§ 3. Теорема об изоморфизме между любыми двумя векторными пространствами одной и той же конечной размерности n
Теорема 2. Для того чтобы два конечномерных векторных
, странства были изоморфны между собою, необходимо и достаточно, чтобы они имели одну и ту же размерность.
Доказательство. Условие необходимо. Из сказанного в конце § 1 об изоморфизме следует: если в одном из двух изоморфных между собою пространств имеется линейно независимая система, состоящая из
векторов, и нет линейно независимой системы, состоящей из большего числа векторов, то то же справедливо и для второго пространства.
Другими словами: два изоморфных между собою пространства имеют одну и ту же размерность.
Условие достаточно. Чтобы убедиться в этом, докажем, что всякое
-мерное векторное пространство U изоморфно
-мерному арифметическому пространству
. Пусть
— произвольный базис пространства U. Тогда каждый вектор
однозначно записывается в виде
Ставя в соответствие вектору
вектор
, мы и получаем искомое изоморфное соответствие между пространствами U и
(доказательство непосредственно вытекает из того, что при сложении двух векторов и
, и
их соответственные координаты складываются, а при умножении вектора
на какое-нибудь число к на то же к умножаются и координаты вектора
.
Замечание 1. Так как
то при только что установленном изоморфизме между векторными пространствами U и
базис
пространства U переходит в систему векторов
пространства
, и эта система векторов образует базис пространства
.
Вообще пусть U и
- два изоморфных векторных пространства. При (произвольно выбранном) изоморфном соответствии
между пространствами U и V любому базису
пространства U соответствует некоторый базис
пространства V и всякому вектору
пространства U соответствует вектор
пространства V, имеющий относительно базиса
те самые координаты, которые вектор и имеет относительно базиса
. Обратно, выбирая в двух
-мерных пространствах по произвольному базису
и сопоставляя друг с другом всякие два вектора
и
имеющие относительно этих базисов одни и те же координаты
, получим изоморфизм
между пространствами U и V.