diff --git a/sections/3B.typ b/sections/3B.typ index 155d962..6abd2b3 100644 --- a/sections/3B.typ +++ b/sections/3B.typ @@ -145,7 +145,7 @@ #tab 这说明 $S$ 违反了子空间的条件(原书1.34)中对加法封闭性的要求,故 $S$ 不是 $LinearMap(V, W)$ 的子空间。 ] -#exercise_sol(type: "proof")[ +#exercise_sol(type: "proof", ref: )[ 设 $T in LinearMap(V, W)$ 是单射,向量组 $v_1, dots, v_n$ 在 $V$ 中线性无关。证明:向量组 $T v_1, dots, T v_n$ 在 $W$ 中线性无关。 ][ 设 $a_1, dots, a_n in FF$ 使得 @@ -242,7 +242,7 @@ #exercise_sol(type: "proof")[ 设 $V$ 上存在一个线性映射,使得其零空间和值域都是有限维的,证明:$V$ 是有限维的。 ][ - 设 $T in LinearMap(V)$,使得 $dim null T = m$ 且 $dim range T = n$,其中 $m, n in NN$。进一步可设 $u_1, dots, u_m$ 是 $null T$ 的一组基,$T v_1, dots, T v_n$ 是 $range T$ 的一组基。 + 设 $T in LinearMap(V)$,使得 $dim null T = m$ 且 $dim range T = n$。进一步可设 $u_1, dots, u_m$ 是 $null T$ 的一组基,$T v_1, dots, T v_n$ 是 $range T$ 的一组基,其中 $v_1, dots, v_n in V$。 #tab 设 $w in V$,则 $T w in range T$,因此可以将 $T w$ 表示为 @@ -338,7 +338,17 @@ #exercise_sol(type: "proof")[ 设 $W$ 是有限维向量空间,$T in LinearMap(V, W)$。证明:$T$ 是单射,当且仅当,存在 $S in LinearMap(W, V)$,使得 $S T$ 是 $V$ 上的恒等映射。 ][ - 首先假设 $T$ 是单射。根据“映射到更低维空间上的线性映射不是单射”(原书3.22)的逆否命题,可知 $dim V <= dim W$。设 $v_1, dots, v_n$ 是 $V$ 的一组基,$w_1, dots, w_n$ 是 $W$ 的一组线性无关向量组。根据线性映射引理(原书3.4),存在 $R in LinearMap(span(w_1, dots, w_n), V)$,使得对于任意 $i in {1, dots, n}$,有 $R w_i = v_i$。进一步,根据#exercise_ref(),存在 $S in LinearMap(W, V)$,使得对于任意 $w in span(w_1, dots, w_n)$,有 $S w = R w$。 + 首先假设 $T$ 是单射。根据值域是子空间(原书3.18),$range T$ 是 $W$ 的子空间,进一步根据子空间的维数(原书2.37),可得 $range T$ 是有限维的。设 $T u_1, dots, T u_n$ 是 $range T$ 的一组基,其中 $u_1, dots, u_n in V$。 + + #tab 设 $u in V$,则可以将 $T u$ 表示为 + + $ T u = a_1 T u_1 + dots.c + a_n T u_n = T (a_1 u_1 + dots.c + a_n u_n) $ + + #tab 其中 $a_1, dots, a_n in FF$。根据单射的定义(原书3.14),$T$ 是单射,因此 $u in span(u_1, dots, u_n)$。因此向量组 $u_1, dots, u_n$ 张成 $V$。故 $V$ 是有限维向量空间。 + + #tab 故可设 $v_1, dots, v_n$ 是 $V$ 的一组基。对于 $i in {1, dots, n}$,令 $w_i = T v_i$。根据@E-indep-preservance-under-inj,$w_1, dots, w_n$ 是线性无关的。 + + #tab 根据线性映射引理(原书3.4),存在 $R in LinearMap(span(w_1, dots, w_n), V)$,使得对于任意 $i in {1, dots, n}$,有 $R w_i = v_i$。进一步,根据#exercise_ref(),存在 $S in LinearMap(W, V)$,使得对于任意 $w in span(w_1, dots, w_n)$,有 $S w = R w$。 #tab 设 $v in V$,则可以将 $v$ 表示为 @@ -346,9 +356,9 @@ #tab 其中 $a_1, dots, a_n in FF$。则 - $ S T v &= S (a_1 T v_1 + dots.c + a_n T v_n) + $ S T v &= S (a_1 T v_1 + dots.c + a_n T v_n) \ &= S(a_1 w_1 + dots.c + a_n w_n) \ - &= a_1 S w_1 + dots.c + a_n S w_n + &= a_1 S w_1 + dots.c + a_n S w_n \ &= a_1 v_1 + dots.c + a_n v_n = v $ #tab 这说明 $S T$ 确实是 $V$ 上的恒等映射。 @@ -359,3 +369,26 @@ #tab 这说明 $null T = {0}$,根据“单射性 $<==>$ 零空间为 ${0}$”(原书3.15),$T$ 是单射。 ] + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 设 $W$ 是有限维的向量空间,$T in LinearMap(V, W)$。证明:$T$ 是满射,当且仅当,存在 $S in LinearMap(W, V)$,使得 $T S$ 是 $W$ 上的恒等映射。 +][ + 首先假设 $T$ 是满射。令 $n = dim W$。如果 $V$ 是有限维的,则根据“映射到更高维空间上的线性映射不是满射”(原书3.24)的逆否命题,$dim V >= dim W$。因此可设 $v_1, dots, v_n$ 是 $V$ 上的一个线性无关向量组。如果 $V$ 是无限维的,自然也可以取 $v_1, dots, v_n$ 为 $V$ 上的线性无关向量组。 + + #tab 现在对于 $i in {1, dots, n}$,令 $w_i = T v_i$。根据@E-indep-preservance-under-inj,$w_1, dots, w_n$ 是线性无关的。进一步,根据“长度恰当的线性无关组是基”(原书2.38),$w_1, dots, w_n$ 是 $W$ 的一组基。于是,根据线性映射引理(原书3.4),存在 $S in LinearMap(W, V)$,使得对于任意 $i in {1, dots, n}$,有 $S w_i = v_i$。 + + #tab 设 $w in W$,则可以将 $w$ 表示为 + + $ w = a_1 w_1 + dots.c + a_n w_n $ + + #tab 其中 $a_1, dots, a_n in FF$。则 + + $ T S w &= T (a_1 S w_1 + dots.c + a_n S w_n) \ + &= T (a_1 v_1 + dots.c + a_n v_n) \ + &= a_1 T v_1 + dots.c + a_n T v_n \ + &= a_1 w_1 + dots.c + a_n w_n = w $ + + #tab 这说明 $T S$ 确实是 $W$ 上的恒等映射。 + + #tab 现在假设存在 $S in LinearMap(W, V)$,使得 $T S$ 是 $W$ 上的恒等映射。设 $w in W$,则可取 $v = S w in V$,使得 $T v = T S w = w$。这说明对于任意 $w in W$,都存在一个向量在 $V$ 中,使得其通过 $T$ 映射到该向量。因此 $T$ 是满射。 +]