=f(x)+f(y)}$. Пусть ${\displaystyle \{r_{\alpha }\}}$ — базис Гамеля множества действительных чисел ${\displaystyle \mathbb {R} }$ над полем рациональных чисел ${\displaystyle \mathbb {Q} }$. Тогда для каждого ${\displaystyle x=k_{\alpha _{1}}r_{\alpha _{1}}+\cdots +k_{\alpha _{n}}r_{\alpha _{n}}}$ (${\displaystyle k_{i}\in \mathbb {Q} }$) положим ${\displaystyle f(x)=k_{\alpha _{1}}f_{\alpha _{1}}+\cdots +k_{\alpha _{n}}f_{\alpha _{n}}}$, где ${\displaystyle f_{\alpha _{n}}=f(r_{\alpha _{n}})}$ произвольные вещественные числа, не все равные нулю одновременно; например, рациональные (в этом случае функция ${\displaystyle f(x)}$ принимает лишь рациональные значения и тем самым гарантированно не является линейной функцией ${\displaystyle f(x)=(c\cdot x)}$). Такая функция ${\displaystyle f(x)}$ аддитивна, то есть удовлетворяет функциональному уравнению Коши ${\displaystyle f(x+y)=f(x)+f(y)}$. Однако в общем случае, когда ${\displaystyle f_{\alpha _{n}}\neq c\cdot r_{\alpha _{n}}}$, она отличается от линейной функции ${\displaystyle f(x)=c\cdot x}$ и в силу этого является

числовую ось ${\displaystyle \left(-\infty ,+\infty \right)}$.

Базис Шаудера

В другом языковом разделе есть более полная статья Schauder basis (англ.). Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода

Система векторов ${\displaystyle \{e_{n}\}}$ топологического векторного пространства ${\displaystyle L}$ называется базисом Шаудера (в честь

${\displaystyle f\in L}$

${\displaystyle f}$

${\displaystyle \{e_{n}\}}$

${\displaystyle f=\sum _{i=1}^{\infty }f_{i}e_{i},}$

где ${\displaystyle f_{i}}$ — числа, называемые коэффициентами разложения вектора ${\displaystyle f}$ по базису ${\displaystyle \{e_{n}\}}$.

Чтобы подчеркнуть отличие определения базиса Гамеля для общих линейных пространств (допускаются только конечные суммы) от базиса Шаудера для

Например, никакое бесконечномерное Гильбертово пространство не имеет счетного линейного базиса, хотя может иметь счетные базисы Шаудера с разложением в ряд, в том числе, ортонормированные базисы. Все ортонормированные базисы гильбертовых пространств являются базисами Шаудера, например, множество функций ${\displaystyle \{1,{\frac {1}{\sqrt {2}}}\sin(2\pi nx),{\frac {1}{\sqrt {2}}}\cos(2\pi nx)\mid n=1,2,\dots \}}$ является базисом Шаудера в пространстве ${\displaystyle L^{2}[0,1]}$. В более общих банаховых пространствах понятие ортонормированного базиса неприменимо, но часто удаётся построить базисы Шаудера, не использующие ортогональности.

${\displaystyle C[a,b]}$ — банахово пространство с нормой ${\displaystyle \|f\|=\max _{x\in [a,b]}|f(x)|}$. Для разложений в ряды Фурье и обобщенные ряды Фурье по ортонормированным системам функций легко доказывается сходимость в гильбертовом пространстве ${\displaystyle L^{2}[a,b]}$, но не в ${\displaystyle C[a,b]}$. Шаудер сконструировал базис Шаудера ${\displaystyle \{e_{n}\}}$ для ${\displaystyle C[a,b]}$. Пусть ${\displaystyle \{x_{0},x_{1},\dots ,x_{n},\dots \}}$ — плотное счетное множество точек на ${\displaystyle [a,b]}$, ${\displaystyle x_{0}=a}$, ${\displaystyle x_{1}=b}$, остальные точки могут быть, например, всеми рациональными точками отрезка ${\displaystyle [a,b]}$, упорядоченными произвольным образом. Положим: ${\displaystyle e_{0}=1}$, ${\displaystyle e_{1}=(x-a)/(b-a)}$ — линейная функция. Определим кусочно-линейную функцию ${\displaystyle e_{n}(x)}$ так, чтобы ${\displaystyle e_{n}(x_{i})=0}$ при ${\displaystyle i=0,1,\dots ,n-1}$ и ${\displaystyle e_{n}(x_{n})=1}$. Точки ${\displaystyle x_{0},x_{1},x_{2},\dots ,x_{n-1}}$ разбивают ${\displaystyle [a,b]}$ на ${\displaystyle n-1}$ отрезок. Точка ${\displaystyle x_{n}}$ лежит строго внутри одного из них. Пусть это ${\displaystyle I_{n}=[x_{j},x_{k}]}$ для каких-то ${\displaystyle j,k\in \{0,\dots ,n-1\}}$ (порядок нумерации чисел ${\displaystyle x_{0},x_{1},x_{2},\dots }$ не соответствует их величине).

Положим:

${\displaystyle e_{n}(x)=0}$ вне отрезка ${\displaystyle I_{n}=[x_{j},x_{k}],}$

${\displaystyle e_{n}(x)={\frac {x-x_{j}}{x_{n}-x_{j}}}}$ при ${\displaystyle x\in [x_{j},x_{n}],}$

${\displaystyle e_{n}(x)={\frac {x_{k}-x}{x_{k}-x_{n}}}}$ при ${\displaystyle x\in [x_{n},x_{k}].}$

Полученная система кусочно-линейных «шапочек» и есть искомый базис Шаудера. Коэффициенты разложения произвольной функции ${\displaystyle f(x)\in C[a,b]}$ по этому базису выражаются по явным рекуррентным формулам через последовательность значений ${\displaystyle f(x_{i})}$. Частичная сумма первых ${\displaystyle n+1}$ членов ряда

${\displaystyle L_{n}(x)=\sum _{i=0}^{n}f_{i}e_{i}(x),}$

является в данном случае кусочно-линейной аппроксимацией ${\displaystyle f(x)}$ с узлами в точках ${\displaystyle x_{0},x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}}$; формула для коэффициентов ${\displaystyle f_{n}=f(x_{n})-L_{n-1}(x_{n});\;\;f_{0}=f(a)}$ (см. Рис.)

Базисы Шаудера построены для большинства известных примеров банаховых пространств, однако проблема Банаха — Шаудера о существовании базиса Шаудера в каждом сепарабельном банаховом пространстве не поддавалась решению более 50 лет и лишь в 1972 году была решена отрицательно: существуют сепарабельные банаховы пространства без базиса Шаудера (контрпримеры Энфло^[1], Шанковского, Дэви и Фигеля).

В векторной алгебре с помощью векторного произведения и смешанного произведения определяется понятие взаимного базиса к базису в трёхмерном евклидовом пространстве и используется для доказательства некоторых утверждений, связанных со смешанным произведением и углами между векторами^[2]:212-214. В кристаллографии взаимный базис называется кристаллографическим определением базиса, на основе которого определяется обратная решётка.

• Репер — близкое понятие.
• Ортогональный базис — специальный класс базисов (базисов Шаудера) для пространств со скалярным произведением (Гильбертово пространство).
• Базис Грёбнера
• Базис Рисса
• Конечномерное пространство
• Флаг (математика)

• Кутателадзе С. С., Основы функционального анализа. — 4 изд., испр. — Новосибирск: Изд-во Ин-та Математики СО РАН, 2001. — XII+354 c.