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  <name>Review of Linear Algebra</name>
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  <md:version>1.1</md:version>
  <md:created>2003/09/23 18:53:22 GMT-5</md:created>
  <md:revised>2004/05/12 11:56:13.799 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist>
      <md:author id="cscott">
      <md:firstname>Clayton</md:firstname>
      
      <md:surname>Scott</md:surname>
      <md:email>cscott@rice.edu</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

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    <md:maintainer id="cscott">
      <md:firstname>Clayton</md:firstname>
      
      <md:surname>Scott</md:surname>
      <md:email>cscott@rice.edu</md:email>
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    <md:maintainer id="lizzardg">
      <md:firstname>Elizabeth</md:firstname>
      
      <md:surname>Gregory</md:surname>
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      <md:firstname>Jeffrey</md:firstname>
      
      <md:surname>Silverman</md:surname>
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  <md:keywordlist>
    <md:keyword>vectors</md:keyword>
    <md:keyword>subspace</md:keyword>
    <md:keyword>linearly dependent</md:keyword>
    <md:keyword>linearly independent</md:keyword>
    <md:keyword>span</md:keyword>
    <md:keyword>basis</md:keyword>
    <md:keyword>well-defined</md:keyword>
    <md:keyword>finite dimensional</md:keyword>
    <md:keyword>direct sum</md:keyword>
    <md:keyword>complement</md:keyword>
    <md:keyword>orthogonal</md:keyword>
    <md:keyword>orthonormal</md:keyword>
    <md:keyword>orthogonal compliment</md:keyword>
    <md:keyword>Hilbert Space</md:keyword>
    <md:keyword>linear transformation</md:keyword>
    <md:keyword>matrix representation</md:keyword>
    <md:keyword>standard basis</md:keyword>
    <md:keyword>invertible</md:keyword>
    <md:keyword>unitary</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract/>
</metadata>

  <content>
    <para id="para1">Vector spaces are the principal object of study
    in linear algebra. A vector space is always defined with respect
    to a field of scalars.
    </para>   

    <section id="field">
      <name>Fields</name>
      <para id="f1">A field is a set <m:math><m:ci type="set">F</m:ci></m:math> equipped with two operations, addition and
      mulitplication, and containing two special members 0 and 1
	(<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:neq/>
	    <m:cn>0</m:cn>
	    <m:cn>1</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>), such that for all
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:set>
	      <m:ci>a</m:ci>
	      <m:ci>b</m:ci>
	      <m:ci>c</m:ci>
	    </m:set>
	    <m:ci type="set">F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>
	<list id="list1" type="enumerated">
	  <item>
	    <list id="l1a" type="enumerated">
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:in/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:ci>b</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci type="set">F</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:ci>b</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>b</m:ci>
		      <m:ci>a</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:mrow>
		      <m:mo>(</m:mo>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:mi>b</m:mi>
		      <m:mo>)</m:mo>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:mi>c</m:mi>
		    </m:mrow>
		    <m:mrow>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:mo>(</m:mo>
		      <m:mi>b</m:mi>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:mi>c</m:mi>
		      <m:mo>)</m:mo>
		    </m:mrow>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		    <m:ci>a</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>there exists
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>a</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math> such that
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:minus/>
			<m:ci>a</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		    <m:cn>0</m:cn>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	    </list>
	  </item>

	  <item>
	    <list id="list1b" type="enumerated">
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:in/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:ci>b</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci type="set">F</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:ci>b</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>b</m:ci>
		      <m:ci>a</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>a</m:ci>
			<m:ci>b</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>c</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>b</m:ci>
			<m:ci>c</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:mrow>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mo>·</m:mo>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:mrow>
		    <m:ci>a</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>there exists 
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:inverse/>
		    <m:ci>a</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math> such that
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:inverse/>
			<m:ci>a</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	    </list>
	  </item>
	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>a</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci>b</m:ci>
		    <m:ci>c</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>a</m:ci>
		    <m:ci>b</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>a</m:ci>
		    <m:ci>c</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	</list>
	More concisely
	<list id="list2" type="enumerated">
	  <item><m:math><m:ci type="set">F</m:ci></m:math> is an
	    abelian group under addition
	  </item>
	  <item><m:math><m:ci type="set">F</m:ci></m:math> is an
	    abelian group under multiplication
	  </item>
	  <item>multiplication distributes over addition</item>
	</list>
      </para>
      <section id="subsec">
	<name>Examples</name>
	<para id="subsec1">ℚ, ℝ, ℂ</para>
      </section>
    </section>

    <section id="vs">
      <name>Vector Spaces</name>
      <para id="vs1">Let <m:math><m:ci>F</m:ci></m:math> be
      a field, and <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> a
      set. We say <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>
      <emphasis>is a vector space over</emphasis>
      <m:math><m:ci>F</m:ci>
	</m:math> if there exist two operations, defined for all 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci>a</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>:
	<list id="list3">
	  <item>
	    vector addition: (<m:math><m:ci type="vector">u</m:ci></m:math>, <m:math><m:ci type="vector">v</m:ci></m:math>) →
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	  <item>
	    scalar multiplication:
	    (<m:math><m:ci>a</m:ci></m:math>,<m:math><m:ci type="vector">v</m:ci></m:math>) →
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>a</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	</list>
	and if there exists an element denoted
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">0</m:ci>
	    <m:ci>V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, such that the following hold for all
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci>a</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>,
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci>b</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>,
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">w</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>
	<list id="list4" type="enumerated">
	  <item>
	    <list id="list4a" type="enumerated">
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:mrow>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:mo>(</m:mo>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:ci type="vector">w</m:ci>
		      <m:mo>)</m:mo>
		    </m:mrow>
		    <m:mrow>
		      <m:mo>(</m:mo>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		      <m:mo>)</m:mo>
		      <m:mo>+</m:mo>
		      <m:ci type="vector">w</m:ci>
		    </m:mrow>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:ci type="vector">0</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>there exists
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math> such that
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:minus/>
			<m:ci type="vector">u</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		    <m:ci type="vector">0</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	    </list>
	  </item>
	  
