diff --git a/sections/2B.typ b/sections/2B.typ new file mode 100644 index 0000000..45ebf7c --- /dev/null +++ b/sections/2B.typ @@ -0,0 +1,118 @@ +#import "../styles.typ": exercise_sol, tab, note +#import "../math.typ": Poly, span + +#exercise_sol(type: "answer")[ + 求出所有恰好有一个基的向量空间。 +][ + ${0}$ 是唯一满足要求的向量空间,它的基是空集。对于任何其他向量空间 $V$,不妨设其的一个基为 $v_1, dots, v_m$,则由基的判定准则(原书定理2.28)可知,$V$ 中的任意向量都 $v$ 都可以唯一地表示为 + + $ v = a_1 v_1 + dots + a_m v_m $ + + #tab 其中 $a_1, dots, a_m in FF$。现在取向量组 $2v_1, dots, 2v_m$,则 $v$,可以被表示为 + + $ v = b_1 (2v_1) + dots + b_m (2v_m) $ + + #tab 则对于 $k in {1, dots, m}$,$a_k = 2b_k$。这只有唯一的解,即 $b_k = a_k slash 2$,因此 $v$ 可以唯一地被向量组 $2v_1, dots, 2v_m$ 的线性组合表示,这表明向量组 $2v_1, dots, 2v_m$ 也是 $V$ 的一个基。由此可知,$V$ 中的任意向量都可以被表示为两个不同的基的线性组合,因此 $V$ 不可能只有一个基。 + + #tab 综上所述,只有 ${0}$ 满足题目要求。 +] + +#exercise_sol(type: "proof")[ + 验证下面这些的结论。 + + #set enum(numbering: "(a) ") + + 向量组 $(1, 0, dots, 0), (0, 1, 0, dots, 0), dots, (0, dots, 0, 1)$ 是 $FF^n$ 的基; + + 向量组 $(1, 2), (3, 5)$ 是 $FF^2$ 的基; + + 向量组 $(1, 2, -4), (7, -5, 6)$ 在 $FF^3$ 中是线性无关的,但不是 $FF^3$ 的基,因为它不张成 $FF^3$; + + 向量组 $(1, 2), (3, 5), (4, 13)$ 张成 $FF^2$,但不是 $FF^2$ 的基,因为它们是线性相关的; + + 向量组 $(1, 1, 0), (0, 0, 1)$ 是 ${(x, x, y) in FF^3 : x,y in FF}$ 的基; + + 向量组 $(1, -1, 0), (1, 0, -1)$ 是 ${(x, y, z) in FF^3 : x + y + z = 0}$ 的基; + + 向量组 $1, z, dots, z^m$ 是 $Poly_m (FF)$ 的基。 + + #note(supplement: "说明")[本题原文为“验证例2.27中的所有结论”。出于完整性考虑,这里将原书例2.27的所有结论摘录在上面。] +][ + 对于 (a),记这些向量为 $v_1, dots, v_n$,设 $a_1, dots, a_n in FF$,使得 + + $ a_1 v_1 + dots + a_n v_n = 0 $ + + #tab 这立即给出 $a_1 = dots.c = a_n = 0$,根据线性无关的定义(原书定义2.15),可知向量组 $v_1, dots, v_n$ 是线性无关的。设 $v = (x_1, dots, x_n) in FF^n$,则 + + $ v = x_1 v_1 + dots + x_n v_n $ + + #tab 因此,$v_1, dots, v_n$ 张成 $FF^n$。根据基的定义(原书定义2.26),可知向量组 $v_1, dots, v_n$ 是 $FF^n$ 的基。 + + #tab 对于 (b),设 $a_1, a_2 in FF$,$v = (x_1, x_2) in FF^2$,满足 + + $ v = a_1 (1, 2) + a_2 (3, 5) $ + + #tab 求解 $a_1, a_2$,得到唯一的一组解是 + + $ cases( + a_1 = -5 x_1 + 3 x_2, + a_2 = 2 x_1 - x_2 + ) $ + + #tab 这表明 $FF^2$ 中的每个向量都可以唯一地被表示为向量组 $(1, 2), (3, 5)$ 的线性组合。所以,根据基的判定准则(原书定理2.28),向量组 $(1, 2), (3, 5)$ 是 $FF^2$ 的基。 + + #tab 对于 (c),设 $a_1, a_2 in FF$,满足 + + $ a_1 (1, 2, -4) + a_2 (7, -5, 6) = 0 $ + + #tab 这给出 $a_1 = a_2 = 0$,因此向量组 $(1, 2, -4), (7, -5, 6)$ 是线性无关的。