diff --git a/main.typ b/main.typ index 279d697..0dc5c20 100644 --- a/main.typ +++ b/main.typ @@ -4,7 +4,7 @@ #let toc = (( title: [向量空间], - sections: 1 + sections: 2, ),) #[ @@ -13,10 +13,13 @@ #{ for i in range(0, toc.len()) { + pagebreak(weak: true) let chapter = toc.at(i) heading(chapter.title, level: 1) for j in range(0, chapter.sections) { - pagebreak(weak: true) + if j > 0 { + pagebreak(weak: true) + } include "sections/" + numbering("1A", i + 1, j + 1) + ".typ" } } diff --git a/sections/1A.typ b/sections/1A.typ index d49c313..3dc4a6d 100644 --- a/sections/1A.typ +++ b/sections/1A.typ @@ -1,4 +1,4 @@ -#import "../styles.typ": exercise_sol, ii, note, tab, simple_box +#import "../styles.typ": exercise_sol, ii, note, tab, simple_box, unset-list-indent == $RR^n$ 和 $CC^n$ @@ -168,6 +168,7 @@ ] #simple_box(title: [$FF^n$ 是向量空间])[ + #show: unset-list-indent #tab 在原书的下一个小节(1B 向量空间的定义)中,正式给出了向量空间的定义。其实上面的习题就是在引导我们去验证:$FF^n$ 是一个向量空间。具体而言,原书定义1.13和定义1.18分别给出的 $FF^n$ 上的加法和标量乘法的定义,而其所需满足的性质: / 可交换性: \ 原书定理1.14 diff --git a/sections/1B.typ b/sections/1B.typ new file mode 100644 index 0000000..b48b999 --- /dev/null +++ b/sections/1B.typ @@ -0,0 +1,201 @@ +#import "../styles.typ": exercise_sol, ii, note, tab + +== 向量空间的定义 + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 证明:$-(-v)=v$ 对任一 $v in V$ 都成立。 + + #note[沿用原书记号1.29,即 $V$ 表示 $FF$ 上的向量空间。下文不再赘述。] +][ + 根据定义 $v + (-v) = 0$,由可交换性,得 $(-v) + v = 0$,即 $v$ 是 $-v$ 的加法逆元。由加法逆元的唯一性(原书定理1.27),得 $-(-v) = v$。 +] + +#exercise_sol(type: "proof", label: "tricky")[ + 设 $a in FF$,$v in V$ 且 $a v=0$,证明:$a=0$ 或 $v=0$。 +][ + 我们使用反证法,假设 $a != 0$ 且 $v != 0$,同时 $a v = 0$。由于 $a != 0$ 故存在 $a^(-1) in FF$($a^(-1) != 0$),使得 $a^(-1) a = 1$。因此有 + + $ 1 v = a^(-1) a v = a^(-1) (a v) = a^(-1) 0 = 0 $ + + #tab 这与 $v != 0$ 矛盾,假设不成立。因此,$a=0$ 或 $v=0$。 +] + +#exercise_sol(type: "explain")[ + 设 $u,w in V$,解释为什么存在唯一的 $x in V$ 使得 $v + 3x=w$。 +][ + 取 $x = 1/3 (w - v)$,则有 $v + 3x = v + 3(1/3 (w - v)) = v + (w - v) = w$。由于向量空间的加法和数乘满足封闭性,因此这样的 $x$ 存在于 $V$ 中。 + + #tab 为了说明其唯一性,假设存在另一个 $x' in V$ 使得 $v + 3x' = w$,则有 + + $ v + 3x = w = v + 3x' $ + + #tab 在等式两边同时加上 $-v$,化简得 $3x = 3x'$,等式两边同时乘以 $1/3$,得 $x = x'$。因此,这样的 $x$ 是唯一的。 +] + +#exercise_sol(type: "answer")[ + 空集不是向量空间。对于在向量空间的定义(原书定义1.20)中列出的要求,空集仅不满足其中的一条。是哪一条? +][ + 空集中不存在加法单位元。 +] + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 证明:在向量空间的定义(原书定义1.20)中,加法逆元条件可以替换为这一条件—— + + #align(center)[$0v=0$ 对所有 $v in V$ 成立。] + + 这里,左侧的 $0$ 是数 $0$,而右侧的 $0$ 是 $V$ 中的加法单位元。 + + #note(supplement: "提示")[ + 在定义中“条件可以替换”,指原来的条件替换成新的条件后,满足定义的对象原来那些。 + ] +][ + 采用原有定义时,新条件成立的证明由原书定理1.30给出。我们现在采用替换后的新定义,并以此证明加法逆元条件,即“对于所有 $v in V$,都存在 $w in V$ 使得 $v+w=0$”。 + + #tab 更具体地,我们说明 $v + (-1)v=0$。这是由于 + + $ v + (-1)v = 1v + (-1)v = (1 + (-1))v = 0v = 0 $ + + #tab 所以对于任意 $v in V$,它的加法逆元都存在,即 $(-1)v$。故两个条件可以相互替换。 +] + +#note[值得一提的是,习题5的证明和原书定理1.32的证明的核心部分完全一样。] + +#exercise_sol(type: "answer")[ + 令 $infinity$ 和 $-infinity$ 是不在 $RR$ 中的不同对象。以最符合直觉的方式定义 $RR union {infinity, -infinity}$ 上的加法和标量乘法。具体而言,两个实数的和和积照常定义,而对于 $t in RR$,我们定义 + + $ t infinity = cases( + -infinity tab& "若 " t<0 ",", + 0 &"若 " t=0 ",", + infinity &"若 " t>0 ";") + tab + t (-infinity) = cases( + infinity tab& "若 " t<0 ",", + 0 &"若 " t=0 ",", + -infinity &"若 " t>0 ";") $ + + #tab 以及 + + $ t + infinity &= infinity + t = infinity + infinity = infinity "," \ + t + (-infinity) &= (-infinity) + t = (-infinity) + (-infinity) = -infinity "," \ + infinity + (-infinity) &= (-infinity) + infinity = 0 $ + + #tab 具有这样的加法和标量乘法的 $RR union {infinity, -infinity}$ 是 $RR$ 上的向量空间吗?解释一下。 +][ + 不是。任取 $t in RR$($t!=0$),注意到, + + $ (t+infinity)+(-infinity)&=infinity+(-infinity)=0 \ + t+(infinity+(-infinity))&=t+0=t $ + + #tab 这违背了加法的可结合性要求。因此,$RR union {infinity, -infinity}$ 不是 $RR$ 上的向量空间。 +] + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 设 $S$ 是非空集合,令 $V^S$ 表示所有从 $S$ 到 $V$ 的函数构成的集合。请在 $V^S$ 定义一种自然的加法和标量乘法,并证明:具有这些定义的 $V^S$ 是向量空间。 +][ + 我们按如下方式定义 $V^S$ 上的加法和标量乘法: + + - 对于 $f, g in V^S$,和 $f + g in V^S$ 是由下式定义的函数:对于所有 $x in S$, + $ (f + g)(x) = f(x) + g(x) $ + - 对于 $lambda in FF$ 和 $f in V^S$,乘积 $lambda f in V^S$ 是由下式定义的函数:对于所有 $x in S$, + $ (lambda f)(x) = lambda f(x) $ + + #tab 我们现在证明 $V^S$ 是 $FF$ 上的向量空间。具体而言,我们逐条验证向量空间的定义(原书定义1.20)中的要求: + / 可交换性: 对于所有 $f, g in V^S$,都有 $f + g = g + f$。 \ + 证明:对于所有 $x in S$,有 + $ (f + g)(x) = f(x) + g(x) = g(x) + f(x) = (g + f)(x) $ + 因此 $f + g = g + f $。 + / 可结合性: 对于所有 $f, g, h in V^S$,都有 $(f + g) + h = f + (g + h)$。 \ + 证明:对于所有 $x in S$,有 + $ ((f + g) + h)(x) &= (f + g)(x) + h(x) 、 + &= f(x) + g(x) + h(x) \ + &= f(x) + (g + h)(x) \ + &= (f + (g + h))(x) $ + 因此 $(f + g) + h = f + (g + h)$。 + / 加法单位元: 存在 $0 in V^S$ 使得对于所有 $f in V^S$,都有 $f + 0 = f$。 \ + 证明:取 $0: x |-> 0$ 为 $V^S$ 中的加法单位元。对于所有 $f in V^S$,都有 + $ (f + 0)(x) = f(x) + 0 = f(x) = (f)(x) $ + 因此 $f + 0 = f$。 + / 加法逆元: 对于所有 $f in V^S$,存在 $g in V^S$ 使得 $f + g = 0$。 \ + 证明:取 $g: x |-> -f(x)$ 为 $f$ 的加法逆元。对于所有 $x in S$,都有 + $ (f + g)(x) = f(x) + g(x) = f(x) - f(x) = 0 $ + 因此 $f + g = 0$。 + / 乘法单位元: 对于所有 $f in V^S$,都有 $1f = f$。 \ + 证明:对于所有 $x in S$,都有 + $ (1f)(x) = 1 f(x) = f(x) $ + 因此 $1f = f$。 + / 分配性质: 对于所有 $f, g in V^S$ 以及所有 $a, b in FF$,都有 $a(f + g) = a f + a g$ 且 $(a + b)f = a f + b f$。 \ + 证明:对于所有 $x in S$,有 + $ (a(f + g))(x) &= a((f + g)(x)) = a(f(x) + g(x)) \ + &= a f(x) + a g(x) = (a f)(x) + (a g)(x) \ + = (a f + a g)(x) $ + 因此 $a(f + g) = a f + a g$。