	  <item>
	    <list id="list4b" type="enumerated">
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:plus/>
			<m:ci type="vector">u</m:ci>
			<m:ci type="vector">v</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>a</m:ci>
			<m:ci type="vector">u</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>a</m:ci>
			<m:ci type="vector">v</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:apply>
			<m:plus/>
			<m:ci>a</m:ci>
			<m:ci>b</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>a</m:ci>
			<m:ci type="vector">u</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>b</m:ci>
			<m:ci type="vector">u</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>a</m:ci>
			<m:ci>b</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:ci>b</m:ci>
			<m:ci type="vector">u</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:mrow>
		      <m:mn>1</m:mn>
		      <m:mo>·</m:mo>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    </m:mrow>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	    </list>
	  </item>
	</list>
	More concisely,
	<list id="list5" type="enumerated">
	  <item>
	    <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> is an abelian
	    group under plus
	  </item>
	  <item>Natural properties of scalar multiplication
	  </item>
	</list>
      </para>
      <section id="subsec2">
	<name>Examples</name>
	<para id="psubsec2">
	  <list id="list6">
	    <item>
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:reals/>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:math> is a vector space over ℝ
	    </item>
	    <item>
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:complexes/>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:math> is a vector space over ℂ
	    </item>
	    <item>
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:complexes/>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:math> is a vector space over ℝ
	    </item>
	    <item>
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:reals/>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:math> is <emphasis>not</emphasis> a vector space
	      over ℂ
	    </item>
	  </list>
	  The elements of <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>
	  are called <term>vectors</term>.
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="ES">
      <name>Euclidean Space</name>
      <para id="es1">Throughout this course we will think of a signal
      as a vector
	<m:math display="block">
	  <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:transpose/>
	      <m:matrix>
		<m:matrixrow>
		  <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:matrixrow>
	      </m:matrix>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
	The samples 
	<m:math>
	  <m:set>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:set>
	</m:math> could be samples from a finite duration, continuous
	time signal, for example.
      </para>

      <para id="es2">A signal will belong to one of two vector spaces:
      </para>	
      <section id="es2a">
	<name>Real Euclidean space</name>
	<para id="es2ap">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:reals/>
		<m:ci>N</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math> (over ℝ)
	</para>
      </section>
      <section id="es2b">
	<name>Complex Euclidean space</name>
	<para id="es2bp">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:complexes/>
		<m:ci>N</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math> (over ℂ)
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="subspaces">
      <name>Subspaces</name>
      <para id="ss1">Let <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> be a vector
      space over <m:math><m:ci>F</m:ci></m:math>.
      </para>
      <para id="ss2">A subset
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:subset/>
	    <m:ci type="set">S</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> is called a <term>subspace</term> of <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> if <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is a vector space over
	<m:math><m:ci>F</m:ci></m:math> in its own right.
      </para>
      <example id="ex1">
	<para id="ex1p1">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:reals/>
		<m:cn>2</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>, 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>F</m:ci>
	      <m:reals/>
	    </m:apply>
	  </m:math>, 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>S</m:ci>
	      <m:mtext>any line though the origin</m:mtext>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</para>
	
	<figure id="fig1">
	  <media type="image/png" src="subspace.png"/>
	  <caption><m:math><m:ci>S</m:ci></m:math> is any line 
	    through the origin.
	  </caption>
	</figure>

	<para id="ss3">Are there other subspaces?</para>
      </example>
      
      <rule type="theorem" id="thm1">
	<statement>
	  <para id="thm1p1">
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:subset/>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math> is a subspace if and only if for all
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:ci>a</m:ci>
		<m:ci>F</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math> and
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:ci>b</m:ci>
		<m:ci>F</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math> and for all
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:ci type="vector">s</m:ci>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math> and
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:ci type="vector">t</m:ci>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>,
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:in/>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>a</m:ci>
		    <m:ci type="vector">s</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>b</m:ci>
		    <m:ci type="vector">t</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </para> 
	</statement>
      </rule>
    </section>

    <section id="li">
      <name>Linear Independence</name>
      <para id="li1">Let
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:mrow>
	      <m:msub>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:mn>1</m:mn>
	      </m:msub>
	      <m:mo>,</m:mo>
	      <m:mi>…</m:mi>
	      <m:mo>,</m:mo>
	      <m:msub>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:mi>k</m:mi>
	      </m:msub>
	    </m:mrow>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>.
      </para>

      <para id="li2">We say that these vectors are <term>linearly
      dependent</term> if there exist scalars
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:mrow>
	      <m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mn>1</m:mn>
	      </m:msub>
	      <m:mo>,</m:mo>
	      <m:mi>…</m:mi>
	      <m:mo>,</m:mo>
	      <m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>k</m:mi>
	      </m:msub>
	    </m:mrow>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> such that
	<equation id="eqn1">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:sum/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:lowlimit>
		  <m:cn>1</m:cn>
		</m:lowlimit>
		<m:uplimit>
		  <m:ci>k</m:ci>
		</m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>u</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci type="vector">0</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>
	and at least one
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:neq/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>.
      </para>
      
      <para id="li3">If <cnxn target="eqn1"/> only holds for the case
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mn>1</m:mn>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>…</m:ci>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>k</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>, we say that the vectors are <term>linearly
	independent</term>.
      </para>

      <example id="ex2">
	<para id="ex2p2">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:vector>
		      <m:cn>1</m:cn>
		      <m:cn>-1</m:cn>
		      <m:cn>2</m:cn>
		    </m:vector>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:cn>2</m:cn>
		    <m:vector>
		      <m:cn>-2</m:cn>
		      <m:cn>3</m:cn>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:vector>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:vector>
		    <m:cn>-5</m:cn>
		    <m:cn>7</m:cn>
		    <m:cn>-2</m:cn>
		  </m:vector>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci type="vector">0</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  so these vectors are linearly dependent in
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:reals/>
	      <m:cn>3</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</para>
      </example>
    </section>

