diff --git a/sections/3A.typ b/sections/3A.typ index 6167aa2..f499b84 100644 --- a/sections/3A.typ +++ b/sections/3A.typ @@ -1,4 +1,4 @@ -#import "../styles.typ": exercise_sol, note, tab +#import "../styles.typ": exercise_sol, note, tab, exercise_ref #import "../math.typ": Poly, LinearMap, ii #note[与原书一致,在本章中,如无其他说明,我们总是假定字母 $U$,$V$ 和 $W$ 都是 $FF$ 上的向量空间。] @@ -282,3 +282,31 @@ #tab 这违反了线性映射的齐次性要求。因此 $T$ 不是线性映射。 ] + +#exercise_sol(type: "proof", label: "tricky")[ + 设 $V$ 是有限维向量空间,$T in LinearMap(V)$。证明:$T$ 是恒等算子的标量倍,当且仅当,对于任意 $S in LinearMap(V)$,$S T = T S$ 成立。 +][ + 首先,假设 $T = lambda I$,其中 $lambda in FF$ 且 $I$ 是 $V$ 上的恒等算子。设 $v in V$,则对于任意 $S in LinearMap(V)$,有 + + $ (S T)v = S(T v) = S(lambda v) = lambda S v = (lambda I)(S v) = (T S)v $ + + #tab 这说明 $S T = T S$ 成立。 + + #tab 另一方面,我们说明逆否命题。假设不存在 $lambda in FF$,使得 $T = lambda I$,即存在 $v in V$,使得不存在 $lambda in FF$,使得 $T v = lambda v$。根据#exercise_ref(),我们得到 $v, T v$ 是一个线性无关组。 + + #tab 现在,我们构造一个线性映射 $S in LinearMap(V)$,使得 $S v = v$ 且 $S T v = v$。具体而言,根据每个线性无关组都可被扩充为基(原书2.32),我们可以找到 $u_1, dots, u_m in V$,使得 $v, T v, u_1, dots, u_m$ 是 $V$ 的一组基。现在,对于任意 $w in V$,我们可以唯一地将 $w$ 表示为 + + $ w = a v + b T v + c_1 u_1 + dots.c + c_m u_m $ + + 其中 $a, b, c_1, dots, c_m in FF$。于是,我们令 + + $ S w = (a + b) v + c_1 u_1 + dots.c + c_m u_m $ + + #tab 很容易说明 $S$ 是线性映射,且 $S v = S T v = v$。于是只能有 + + $ S T v = v != T v = T S v $ + + #tab 这说明 $S T != T S$。 + + #tab 综上所述,$T$ 是恒等算子的标量倍,当且仅当,对于任意 $S in LinearMap(V)$,$S T = T S$ 成立。 +]