2026-03-18

Bigger Dual Vector Space

Bigger Dual Vector Space

好我们都知道对偶空间是什么了,由于有限维向量空间一定同构于自己的对偶空间,且同构于FnF^n后还可以定义内积后用Reisz表示定理,所以此时这个对偶空间看起来很废物.

但是无限维的时候对偶空间是有意义的,实际上我们发现无限维向量空间行对偶空间和原空间一定不相等,事实上,一定比原空间大.

这里的大是维数上的,但因为无穷,所以定义维数是基的集合的基数.

设FF上的向量空间VV有一组基数维κ\kappa的基,考虑V′V'.

容易发现V′≅FκV'\cong F^\kappa,这是因为线性映射等价于你对基的每一个元素都指定一个FF中的元素作为值.所以我们实际上是要考虑FκF^\kappa的大小.然后我不会,所以看看万能的AI:

dim⁡V=κ  ⟹  dim⁡V′=∣F∣κ\dim V=\kappa \implies\dim V'=|F|^\kappa

我们上面已经知道V′≅FκV'\cong F^\kappa.

首先考虑FκF^\kappa的元素总数就是∣F∣κ|F|^\kappa,所以显然不大于这个值,所以只需构造出这么多个向量:

考虑取一个大小为κ\kappa的集合SS,给其中每个元素ss设一个变量xsx_s,得到VV同构的一个多项式空间P=F[{xs∣s∈S}]P=F[\{x_s|s\in S\}],其中xs∈Sx_s\in S代表一个变量,也就是说这是一个∣S∣|S|元多项式.

考虑这个空间的维数,这个空间的维数就是其单项式的种类,则考虑单项式包含的变量是SS的一个有限子集,次数是整数,故其基数为:

∑i=0∞κiℵ0i=∑i=0∞κℵ0=κℵ0ℵ0=κ\begin{gathered} \sum_{i=0}^\infty \kappa^i \aleph_0^i \\ =\sum _{i = 0} ^{\infty} \kappa \aleph_0 \\ =\kappa \aleph_0 \aleph_0 \\ =\kappa \end{gathered}

基的大小相等,所以V≅PV\cong P(由集合势的定义知存在一组基的同构),所以V′≅P′V'\cong P'.

尝试直接构造:考虑一个赋值函数φa:p(x)↦p(a),p(x)∈P\varphi_a:p(x)\mapsto p(a),p(x)\in P,其中aa是对每个变元xsx_s赋一个值,是一个∣F∣κ|F|^\kappa大小的东西.下面尝试证明他们线性无关:

注意线性无关的定义是有限的:设存在 {cn}\{c_n\} 使得∑i=1nciφai=0\sum_{i=1}^n c_i \varphi_{a_i}=0,这代表∀p(x)∈P,∑i=1ncip(ai)=0\forall p(x)\in P,\sum_{i=1}^n c_i p(a_i)=0,为了证明ci=0c_i=0,只需要对每个aia_i构造一个pi(x)p_i(x)使得

pai(a)={1,a=ai0,otherwise\begin{gathered} p_{a_i}(a)=\begin{cases} 1 ,a=a_i \\ 0,\text{otherwise} \end{cases} \end{gathered}

如果有这种东西那么就显然了那么一代入就显然了.考虑构造.

然后我们发现,因为你有互不相同的nn个aia_i,那么一定可以选取m<∞m<\infty个点使得∃∣A∣=m\exists |A|=m,AA是一个指标集,使得aia_i在AA集合上就可以互相区分.而我们可以让我们构造的pp只包含这些AA对应的变元.所以下面讨论的都是只考虑AA中的变元.下面只构造p1p_1:

考虑任意aia_i和a1a_1,一定存在LiL_i使得Liai≠Lia1L_ia_i\ne L_ia_1,则:

p1(x)=∏i=2nLi(x)−Li(a1)Li(ai)−Li(a1)\begin{gathered} p_1(x)=\prod_{i=2}^n \dfrac{L_i(x)-L_i(a_1)}{L_i(a_i)-L_i(a_1)} \end{gathered}

你发现这个满足条件,于是构造出来了,于是线性无关,于是存在那样一个线性无关组,于是得证.

所以dim⁡V′=∣F∣κ\dim V'=|F|^\kappa.

∣V∣=dim⁡V|V|=\dim V?

然后我说你这个空间怎么和基一样大?如果我们设一组基大小为κ\kappa,则全空间大小有

∣V∣=∑i=1nκi∣F∣i=max⁡ℵ0,κ,∣F∣\begin{gathered} |V|=\sum _{i = 1} ^{n} \kappa^i |F|^i=\max \aleph_0,\kappa,|F| \end{gathered}

哦所以你发现κ\kappa大的时候还真是和基一样大的.