    <section id="spans">
      <name>Spanning Sets</name>
      <para id="span1">Consider the subset
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">S</m:ci>
	    <m:set>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>k</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>. Define the <term>span</term> of <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math>
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:equivalent/>
	    <m:mrow>
	      <m:mo>&lt;</m:mo>
	      <m:mi>S</m:mi>
	      <m:mo>&gt;</m:mo>
	    </m:mrow>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">span</m:ci>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:set>
	      <m:bvar>
		<m:apply>
		  <m:sum/>
		  <m:bvar>
		    <m:ci>i</m:ci>
		  </m:bvar>
		  <m:lowlimit>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:lowlimit>
		  <m:uplimit>
		    <m:ci>k</m:ci>
		  </m:uplimit>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>a</m:mi>
			<m:mi>i</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		    <m:ci type="vector"><m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mi>i</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>	
	      </m:bvar>      
	      <m:condition>
		<m:apply>
		  <m:in/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci>F</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:condition>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>

      <para id="span2"><emphasis>Fact:</emphasis>
	<m:math>
	  <m:mrow>
	    <m:mo>&lt;</m:mo>
	    <m:mi>S</m:mi>
	    <m:mo>&gt;</m:mo>
	  </m:mrow>
	</m:math> is a subspace of <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>.
      </para>
      
      <example id="ex3">
	<para id="ex3p1">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:reals/>
		<m:cn>3</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>, 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>F</m:ci>
	      <m:reals/>
	    </m:apply>
	  </m:math>,
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math>,
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:vector>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math>,
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:vector>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  ⇒
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:mrow>
		<m:mo>&lt;</m:mo>
		<m:mi>S</m:mi>
		<m:mo>&gt;</m:mo>
	      </m:mrow>
	      <m:mtext>xy-plane</m:mtext>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</para>
	
	<figure id="fig2">
	  <media type="image/png" src="span.png"/>
	  <caption>
	    <m:math>
	      <m:mrow>
		<m:mo>&lt;</m:mo>
		<m:mi>S</m:mi>
		<m:mo>&gt;</m:mo>
	      </m:mrow>
	    </m:math> is the xy-plane.
	  </caption>
	</figure>
      </example>

      <section id="ss4">
	<name>Aside</name>
	<para id="ss2p1">If <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is infinite, the notions of
	  linear independence and span are easily generalized:
	  </para>
	<para id="ss2p2">We say <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is linearly independent if, for
	every finite collection 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:mrow>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>u</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:mo>,</m:mo>
		<m:mi>…</m:mi>
		<m:mo>,</m:mo>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>u</m:mi>
		    <m:mi>k</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:mrow>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>, (<m:math><m:ci>k</m:ci></m:math> arbitrary) we
	  have
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:implies/>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:sum/>
		  <m:bvar>
		    <m:ci>i</m:ci>
		  </m:bvar>
		  <m:lowlimit>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:lowlimit>
		  <m:uplimit>
		    <m:ci>k</m:ci>
		  </m:uplimit>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>a</m:mi>
			<m:mi>i</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		    <m:ci type="vector"><m:msub>
			<m:mi>u</m:mi>
			<m:mi>i</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector">0</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:forall/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:cn>0</m:cn>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  The span of <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:mrow>
		<m:mo>&lt;</m:mo>
		<m:mi>S</m:mi>
		<m:mo>&gt;</m:mo>
	      </m:mrow>
	      <m:set>
		<m:bvar>
		  <m:apply>
		    <m:sum/>
		    <m:bvar>
		      <m:ci>i</m:ci>
		    </m:bvar>
		    <m:lowlimit>
		      <m:cn>1</m:cn>
		    </m:lowlimit>
		    <m:uplimit>
		      <m:ci>k</m:ci>
		    </m:uplimit>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci><m:msub>
			  <m:mi>a</m:mi>
			  <m:mi>i</m:mi>
			</m:msub></m:ci>
		      <m:ci type="vector"><m:msub>
			  <m:mi>u</m:mi>
			  <m:mi>i</m:mi>
			</m:msub></m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:bvar>
		<m:condition>
		  <m:apply>
		    <m:and/>
		    <m:apply>
		      <m:in/>
		      <m:ci><m:msub>
			  <m:mi>a</m:mi>
			  <m:mi>i</m:mi>
			</m:msub></m:ci>
		      <m:ci>F</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:in/>
		      <m:ci type="vector"><m:msub>
			  <m:mi>u</m:mi>
			  <m:mi>i</m:mi>
			</m:msub></m:ci>
		      <m:ci type="set">S</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:lt/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:infinity/>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:condition>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  <note>In both definitions, we only consider
	  <term>finite</term> sums.</note>
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="bases">
      <name>Bases</name>

      <para id="base1">A set
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:subset/>
	    <m:ci type="set">B</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> is called a <term>basis</term> for <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> over
	<m:math><m:ci>F</m:ci></m:math> if and only if
	<list type="enumerated" id="baselist">
	  <item><m:math>
	      <m:ci type="set">B</m:ci>
	    </m:math> is linearly independent
	  </item>

	  <item><m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:mrow>
		  <m:mo>&lt;</m:mo>
		  <m:mi>B</m:mi>
		  <m:mo>&gt;</m:mo>
		</m:mrow>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	</list>
	Bases are of fundamental importance in signal processing. They
	allow us to decompose a signal into building blocks (basis
	vectors) that are often more easily understood.
      </para>
      <example id="exbase">
	<para id="exbase1"><m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> = (real or complex) Euclidean
	  space, 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:reals/>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> or
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:complexes/>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	  
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:equivalent/>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:ci type="set">B</m:ci>
		<m:set>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>e</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci>…</m:ci>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>e</m:mi>
		      <m:mi>N</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:set>
	      </m:apply>
	      <m:mtext>standard basis</m:mtext>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:ci>e</m:ci>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:vector>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math> where the 1 is in the
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:ci>i</m:ci>
	      <m:ci>th</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> position.
	</para>
      </example>
      <example id="baseex">
	<para id="baseex2">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:complexes/>
		<m:ci>N</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math> over ℂ.
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">B</m:ci>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>u</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>u</m:mi>
		    <m:mi>N</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math> which is the DFT basis.