反证假设向量组 $(1, 2, -4), (7, -5, 6)$ 张成 $FF^3$,则存在 $a_1, a_2 in FF$,使得 + + $ (1, 2, 0) = a_1 (1, 2, -4) + a_2 (7, -5, 6) $ + + #tab 然而,该方程组无解。因此,向量组 $(1, 2, -4), (7, -5, 6)$ 不张成 $FF^3$,所以它们不是 $FF^3$ 的基。 + + #tab 对于 (d),由 (b) 可知,向量组 $(1, 2), (3, 5)$ 张成 $FF^2$,所以向量组 $(1, 2), (3, 5), (4, 13)$ 也张成 $FF^2$。然而,注意到 + + $ (-19)(1, 2) + 5(3, 5) + 1(4, 13) = 0 $ + + #tab 所以,向量组 $(1, 2), (3, 5), (4, 13)$ 不是线性无关的,因此它们不是 $FF^2$ 的基。 + + #tab 对于 (e),设 $a_1, a_2 in FF$,$v = (x, x, y) in FF^3$,满足 + + $ v = a_1 (1, 1, 0) + a_2 (0, 0, 1) $ + + #tab 求解 $a_1, a_2$,得到唯一的一组解是 + + $ cases( + a_1 = x, + a_2 = y + ) $ + + #tab 这表明 ${(x, x, y) in FF^3 : x,y in FF}$ 中的每个向量都可以唯一地被表示为向量组 $(1, 1, 0), (0, 0, 1)$ 的线性组合。所以,根据基的判定准则,向量组 $(1, 1, 0), (0, 0, 1)$ 是 ${(x, x, y) in FF^3 : x,y in FF}$ 的基。 + + #tab 对于 (f),设 $a_1, a_2 in FF$,$v = (x, y, -x - y) in FF^3$,满足 + + $ v = a_1 (1, -1, 0) + a_2 (1, 0, -1) $ + + #tab 求解 $a_1, a_2$,得到唯一的一组解是 + + $ cases( + a_1 = -y, + a_2 = x + y + ) $ + + #tab 这表明 ${(x, y, z) in FF^3 : x + y + z = 0}$ 中的每个向量都可以唯一地被表示为向量组 $(1, -1, 0), (1, 0, -1)$ 的线性组合。所以,根据基的判定准则,向量组 $(1, -1, 0), (1, 0, -1)$ 是 ${(x, y, z) in FF^3 : x + y + z = 0}$ 的基。 + + #tab 对于 (g),根据多项式的次数的定义(原书定义2.12),立即可得 $1, z, dots, z^m$ 张成 $Poly_m (FF)$。现在反证假设 $1, z, dots, z^m$ 不是线性无关的。即存在 $a_0, dots, a_m in FF$,其中至少有一个不为 $0$,使得对于任意 $z in FF$,有 + + $ a_0 + a_1 z + dots + a_m z^m = 0 $ + + #tab 现在找到编号最大的不为 $0$ 的系数 $ell$,即 $a_ell != 0$,且 $a_k = 0$ 对于 $ell < k <= m$ 成立。取 + + $ z = (abs(a_0) + dots.c + abs(a_(ell - 1))) / abs(a_m) + 1 $ + + #tab 注意到 $z >= 1$,于是对 $j in {0, dots, ell - 1}$,有 $z^j <= z^(ell-1)$。使用三角不等式#footnote[见原书定理4.4。一般而言,我们不应该引用后面的定理,因为这将带来循环论证的风险。但是复数的性质这个定理完全独立,因此从逻辑上说,这里引用原书定理4.4是没有问题的。],我们有 + + $ abs(a_0 + a_1 z + dots.c + a_(ell - 1) z^(ell - 1)) <= (abs(a_0) + dots.c + abs(a_(ell - 1)))z^(ell - 1) < abs(a_ell z^ell) $ + + #tab 于是 $a_0 + a_1 z + dots.c + a_(ell-1)z^(ell-1) != -a_ell z^ell$,这表明 + + $ a_0 + a_1 z + dots.c + a_m z^m = != 0 $ + + #tab 矛盾,因此 $1, z, dots, z^m$ 是线性无关的。根据基的定义,$1, z, dots, z^m$ 是 $Poly_m (FF)$ 的基。 +] + +#note[对于 (g),值得一提的是,上面证明的核心部分表明,多项式的系数是唯一的。这个巧妙的证明来自原书第三版的正文(定理4.7),然而在原书第四版中被删除了。] diff --git a/toc.typ b/toc.typ index 9155b12..7a752a4 100644 --- a/toc.typ +++ b/toc.typ @@ -3,5 +3,5 @@ sections: ([$RR^n$ 和 $CC^n$], [向量空间的定义], [子空间]), ), ( title: [有限维向量空间], - sections: ([张成空间和线性无关性],) + sections: ([张成空间和线性无关性], [基]) ))