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<!DOCTYPE document PUBLIC "-//CNX//DTD CNXML 0.5 plus MathML//EN" "http://cnx.rice.edu/cnxml/0.5/DTD/cnxml_mathml.dtd">
<document xmlns="http://cnx.rice.edu/cnxml" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="m10298"> 
 
  <name>Vector Space</name> 
  
  <metadata>
  <md:version>2.5</md:version>
  <md:created>2001/08/09</md:created>
  <md:revised>2002/08/02 00:00:00.005 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist>
      <md:author id="rainking">
      <md:firstname>Doug</md:firstname>
      
      <md:surname>Daniels</md:surname>
      <md:email>rainking@alumni.rice.edu</md:email>
    </md:author>
      <md:author id="cox">
      <md:firstname>Steven</md:firstname>
      
      <md:surname>Cox</md:surname>
      <md:email>cox@rice.edu</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

  <md:maintainerlist>
    <md:maintainer id="rainking">
      <md:firstname>Doug</md:firstname>
      
      <md:surname>Daniels</md:surname>
      <md:email>rainking@alumni.rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer id="markb">
      <md:firstname>Mark</md:firstname>
      
      <md:surname>Barrett</md:surname>
      <md:email>markb@alumni.rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer id="cox">
      <md:firstname>Steven</md:firstname>
      
      <md:surname>Cox</md:surname>
      <md:email>cox@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
  </md:maintainerlist>
  
  <md:keywordlist>
    <md:keyword>vector</md:keyword>
    <md:keyword>space</md:keyword>
    <md:keyword>spaces</md:keyword>
    <md:keyword>complex</md:keyword>
    <md:keyword>arithmetic</md:keyword>
    <md:keyword>linear algebra</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract>This module discusses vector spaces and their applications to complex arithmetic.</md:abstract>
</metadata>

  <content>
    <section id="intro">
      <name>Introduction</name>
    
      <para id="p1">
	You have long taken for granted the fact that the set of real
	numbers, <m:math><m:reals/></m:math>, is closed under addition
	and multiplication, that each number has a unique additive
	inverse, and that the commutative, associative, and
	distributive laws were right as rain. The set,
	<m:math><m:complexes/></m:math>, of complex numbers also
	enjoys each of these properties, as do the sets
	<m:math display="inline">
	  <m:ci><m:msup>
	      <m:mi>ℝ</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msup></m:ci>
	</m:math> and
	<m:math display="inline">
	  <m:ci><m:msup>
	      <m:mi>ℂ</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msup></m:ci>
	</m:math>
	of columns of
	<m:math display="inline">
	  <m:ci>n</m:ci>
	</m:math>
	real and complex numbers, respectively.
      </para>
      
      <para id="p2">
	To be more precise, we write
	<m:math display="inline"><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math>
	and <m:math display="inline"><m:ci type="vector">y</m:ci></m:math>
	in 
	<m:math display="inline">
	  <m:ci><m:msup>
	      <m:mi>ℝ</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msup></m:ci>
	</m:math> as
      </para>

      <para id="p3">
	<m:math display="inline">
	  <m:apply><m:eq/>
	    <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    <m:vector>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:vector>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
      
      <para id="pins1">
	<m:math display="inline">
	  <m:apply><m:eq/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:vector>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>y</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>y</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>y</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:vector>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
      
      <para id="p4">
	and define their vector sum as the elementwise sum
	<equation id="eq1">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply><m:eq/>
	      <m:apply><m:plus/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
		<m:ci type="vector">y</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:vector>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>y</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mn>2</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>y</m:mi>
		      <m:mn>2</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
	      	<m:ci><m:msub>
		      <m:mi>y</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>

	and similarly, the product of a complex scalar,

	<m:math display="inline">
	  <m:apply><m:in/>
	    <m:ci type="vector">z</m:ci>
	    <m:complexes/>
	  </m:apply>
	</m:math>
	with  
	<m:math display="inline"><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> as:
	

	<equation id="eq2">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply><m:eq/>
	      <m:apply><m:times/>
		<m:ci type="vector">z</m:ci>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:vector>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci type="vector">z</m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci type="vector">z</m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mn>2</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci type="vector">z</m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>
      </para>
    </section>
    

    <section id="vector">
      <name>Vector Space</name>
      <para id="p5">
	These notions lead naturally to the concept of vector space. A set
	<m:math display="inline">
	  <m:ci type="set">V</m:ci>
	</m:math>
	is said to be a vector space if
	
	<list id="list1" type="enumerated">
	  <item>
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math> for each
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math> and
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    </m:math> in 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math>
	  </item>

<!-- here seems that no parenthess appear around, using the same -->
<!-- policy as times to do that now -->

	  <item>
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply>
		<m:eq/>		
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci type="vector">y</m:ci>
		    <m:ci type="vector">z</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		    <m:ci type="vector">y</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci type="vector">z</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	    
	    for each
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math>,
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    </m:math>, and 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">z</m:ci>
	    </m:math> in 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math>
	  </item>
	  
	  <item>
	    There is a unique "zero vector" such that
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  <m:ci type="vector">0</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math> for each 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math> in
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math>
	  </item>

	  <item>For each 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math> in
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math> there is a unique vector 
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:minus/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>  such that
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  <m:apply><m:minus/>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector">0</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>. 
	  </item>
	  
	  <item>
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>

	  <item>
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>
		      <m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>c</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>
		      <m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math> for each 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math> in
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math> and
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:math> and  
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:math> in 
	    <m:math display="inline">
	      <m:complexes/>
	    </m:math>.
	  </item>
	  
	  <item>
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci>c</m:ci>
		  <m:apply><m:plus/>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		    <m:ci type="vector">y</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:apply><m:times/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply><m:times/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:ci type="vector">y</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	    for each 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math> and
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    </m:math> in 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math> and
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci>c</m:ci>
	    </m:math> in 
	    <m:math display="inline">
	      <m:complexes/>
	    </m:math>.
	  </item>
	  
	  <item>
	    <m:math display="inline">
	      <m:apply><m:eq/>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:apply><m:plus/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub></m:ci>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub></m:ci>		
		  </m:apply>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		</m:apply>
		
		<m:apply><m:plus/>
		  <m:apply><m:times/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub></m:ci>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply><m:times/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>c</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub></m:ci>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>    
	      </m:apply>
	    </m:math>
	    for each  
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:math> in
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:math> and 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:math>	and 
	    <m:math display="inline">
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:math> in 
	    <m:math display="inline">
	      <m:complexes/>
	    </m:math>.
	  </item> 
	</list>
      </para>
    </section>
  </content>
</document>