	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>u</m:mi>
		  <m:mi>k</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:vector>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:apply>
		  <m:exp/>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:imaginaryi/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:apply>
			<m:divide/>
			<m:ci>k</m:ci>
			<m:ci>N</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:exp/>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:imaginaryi/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:apply>
			<m:divide/>
			<m:ci>k</m:ci>
			<m:ci>N</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:apply>
			<m:minus/>
			<m:ci>N</m:ci>
			<m:cn>1</m:cn>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  where 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:imaginaryi/>
	      <m:apply>
		<m:root/>
		<m:cn>-1</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	 </para>
      </example>
      <section id="keyfact">
	<name>Key Fact</name>
	<para id="key1">If <m:math><m:ci type="set">B</m:ci></m:math>
	is a basis for <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>,
	then every
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci type="vector">v</m:ci>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> can be written uniquely (up to order of terms) in
	  the form
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector">v</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:sum/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:lowlimit>
		  <m:cn>1</m:cn>
		</m:lowlimit>
		<m:uplimit>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  where 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>a</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>F</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> and
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci type="set">B</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</para>
      </section>

      <section id="other">
	<name>Other Facts</name>
	<para id="other1">
	  <list id="otherlist">
	    <item>If <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is a
	    linearly independent set, then <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> can be extended to a basis.
	    </item>

	    <item>If
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:mrow>
		    <m:mo>&lt;</m:mo>
		    <m:ci type="set">S</m:ci>
		    <m:mo>&gt;</m:mo>
		  </m:mrow>
		  <m:ci type="set">V</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:math>, then <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> contains a basis.
	    </item>
	  </list>
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="dim">
      <name>Dimension</name>
      <para id="dim1">Let <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>
      be a vector space with basis <m:math><m:ci type="set">B</m:ci></m:math>. The dimension of <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>, denoted 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, is the cardinality of <m:math><m:ci type="set">B</m:ci></m:math>.
      </para>
      <rule type="theorem" id="dimthm1">
	<statement>
	  <para id="dimthm1p1">Every vector space has a basis.
	  </para>
	</statement>
      </rule>
      
      <rule type="theorem" id="dimthm2">
	<statement>
	  <para id="dimthm2p1">Every basis for a vector space has
	    the same cardinality.
	  </para>
	</statement>
      </rule>
      <para id="dim2">
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:implies/>
	    <m:ci/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> is <term>well-defined</term>.
      </para>

      <para id="dim3">If
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:lt/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:infinity/>
	  </m:apply>
	</m:math>, we say <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>
	is <term>finite dimensional</term>.
      </para>
      <section id="dimexes">
	<name>Examples</name>
	<table frame="all" id="table1">
	  <tgroup cols="3" align="center" colsep="1" rowsep="1">
	  <thead>
	    <row>
	      <entry>vector space</entry>
	      <entry>field of scalars</entry>
	      <entry>dimension</entry>
	    </row>
	  </thead>
	  <tbody>
	    <row>
	      <entry align="center">
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:reals/>
		    <m:ci>N</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </entry>
	      <entry align="center">
		<m:math><m:reals/></m:math>
	      </entry>
	    </row>
	    <row>
	      <entry align="center">
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:complexes/>
		    <m:ci>N</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </entry>
	      <entry align="center">
		<m:math><m:complexes/></m:math>
	      </entry>
	    </row>
	    <row>
	      <entry align="center">
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:complexes/>
		    <m:ci>N</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </entry>
	      <entry align="center">
		<m:math><m:reals/></m:math>
	      </entry>
	    </row>
	  </tbody>
	  </tgroup>
	</table>
	<para id="dimexes1">Every subspace is a vector space, and
	therefore has its own dimension.
	</para>

	<example id="dimexs1">
	  <para id="dimexsp1">Suppose
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:subset/>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:ci type="set">S</m:ci>
		  <m:set>
		    <m:ci type="vector"><m:msub>
			<m:mi>u</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>…</m:ci>
		    <m:ci type="vector"><m:msub>
			<m:mi>u</m:mi>
			<m:mi>k</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		  </m:set>
		</m:apply>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math> is a linearly independent set. Then
	    <m:math display="block">
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		  <m:mrow>
		    <m:mo>&lt;</m:mo>
		    <m:ci type="set">S</m:ci>
		    <m:mo>&gt;</m:mo>
		  </m:mrow>
		</m:apply>
		<m:ci/>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </para>
	</example>
      </section>

      <list id="factlist">
	<name>Facts</name>
	<item>If <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> 
	  is a subspace of <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>, 
	  then
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:leq/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">dim</m:ci>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">dim</m:ci>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</item>

	<item>If 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:lt/>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		  <m:ci type="set">S</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		  <m:ci type="set">V</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:infinity/>
	    </m:apply>
	  </m:math>, then
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</item>
      </list>
    </section>
    
    <section id="dsums">
      <name>Direct Sums</name>
      <para id="dsum1">Let <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>
      be a vector space, and let 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:subset/>
	    <m:ci type="set">S</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:subset/>
	    <m:ci type="set">T</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> be subspaces.
      </para>
      <para id="dsum2">We say <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> is the <term>direct sum</term> of
      <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> and <m:math><m:ci type="set">T</m:ci></m:math>, written
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:mo>⊕</m:mo>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:ci type="set">T</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>, if and only if for every 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, there exist unique
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">s</m:ci>
	    <m:ci type="set">S</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">t</m:ci>
	    <m:ci type="set">T</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> such that
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:ci type="vector">s</m:ci>
	      <m:ci type="vector">t</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>.
      </para>

      <para id="dsum3">If
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:mo>⊕</m:mo>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:ci type="set">T</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>, then
	<m:math><m:ci type="set">T</m:ci></m:math> is called a
	<term>complement</term> of <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math>.
      </para>

