什么叫解空间的维数(线性代数空间的维数)

核心提示:对于数学来说,不一定非要数学家,比如大学数学系的学生,或者高中学过平面向量基本定理的同学(当然老师需要把事情说清楚),空间维度

对于数学来说,不一定非要数学家,比如大学数学系的学生,或者高中学过平面向量基本定理的同学(当然老师需要把事情说清楚),空间维度既不奇怪,也不难理解。简单一句话就是,一个确定空间中,独立变量(或者元素)的最大个数,就是维度。比如最简单的n维向量空间,其维度就是n,意思是说,在这个向量空间中,任意取n 1个向量就一定是相关的,就是说一定可以互相表示。比如上面提到的高中数学里面的平面向量基本定理,说的就是在平面中(二维向量空间)的任意三个向量一定线性相关,而不共线两个向量一定线性无关,所以平面是二维空间。老师们总是不愿意把这个非常重要的定理讲透讲清楚,反而热衷于把一个普通的高考题,翻过来覆过去的讲,不仅要讲各种解法,还要煞费苦心的总结出12345来。其实你把那个平面向量基本定理讲清楚了,对提高学生的数学素养,大有好处。也不至于学生们,高中毕业了,大学毕业了,也还是不明白什么是空间的维度,一看《三体》,一个降维打击,一个低维生物高维生物,就给忽悠的晕头转向。

其实,不是0维是点,一维是线,二维是平面,三维是空间,等等。而是相反,点是0维空间的一个例子,线是一维空间的一个例子,平面是二维空间的一个例子,等等。对于数学来说,每一维都是等价的,究竟是什么东西一点都不用关心,也没有什么特别的意义。比如,第四维,谁说一定是时间,什么都行,只要是构成你所考虑的这个空间的独立变量就行,可以是温度,可以是压强,可以是量子的自旋,或者角动量,等等,就看究竟是要描述或者解决什么问题。实际上第一第二维也未必就是两个互相垂直的直线,比如极坐标,第一维就是射线,第二维是角度。

至于物理范畴的空间维度,归根到底只是物理学借用数学来描述或者帮助解决物理问题的一种方法或者概念而已,并不是真的有一个所谓空间维度的物理实体。比如狭义相对论借用闵科夫斯基空间,广义相对论借用黎曼空间,还有超弦理论借用11维的卡拉比丘成桐空间等等。真正的物理意义,还是我们生活在其中的这个宇宙,一切都是人们的描述,或者借用大物理学家玻尔的话:“关于这个世界,我们可以说什么”。

所以,一句话,所谓空间维度,就是这个空间中(顺便说一句,对于数学来说,空间很多,各种各样,看你怎么定义,你看对于数学,空间是定义出来的)独立变量的最大个数。至于空间维(数学上叫做“基”),就是这个空间中彼此独立的那些元素,比如n维向量空间的基,就是n个两两不共线的向量,普通向量,谁都可以成为基向量,甚至不要求相互正交,或者是单位向量。一句话,对于数学,空间维度根本不用费心思去琢磨,把高中教材找出来,翻到平面向量基本定理那部分,体会一下这个定理说了些什么,你就明白了!

数学家的维度是通过N的N次方等推导出来的,属于抽象思维的派系;物理学家的维度,是通过观察现实世界的表象记录下来的,属于形象思维的派系。作为人来讲,当你站在高山之颠瞭望大地,心旷神怡,是不是感到快要飞起来,脱离地球啊!的确,当你在空间站上时,你其实相对于地球人来说,已处于更高一维了!当你想象你是一个蚂蚁时,在观察高山般的人类时,是不是感到你处于更低一维呢?的确,当你变为单细胞细菌时,你其实已处于更低一维了呀!细菌你的生命周期只有30分钟,可感觉就像人类活了100年啊!人类觉得细菌的生命周期太短了呀!作为细菌和人类之间的蚂蚁,可以看作分数维度!再缩小一下想象:单个原子和细菌按空间大小来说,相互处于不同的维度,而巨大的蛋白质分子(双螺旋DNA)就可以看作它们之间的分数维呀!再放大一下想象:当你在地球空间站上和在飞近火星的飞船上,你又处于不同的维度啊!时空会变化,你的相对速度在变化,这就是相对论啊!所以物理学家们维度和相对论是一致的!…!

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