Thm_ (Dimension Theorem)
Let T:V→W be linear. If dim(V)<∞, then dim(V)=nullity(T)+rank(T).
Proof_
Since N(T) is a subspace of V, N(T) is finite-dimensional & dim(N(T))=nullity(T)=k≤n.
If k=n, then N(T)=V, and so R(T)={0}; thus dim(V)=n=n+0=nullity(T)+rank(T).
Suppose k<n. Let β′={v1,⋯,cn} be a basis for N(T).
Since β′ is linear independent, we can chose vk+1,⋯,cn∈V∖N(T) so that β{v1,⋯,vn} is a basis for V.
Note R(T)=span({T(v1),⋯,T(vn)})=span({T(vk+1),⋯,T(vn)})=span(S).
It remains to show that S is linear independent.
Suppose bk+1,⋯,bn∈F&n∑i=k+1bivi=0.
By the linearity of T, we have T(n∑i=k+1bivi)=0, and so n∑i=k+1bivi∈N(T).
So, ∃c1,⋯,ck∈F such that n∑i=k+1bivi=k∑i=1civi.
That is, (−c1)v1+⋯+(−ck)vk+bk+1vk+1+⋯+bnvn=0.
Thus, S is linear independent. We now concolude that rank(T)=n−k; that is dim(V)=n=nullity(T)+rank(T).
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