      <example id="dsumex">
	<para id="dsumex1">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	      <m:ci type="set"><m:msup>
		  <m:mi>C</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup>
	      </m:ci>
	      <m:mrow>
		<m:mo>{</m:mo>
		<m:mi>f</m:mi>
		<m:mo>:</m:mo>
		<m:reals/>
		<m:mo>→</m:mo>
		<m:reals/>
		<m:mo>|</m:mo>
		<m:mi>f</m:mi>
		<m:mtext> is continuous</m:mtext>
		<m:mo>}</m:mo>
	      </m:mrow>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:mrow>
		<m:mtext>even funcitons in </m:mtext>
		<m:msup>
		  <m:mi>C</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup>
	      </m:mrow>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">T</m:ci>
	      <m:mrow>
		<m:mtext>odd funcitons in </m:mtext>
		<m:msup>
		  <m:mi>C</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup>
	      </m:mrow>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">f</m:ci>
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:divide/>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:cn>2</m:cn>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">f</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">f</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:minus/>
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:divide/>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:cn>2</m:cn>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">f</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">f</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:minus/>
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  If
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="fn">f</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:ci type="fn">g</m:ci>
		<m:ci type="fn">h</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:ci type="fn"><m:msup>
		    <m:mi>g</m:mi>
		    <m:mi>′</m:mi>
		  </m:msup></m:ci>
		<m:ci type="fn"><m:msup>
		    <m:mi>h</m:mi>
		    <m:mi>′</m:mi>
		  </m:msup></m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>, 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci>g</m:ci>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> and
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci><m:msup>
		  <m:mi>g</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup></m:ci>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>,
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci>h</m:ci>
	      <m:ci type="set">T</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> and
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci><m:msup>
		  <m:mi>h</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup></m:ci>
	      <m:ci type="set">T</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>, then
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:minus/>
		<m:ci>g</m:ci>
		<m:ci><m:msup>
		    <m:mi>g</m:mi>
		    <m:mi>′</m:mi>
		  </m:msup></m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:minus/>
		<m:ci><m:msup>
		    <m:mi>h</m:mi>
		    <m:mi>′</m:mi>
		  </m:msup></m:ci>
		<m:ci>h</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math> is odd and even, which implies
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>g</m:ci>
	      <m:ci><m:msup>
		  <m:mi>g</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> and
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>h</m:ci>
	      <m:ci><m:msup>
		  <m:mi>h</m:mi>
		  <m:mi>′</m:mi>
		</m:msup></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</para>
      </example>
      <section id="dsumfax">
	<name>Facts</name>
	<list type="enumerated" id="dsumlist">
	  <item>Every subspace has a complement</item>
	  <item><m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:mo>⊕</m:mo>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:ci type="set">T</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> if and only if
	    <list id="dsumsublist" type="enumerated">
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:intersect/>
		      <m:ci type="set">S</m:ci>
		      <m:ci type="set">T</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:set>
		      <m:ci type="vector">0</m:ci>
		    </m:set>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	      <item>
		<m:math>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:mrow>
		      <m:mo>&lt;</m:mo>
		      <m:ci type="set">S</m:ci>
		      <m:mo>,</m:mo>
		      <m:ci type="set">T</m:ci>
		      <m:mo>&gt;</m:mo>
		    </m:mrow>
		    <m:ci type="set">V</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:math>
	      </item>
	    </list>
	  </item>
	  <item>If
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:ci type="set">V</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:mo>⊕</m:mo>
		  <m:ci type="set">S</m:ci>
		  <m:ci type="set">T</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>, and 
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:lt/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		  <m:ci type="set">V</m:ci>
		</m:apply>
		<m:infinity/>
	      </m:apply>
	    </m:math>, then
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		  <m:ci type="set">V</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		    <m:ci type="set">S</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">dim</m:ci>
		    <m:ci type="set">T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	</list>
      </section>
      <section id="dsumproof">
	<name>Proofs</name>
	<para id="dsumproof1">Invoke a basis.
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="norm">
      <name>Norms</name>
      <para id="norm1">Let <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>
      be a vector space over <m:math><m:ci>F</m:ci></m:math>. A norm
      is a mapping
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:mo>→</m:mo>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, denoted by
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
	    <m:ci type="vector">·</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, such that forall
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>,
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci>λ</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>
	<list id="normlist" type="enumerated">
	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:gt/>
		<m:apply>
		  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		  <m:ci type="vector">u</m:ci>
		</m:apply>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:math> if
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:neq/>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:ci type="vector">0</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>λ</m:ci>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:abs/>
		    <m:ci>λ</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>

	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:leq/>
		<m:apply>
		  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	</list>
      </para>
      
      <section id="normex">
	<name>Examples</name>
	<para id="normex1">Euclidean norms:</para>
	<para id="normex1a">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:reals/>
		<m:ci>N</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>:
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:apply>
		  <m:sum/>
		  <m:bvar>
		    <m:ci>i</m:ci>
		  </m:bvar>
		  <m:lowlimit>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:lowlimit>
		  <m:uplimit>
		    <m:ci>N</m:ci>
		  </m:uplimit>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>x</m:mi>
			<m:mi>i</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		    <m:cn>2</m:cn>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:cn>2</m:cn>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:complexes/>
		<m:ci>N</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>:
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:apply>
		  <m:sum/>
		  <m:bvar>
		    <m:ci>i</m:ci>
		  </m:bvar>
		  <m:lowlimit>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:lowlimit>
		  <m:uplimit>
		    <m:ci>N</m:ci>
		  </m:uplimit>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:apply>
		      <m:abs/>
		      <m:ci><m:msub>
			  <m:mi>x</m:mi>
			  <m:mi>i</m:mi>
			</m:msub></m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:cn>2</m:cn>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:cn>2</m:cn>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>
      </section>

      <section id="normim">
	<name>Induced Metric</name>
	<para id="normim1">Every norm induces a metric on <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> 
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:equivalent/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">d</m:ci>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math> which leads to a notion of "distance" between vectors.
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="ip">
      <name>Inner products</name>
      <para id="ip1">Let 
	<m:math>
	  <m:ci>V</m:ci>
	</m:math> be a vector space over <m:math><m:ci type="set">F</m:ci></m:math>, 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">F</m:ci>
	    <m:reals/>
	  </m:apply>
	</m:math> or
	<m:math><m:complexes/></m:math>. An inner product is a mapping
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:cartesianproduct/>
	    <m:ci>V</m:ci>
	    <m:ci>V</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:mrow>
	    <m:mo>→</m:mo>
	    <m:ci type="set">F</m:ci>
	  </m:mrow>
	</m:math>, denoted
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci>·</m:ci>
	    <m:ci>·</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, such that
	<list type="enumerated" id="listip">
	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:geq/>
		<m:apply>
		  <m:scalarproduct/>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:math>, and
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:mo>⇔</m:mo>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:apply>
		    <m:scalarproduct/>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:cn>0</m:cn>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  <m:cn>0</m:cn>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>