另一方面,有 + $ ((a + b)f)(x) &= (a + b) f(x) \ + &= a f(x) + b f(x) = (a f)(x) + (b f)(x) \ + = (a f + b f)(x) $ + 因此 $(a + b)f = a f + b f$。 + + #tab 综上所述,$V^S$ 满足向量空间的所有要求,因此 $V^S$ 是 $FF$ 上的向量空间。 +] + +#let complexification(vv) = $vv_upright(C)$ + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 设 $V$ 是实向量空间。 + + - $V$ 的*复化(complexification)*记为 $complexification(V)$,等于 $V times V$。$complexification(V)$ 中的所有元素为有序对 $(u,v)$,其中 $u,v in V$,不过我们将其记作 $u + ii v$。 + - $complexification(V)$ 上的加法定义为 + $ (u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2) = (u_1 + u_2) + ii (v_1 + v_2) $ + 对所有 $u_1,v_1,u_2,v_2 in V$ 都成立。 + - $complexification(V)$ 上的标量乘法定义为 + $ (a + b ii)(u + ii v) = (a u - b v) + ii (a v + b u) $ + 对所有 $a,b in RR$ 和所有 $u,v in V$ 都成立。 + + 证明:具有如上加法和标量乘法定义的 $complexification(V)$ 是向量空间。 + + #note[将 $u in V$ 等同于 $u + ii 0$,从而将 $V$ 视为 $complexification(V)$ 的一个子集。这样一来,由 $V$ 构造 $complexification(V)$ 就可以视作由 $RR^n$ 构造 $CC^n$ 的推广。] +][ + 我们将说明 $complexification(V)$ 是 $CC$ 上的向量空间。具体而言,我们逐条验证向量空间的定义(原书定义1.20)中的要求: + / 可交换性: 对于所有 $u_1,v_1,u_2,v_2 in V$,都有 $(u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2) = (u_2 + ii v_2) + (u_1 + ii v_1)$。 \ + 证明:由加法的可交换性,$u_1 + u_2 = u_2 + u_1$ 且 $v_1 + v_2 = v_2 + v_1$,因此 + $ (u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2) &= (u_1 + u_2) + ii (v_1 + v_2) \ + &= (u_2 + u_1) + ii (v_2 + v_1) \ + &= (u_2 + ii v_2) + (u_1 + ii v_1) $ + / 可结合性: 对于所有 $u_1,v_1,u_2,v_2,u_3,v_3 in V$,都有 $((u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2)) + (u_3 + ii v_3) = (u_1 + ii v_1) + ((u_2 + ii v_2) + (u_3 + ii v_3))$。 \ + 证明:由加法的可结合性,$(u_1 + u_2) + u_3 = u_1 + (u_2 + u_3)$ + 且 $(v_1 + v_2) + v_3 = v_1 + (v_2 + v_3)$,因此 + $ ((u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2)) + (u_3 + ii v_3) + &= ((u_1 + u_2) + ii (v_1 + v_2)) + (u_3 + ii v_3) \ + &= (u_1 + u_2 + u_3) + ii (v_1 + v_2 + v_3) \ + &= (u_1 + ii v_1) + ((u_2 + ii v_2) + (u_3 + ii v_3)) \ + &= (u_1 + ii v_1) + (u_2 + u_3) + ii (v_2 + v_3) $ + / 加法单位元: 存在 $0 in complexification(V)$ 使得对于所有 $u,v in V$,都有 $(u + ii v) + 0 = u + ii v$。 \ + 证明:取 $0 = 0 + ii 0$ 为 $complexification(V)$ 中的加法单位元。对于所有 $u,v in V$,都有 + $ (u + ii v) + 0 = (u + ii v) + (0 + ii 0) \ + = (u + 0) + ii (v + 0) \ + = u + ii v $ + / 加法逆元: 对于所有 $u,v in V$,存在 $w in complexification(V)$ 使得 $(u + ii v) + w = 0$。 \ + 证明:取 $w = -u + ii (-v)$ 为 $(u + ii v)$ 的加法逆元。对于所有 $u,v in V$,都有 + $ (u + ii v) + w = (u + ii v) + (-u + ii (-v)) \ + = (u - u) + ii (v - v) \ + = 0 + ii 0 \ + = 0 $ + / 乘法单位元: 对于所有 $u,v in V$,都有 $(1 + ii 0)(u + ii v) = u + ii v$。 \ + 证明:对于所有 $u,v in V$,都有 + $ (1 + ii 0)(u + ii v) = (1 u - 0 v) + ii (1 v + 0 u) \ + = u + ii v $ + / 分配性质: 对于所有 $u_1,v_1,u_2,v_2 in V$ 以及所有 $a,b in RR$,都有 $(a + b ii)((u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2)) = (a + b ii)(u_1 + ii v_1) + (a + b ii)(u_2 + ii v_2)$ 且 $(a + b ii)(u + ii v) = a(u + ii v) + b(u + ii v)$。 \ + 证明:对于所有 $u_1,v_1,u_2,v_2 in V$ 和所有 $a,b in RR$,都有 + $ (a + b ii)((u_1 + ii v_1) + (u_2 + ii v_2)) + &= (a + b ii)((u_1 + u_2) + ii (v_1 + v_2)) \ + &= (a(u_1 + u_2) - b(v_1 + v_2)) + ii (a(v_1 + v_2) + b(u_1 + u_2)) \ + &= (a u_1 - b v_1) + ii (a v_1 + b u_1) + (a u_2 - b v_2) + ii (a v_2 + b u_2) \ + &= (a u_1 - b v_1 + a u_2 - b v_2) + ii (a v_1 + b u_1 + a v_2 + b u_2) \ + &= (a + b ii)(u_1 + ii v_1) + (a + b ii)(u_2 + ii v_2) $ + 另一方面,对于所有 $u,v in V$ 和所有 $a,b in RR$ + $ (a + b ii)(u + ii v) = (a u - b v) + ii (a v + b u) \ + = a(u + ii v) + b(u + ii v) \ + = (a u + a ii v) + (b u + b ii v) \ + = a(u + ii v) + b(u + ii v) $ + + #tab 综上所述,$complexification(V)$ 满足向量空间的所有要求,因此 $complexification(V)$ 是 $CC$ 上的向量空间。 +] diff --git a/styles.typ b/styles.typ index 7b636e0..bc4c034 100644 --- a/styles.typ +++ b/styles.typ @@ -3,10 +3,10 @@ #import "@preview/cetz:0.3.2" #import "@preview/cetz-plot:0.1.1": plot -#let zhfont_sans = ("Noto Sans CJK SC") -#let zhfont_serif = ("Noto Serif CJK SC") +#let zhfont_sans = ("Noto Sans CJK SC",) +#let zhfont_serif = ("Noto Serif CJK SC",) #let zhfont_fangsong = ("Zhuque Fangsong (technical preview)", "Noto Serif CJK SC") -#let monofont = ("Fira Code") +#let monofont = ("Fira Code",) #let theme_color = color.green @@ -66,6 +66,7 @@ #let unset-list-indent(body) = { set list(indent: 0.5em) set enum(indent: 0.5em) + set terms(indent: 0.5em) body } @@ -82,9 +83,11 @@ spacing: 1.2em, leading: 0.75em, ) - set list(marker: (sym.square.filled.small, [--]), indent: 2.5em) + set list(marker: (text(sym.square.filled.small, fill: theme_color), text([--], fill: theme_color)), indent: 2.5em) set enum(indent: 2.5em) + set terms(indent: 2.5em) show heading: set text(font: zhfont_sans, weight: "semibold") + show strong: set text(fill: theme_color.darken(40%)) set par(justify: true) set text(11pt) show heading.where(level: 3): set text(14pt) @@ -96,6 +99,7 @@ bottom: 4pt + theme_color.lighten(80%) )) set footnote(numbering: "注1") + show math.equation: set text(font: ("New Computer Modern Math", ..zhfont_serif)) v(10fr) h(2fr) @@ -223,7 +227,7 @@ let splt = ( "proof": "证明", "answer": "解答", - "explain": "说明", + "explain": "解释", ) tab text(splt.at(type), font: zhfont_sans, weight: "medium", fill: theme_color.darken(40%))