diff --git a/math.typ b/math.typ index 1651609..2e54d26 100644 --- a/math.typ +++ b/math.typ @@ -3,3 +3,5 @@ #let span = $op("span")$ #let Poly = math.cal("P") #let complexification(vv) = $vv_upright(C)$ +#let rhs = "R.H.S." +#let lhs = "L.H.S." diff --git a/sections/2C.typ b/sections/2C.typ index dd4adb0..43003b3 100644 --- a/sections/2C.typ +++ b/sections/2C.typ @@ -1,5 +1,9 @@ +#import "@preview/cetz:0.4.0" +#import "@preview/cetz-venn:0.1.4" + #import "../styles.typ": exercise_sol, note, tab, exercise_ref, math_numbering -#import "../math.typ": span, Poly +#import "../math.typ": span, Poly, rhs, lhs +#import "../color.typ": theme_color_set, aux_color_set, text_color_set #exercise_sol(type: "proof")[ 证明:$RR^2$ 的子空间恰有 ${0}$,$RR^2$ 中所有过原点的直线,以及 $RR^2$ 本身。 @@ -432,3 +436,69 @@ ][ 设 $v_1, dots, v_n$ 是 $V$ 的一组基。我们可以取 $V_k = span(v_k)$,其中 $k in {1, dots, n}$。注意到 $dim V_k = 1$,因此 $V_1, dots, V_n$ 都是 $V$ 的一维子空间。根据基的判定准则(原书2.28)和直和的定义(原书1.41),我们立即得到 $V = V_1 plus.circle dots.c plus.circle V_n$。 ] + +#exercise_sol(type: "explain")[ + 受三个有限集的并集的元素数量公式的启发,你可能会这样猜测:若 $V_1, V_2, V_3$ 是一个有限维向量空间的子空间,那么有 + + $ dim(V_1 + V_2 + V_3) =& dim V_1 + dim V_2 + dim V_3 \ + &- dim(V_1 inter V_2) - dim(V_1 inter V_3) - dim(V_2 inter V_3) \ + &+ dim(V_1 inter V_2 inter V_3) $ + + 解释一下为什么这样猜测,然后证明以上公式,或给出反例。 +][ + 有限集的并集的元素数量公式,由容斥原理给出,对于三个集合而言, + + $ \#(A union B union C) =& \#A + \#B + \#C \ + &- \#(A inter B) - \#(A inter C) - \#(B inter C) \ + &+ \#(A inter B inter C) $ + + #figure(cetz.canvas({ + let c1 = theme_color_set.at("60") + let c2 = aux_color_set.at("100") + let c3 = theme_color_set.at("100") + cetz-venn.venn3( + stroke: 1pt + text_color_set.at("100"), + a-fill: c1, + b-fill: c1, + c-fill: c1, + ab-fill: c2, + ac-fill: c2, + bc-fill: c2, + abc-fill: c3, + ) + }), caption: [三个集合的韦恩图。], placement: auto) + + #tab 这能够很自然地迁移到有关子空间维数的公式上来。然而,这一猜想并不正确,考虑取 + + $ V_1 &= {(0, x) in RR^2 : x in RR} \ + V_2 &= {(x, 0) in RR^2 : x in RR} \ + V_3 &= {(x, x) in RR^2 : x in RR} $ + + #tab 则 $dim V_1 = dim V_2 = dim V_3 = 1$,$dim(V_1 inter V_2) = dim(V_1 inter V_3) = dim(V_2 inter V_3) = 0$,$dim(V_1 inter V_2 inter V_3) = 0$,然而 $dim(V_1 + V_2 + V_3) = 2 != 1 + 1 + 1 - 0 - 0 - 0 + 0 = 3$。 + + #tab 因此,该猜想是错误的。 +] + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 已知 $V_1$,$V_2$ 和 $V_3$ 都是一个有限维向量空间的子空间,证明: + + $ dim(V_1 + V_2 + V_3) =& dim V_1 + dim V_2 + dim V_3 \ + &-dim(V_1 inter V_2)/3 - dim(V_1 inter V_3)/3 - dim(V_2 inter V_3) / 3 \ + &-dim((V_1 + V_2) inter V_3)/3 \ + &-dim((V_1 + V_3) inter V_2)/3 \ + &-dim((V_2 + V_3) inter V_1)/3 $ + + #note[上面公式初看可能有些奇怪,因为等式右边是否是整数令人怀疑。] +][ + 等式两边同时乘以 $3$,并利用子空间之和的维数(原书2.43)将形如 $dim(A inter B)$ 的项代换,我们得到#footnote[$rhs$ 是 Right Hand Side 的缩写,表示等式右边的表达式。对称地,$lhs$ 是 Left Hand Side 的缩写,表示等式左边的表达式。] + + $ 3rhs =& 3dim V_1 + 3dim V_2 + 3dim V_3 \ + &- (dim V_1 + dim V_2 - dim(V_1 + V_2)) \ + &- (dim V_1 + dim V_3 - dim(V_1 + V_3)) \ + &- (dim V_2 + dim V_3 - dim(V_2 + V_3)) \ + &- (dim(V_1 + V_2) + dim V_3 - dim(V_1 + V_2 + V_3)) \ + &- (dim(V_1 + V_3) + dim V_2 - dim(V_1 + V_3 + V_2)) \ + &- (dim(V_2 + V_3) + dim V_1 - dim(V_2 + V_3 + V_1)) $ + + #tab 整理后,立即给出了等式两边相等的结果。 +]