	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:scalarproduct/>
		  <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:conjugate/>
		  <m:apply>
		    <m:scalarproduct/>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>

	  <item>
	    <m:math>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:scalarproduct/>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>a</m:ci>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>b</m:ci>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:ci type="vector">w</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>a</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:scalarproduct/>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:ci type="vector">w</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>b</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:scalarproduct/>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		      <m:ci type="vector">w</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </item>
	</list>
      </para>

      <section id="ipex">
	<name>Examples</name>

	<para id="ipex1">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:reals/>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> over ℝ:
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:scalarproduct/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
		<m:ci type="vector">y</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:transpose/>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:sum/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:lowlimit>
		  <m:cn>1</m:cn>
		</m:lowlimit>
		<m:uplimit>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>y</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>
	<para id="ipex2">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:complexes/>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> over ℂ:
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:scalarproduct/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
		<m:ci type="vector">y</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#adjoint"/>
		    <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:sum/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:lowlimit>
		  <m:cn>1</m:cn>
		</m:lowlimit>
		<m:uplimit>
		  <m:ci>N</m:ci>
		</m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:conjugate/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>x</m:mi>
			<m:mi>i</m:mi>
		      </m:msub></m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>y</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>
	<para id="ipex3">If
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <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:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>N</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		</m:vector>
	      </m:apply>
	      <m:complexes/>
	    </m:apply>
	  </m:math>, then
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:equivalent/>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#adjoint"/>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:transpose/>
		<m:vector>
		  <m:apply>
		    <m:conjugate/>
		    <m:ci><m:msub>
			<m:mi>x</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub></m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:conjugate/>
		    <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:apply>
	  </m:math> is called the "Hermitian," or "conjugate
	  transpose" of <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math>.
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="ti">
      <name>Triangle Inequality</name>
      <para id="ti1">If we define
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
	      <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:scalarproduct/>
	      <m:ci type="vector">u</m:ci>
	      <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>, then
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:leq/>
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>Hence, every inner product induces a norm.
      </para>
    </section>

    <section id="csi">
      <name>Cauchy-Schwarz Inequality</name>
      <para id="csi1">For all
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    <m:ci>V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:ci>V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>, 
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:leq/>
	    <m:apply>
	      <m:abs/>
	      <m:apply>
		<m:scalarproduct/>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> In inner product spaces, we have a notion of the
	angle between two vectors:
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">∠</m:ci>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:arccos/>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:apply>
		    <m:scalarproduct/>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:apply>
		      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:interval closure="closed-open">
	      <m:cn>0</m:cn>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:cn>2</m:cn>
		<m:pi/>
	      </m:apply>
	    </m:interval>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="orth">
      <name>Orthogonality</name>
      <para id="orth1"><m:math><m:ci type="vector">u</m:ci></m:math>
      and <m:math><m:ci type="vector">v</m:ci></m:math> are
      <term>orthogonal</term> if 
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:scalarproduct/>
	      <m:ci type="vector">u</m:ci>
	      <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>Notation:
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:mo>⊥</m:mo>
	    <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>.
      </para>
      <para id="orth2">If in addition
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
	      <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
	      <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:cn>1</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>, we say <m:math><m:ci type="vector">u</m:ci></m:math> and <m:math><m:ci type="vector">v</m:ci></m:math> are <term>orthonormal</term>.
      </para>

      <para id="orth3">In an orthogonal (orthonormal)
      <emphasis>set</emphasis>, each pair of vectors is orthogonal
      (orthonormal).</para> 

      <figure id="fig3">
	<media type="image/png" src="orthogonal.png"/>
	<caption>Orthogonal vectors in
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:reals/>
	      <m:cn>2</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:math>.
	</caption>
      </figure>
    </section>

    <section id="ob">
      <name>Orthonormal Bases</name>
      <para id="ob1">An Orthonormal basis is a basis
	<m:math>
	  <m:set>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>v</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:set>
	</m:math> such that
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:scalarproduct/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>δ</m:mi>
		<m:mrow>
		  <m:mi>i</m:mi>
		  <m:mo>​</m:mo>
		  <m:mi>j</m:mi>
		</m:mrow>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:piecewise>
	      <m:piece>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:ci>i</m:ci>
		  <m:ci>j</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:piece>
	      <m:piece>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:apply>
		  <m:neq/>
		  <m:ci>i</m:ci>
		  <m:ci>j</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:piece>
	    </m:piecewise>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
      <example id="obex1">
	<para id="obexp1">The standard basis for 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:reals/>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> or
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:complexes/>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>
      </example>

      <example id="obex2">
	<para id="obexp2">The normalized DFT basis
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>u</m:mi>
		  <m:mi>k</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:root/>
		    <m:ci>N</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:vector>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:exp/>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:imaginaryi/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:apply>
			  <m:divide/>
			  <m:ci>k</m:ci>
			  <m:ci>N</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:exp/>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:imaginaryi/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:apply>
			  <m:divide/>
			  <m:ci>k</m:ci>
			  <m:ci>N</m:ci>
			</m:apply>
			<m:apply>
			  <m:minus/>
			  <m:ci>N</m:ci>
			  <m:cn>1</m:cn>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:vector>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>
      </example>
    </section>

    <section id="ec">
      <name>Expansion Coefficients</name>
      <para id="ec1">If the representation of <m:math><m:ci type="vector">v</m:ci></m:math> with respect to
	<m:math>
	  <m:set>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>v</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:set>
	</m:math> is
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:sum/>
	      <m:bvar>
		<m:ci>i</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>a</m:mi>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> then
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:scalarproduct/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="gs">
      <name>Gram-Schmidt</name>
      <para id="gs1">Every inner product space has an orthonormal
      basis. Any (countable) basis can be made orthogonal by the
      Gram-Schmidt orthogonalization process.
      </para>
    </section>

    <section id="oc">
      <name>Orthogonal Compliments</name>
      <para id="oc1">Let
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:subset/>
	    <m:ci type="set">S</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> be a subspace. The <term>orthogonal
	compliment</term> <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci><m:msup>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
		<m:mo>⊥</m:mo>
	      </m:msup></m:ci>
	    <m:set>
	      <m:bvar>
		<m:ci type="vector">u</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:condition>
		<m:apply>
		  <m:and/>
		  <m:apply>
		    <m:in/>
		    <m:ci type="vector">u</m:ci>
		    <m:ci type="set">V</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:scalarproduct/>
		      <m:ci type="vector">u</m:ci>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:cn>0</m:cn>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:forall/>
		    <m:bvar>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    </m:bvar>
		    <m:apply>
		      <m:in/>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		      <m:ci type="set">S</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:condition>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>
	<m:math>
	  <m:ci><m:msup>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:mo>⊥</m:mo>
	    </m:msup></m:ci>
	</m:math> is easily seen to be a subspace. 
      </para>
      <para id="paranextoc">If
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:lt/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	      <m:ci type="set">v</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:infinity/>
	  </m:apply>
	</m:math>, then 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:mo>⊕</m:mo>
	      <m:ci type="set">S</m:ci>
	      <m:ci><m:msup>
		  <m:ci type="set">S</m:ci>
		  <m:mo>⊥</m:mo>
		</m:msup></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>.
	<note type="Aside">If
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">dim</m:ci>
		<m:ci type="set">v</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:infinity/>
	    </m:apply>
	  </m:math>, then in order to have 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:mo>⊕</m:mo>
		<m:ci type="set">S</m:ci>
		<m:ci><m:msup>
		    <m:ci type="set">S</m:ci>
		    <m:mo>⊥</m:mo>
		  </m:msup></m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math> we require <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math> to be a <term>Hilbert
	  Space</term>.
	</note>
      </para>
    </section>

    <section id="lt">
      <name>Linear Transformations</name>
      <para id="lt1">Loosely speaking, a linear transformation is a
      mapping from one vector space to another that
      <emphasis>preserves</emphasis> vector space operations.
      </para>
      <para id="lt2">More precisely, let <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>, <m:math><m:ci type="set">W</m:ci></m:math> be vector spaces over the same
      field <m:math><m:ci>F</m:ci></m:math>. A <term>linear
      transformation</term> is a mapping
	<m:math>
	  <m:mrow>
	    <m:ci>T</m:ci>
	    <m:mo>:</m:mo>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:mo>→</m:mo>
	    <m:ci type="set">W</m:ci>
	  </m:mrow>
	</m:math> such that
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">T</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>a</m:ci>
		  <m:ci type="vector">u</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>b</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>a</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">T</m:ci>
		  <m:ci type="vector">u</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>b</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">T</m:ci>
		  <m:ci type="vector">v</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
	for all
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci>a</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>,
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci>b</m:ci>
	    <m:ci>F</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> and
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">u</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>,
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:ci type="vector">v</m:ci>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>.
      </para>

      <para id="lt3">In this class we will be concerned with linear
      transformations between (real or complex) <emphasis>Euclidean
      spaces</emphasis>, or subspaces thereof.
      </para>
    </section>

    <section id="image">
      <name>Image</name>
      <para id="image1">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:image/>
	      <m:ci>T</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:set>
	      <m:bvar>
		<m:ci type="vector">w</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:condition>
		<m:apply>
		  <m:and/>
		  <m:apply>
		    <m:in/>
		    <m:ci type="vector">w</m:ci>
		    <m:ci type="set">W</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:mrow>
		    <m:apply>
		      <m:eq/>
		      <m:apply>
			<m:ci type="fn">T</m:ci>
			<m:ci type="vector">v</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci type="vector">w</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:mtext>for some </m:mtext>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		  </m:mrow>
		</m:apply>
	      </m:condition>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="nullspace">
      <name>Nullspace</name>
      <para id="null1">Also known as the kernel:
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">ker</m:ci>
	      <m:ci>T</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:set>
	      <m:bvar>
		<m:ci type="vector">v</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:condition>
		<m:apply>
		  <m:and/>
		  <m:apply>
		    <m:in/>
		    <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    <m:ci type="set">V</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">T</m:ci>
		      <m:ci type="vector">v</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci type="vector">0</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:condition>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <para id="paraA">Both the image and the nullspace are easily seen
    to be subspaces.</para>

    <section id="rank">
      <name>Rank</name>
      <para id="rank1">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">rank</m:ci>
	      <m:ci>T</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:image/>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="nullity">
      <name>Nullity</name>
      <para id="nullity1">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">null</m:ci>
	      <m:ci>T</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">ker</m:ci>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>
    
    <section id="rpnt">
      <name>Rank plus nullity theorem</name>

      <para id="rpnt1">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">rank</m:ci>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">null</m:ci>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">dim</m:ci>
	      <m:ci type="set">V</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="matrices">
      <name>Matrices</name>
      <para id="matrices1">Every linear transformation
      <m:math><m:ci>T</m:ci></m:math> has a <term>matrix
      representation</term>. If
	<m:math>
	  <m:mrow>
	    <m:mi>T</m:mi>
	    <m:mo>:</m:mo>
	    <m:msup>
	      <m:ci>𝔼</m:ci>
	      <m:mi>N</m:mi>
	    </m:msup>
	    <m:mo>→</m:mo>
	    <m:msup>
	      <m:mi>𝔼</m:mi>
	      <m:mi>M</m:mi>
	    </m:msup>
	  </m:mrow>
	</m:math>, 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>𝔼</m:ci>
	    <m:reals/>
	  </m:apply>
	</m:math> or <m:math><m:complexes/></m:math>, then
	<m:math><m:ci>T</m:ci></m:math> is represented by an 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:cartesianproduct/>
	    <m:ci>M</m:ci>
	    <m:ci>N</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> matrix
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	    <m:matrix>
	      <m:matrixrow>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>a</m:mi>
		    <m:mrow>
		      <m:mn>1</m:mn>
		      <m:mo>​</m:mo>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:mrow>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>a</m:mi>
		    <m:mrow>
		      <m:mn>1</m:mn>
		      <m:mo>​</m:mo>
		      <m:mi>N</m:mi>
		    </m:mrow>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:matrixrow>
	      <m:matrixrow>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:ci>⋱</m:ci>
		<m:ci>⋮</m:ci>
	      </m:matrixrow>
	      <m:matrixrow>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>a</m:mi>
		    <m:mrow>
		      <m:mi>M</m:mi>
		      <m:mo>​</m:mo>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:mrow>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>a</m:mi>
		    <m:mrow>
		      <m:mi>M</m:mi>
		      <m:mo>​</m:mo>
		      <m:mi>N</m:mi>
		    </m:mrow>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:matrixrow>
	    </m:matrix>
	  </m:apply>
	</m:math>
	where
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:vector>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>a</m:mi>
		  <m:mrow>
		    <m:mn>1</m:mn>
		    <m:mo>​</m:mo>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:mrow>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>a</m:mi>
		  <m:mrow>
		    <m:mi>M</m:mi>
		    <m:mo>​</m:mo>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:mrow>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:vector>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">T</m:ci>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>e</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> and
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>e</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:vector>
	      <m:cn>0</m:cn>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:cn>1</m:cn>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:vector>
	  </m:apply>
	</m:math> is the 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:power/>
	    <m:ci>i</m:ci>
	    <m:ci>th</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> <term>standard basis</term> vector.
	<note type="Aside">A linear transformation can be represented
	with respect to any bases of 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:ci>𝔼</m:ci>
	      <m:ci>N</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  and
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:ci>𝔼</m:ci>
	      <m:ci>M</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>, leading to a different <m:math><m:ci type="matrix">A</m:ci></m:math>. We will always represent a
	  linear transformation using the standard bases.
	</note>
      </para>
    </section>

    <section id="colspan">
      <name>Column span</name>
      <para id="colspan1">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">colspan</m:ci>
	      <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:mrow>
	      <m:mo>&lt;</m:mo>
	      <m:mi>A</m:mi>
	      <m:mo>&gt;</m:mo>
	    </m:mrow>
	    <m:apply>
	      <m:image/>
	      <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="duality">
      <name>Duality</name>
      <para id="dual1">If
	<m:math>
	  <m:mrow>
	    <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	    <m:mo>:</m:mo>
	    <m:msup>
	      <m:reals/>
	      <m:mi>N</m:mi>
	    </m:msup>
	    <m:mo>→</m:mo>
	    <m:msup>
	      <m:reals/>
	      <m:mi>M</m:mi>
	    </m:msup>
	  </m:mrow>
	</m:math>, then
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">ker</m:ci>
		<m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>⊥</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:image/>
	      <m:apply>
		<m:transpose/>
		<m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>

      <figure id="fig4">
	<media type="image/png" src="dual.png"/>
      </figure>
      
      <para id="dual2">If
	<m:math>
	  <m:mrow>
	    <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	    <m:mo>:</m:mo>
	    <m:msup>
	      <m:complexes/>
	      <m:mi>N</m:mi>
	    </m:msup>
	    <m:mo>→</m:mo>
	    <m:msup>
	      <m:complexes/>
	      <m:mi>M</m:mi>
	    </m:msup>
	  </m:mrow>
	</m:math>, then
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">ker</m:ci>
		<m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>⊥</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:image/>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#adjoint"/>
		<m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>
    </section>

    <section id="inverses">
      <name>Inverses</name>
      <para id="inverses1">The linear transformation/matrix
      <m:math><m:ci type="matrix">A</m:ci></m:math> is
      <term>invertible</term> if and only if there exists a matrix
      <m:math><m:ci type="matrix">B</m:ci></m:math> such that
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      <m:ci type="matrix">B</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci type="matrix">B</m:ci>
	      <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:ci type="matrix">I</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math> (identity).
      </para>
      <para id="inverses2">Only <emphasis>square</emphasis> matrices
      can be invertible.
	<rule type="theorem" id="equivalents">
	  <statement>
	    <para id="thm4">Let
	      <m:math>
		<m:mrow>
		  <m:ci type="matrix">A</m:ci>
		  <m:mo>:</m:mo>
		  <m:msup>
		    <m:mi>𝔽</m:mi>
		    <m:mi>N</m:mi>
		  </m:msup>
		  <m:mo>→</m:mo>
		  <m:msup>
		    <m:mi>𝔽</m:mi>
		    <m:mi>N</m:mi>
		  </m:msup>
		</m:mrow>
	      </m:math> be linear, 
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:ci>𝔽</m:ci>
		  <m:reals/>
		</m:apply>
	      </m:math> or <m:math><m:complexes/></m:math>. The
	      following are equivalent:
	      <list id="inverselist" type="enumerated">
		<item><m:math><m:ci type="matrix">A</m:ci></m:math> is
		invertible (nonsingular)
		</item>
		<item>
		  <m:math>
		    <m:apply>
		      <m:eq/>
		      <m:apply>
			<m:ci type="fn">rank</m:ci>
			<m:ci type="matrix">A</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>N</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:math>
		</item>
		<item>
		  <m:math>
		    <m:apply>
		      <m:eq/>
		      <m:apply>
			<m:ci type="fn">null</m:ci>
			<m:ci type="matrix">A</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		  </m:math>
		</item>
		<item>
		  <m:math>
		    <m:apply>
		      <m:neq/>
		      <m:apply>
			<m:determinant/>
			<m:ci type="matrix">A</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		  </m:math>
		</item>
		<item>The columns of <m:math><m:ci type="matrix">A</m:ci></m:math> form a basis.</item>
	      </list>
	    </para>
	  </statement>
	</rule>
      </para>
    </section>

    <para id="paraB">If
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:inverse/>
	    <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:transpose/>
	    <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math> (or 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#adjoint"/>
	  <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math> in the complex case), we say <m:math><m:ci type="matrix">A</m:ci></m:math> is <term>orthogonal</term> (or
      <term>unitary</term>). 
    </para>

  </content>
  
</document>
