diff --git a/sections/1C.typ b/sections/1C.typ index d8b4812..a757259 100644 --- a/sections/1C.typ +++ b/sections/1C.typ @@ -1,7 +1,8 @@ #import "@preview/cetz:0.4.0" #import "@preview/cetz-plot:0.1.2": plot -#import "../styles.typ": exercise_sol, ii, note, tab, ploting-styles, math_numbering +#import "../styles.typ": exercise_sol, note, tab, ploting-styles, math_numbering +#import "../math.typ": ii, span #exercise_sol(type: "answer")[ 对于 $FF^3$ 的下列各个子集,判断其是否是 $FF^3$ 的子空间: @@ -234,17 +235,21 @@ 因此 $f$ 和 $g$ 都是 $RR^RR$ 中的周期函数。现在令 $h=f+g$。下面说明 $h$ 不是周期函数。 - #figure(cetz.canvas({ + #figure( + caption: [函数 $h(x) = sin(pi x) + sin(sqrt(2) pi x)$ 的图像。], + placement: auto, + cetz.canvas({ import cetz.draw: * ploting-styles.axis + let domain = (0, 10.7 * calc.pi) plot.plot( size: (12, 3), x-tick-step: calc.pi, x-format: plot.formats.multiple-of, axis-style: "scientific", y-tick-step: 2, - x-min: -10.4, - x-max: 10.4, + x-min: domain.at(0), + x-max: domain.at(1), y-min: -2.4, y-max: 2.4, x-grid: true, @@ -252,7 +257,6 @@ x-label: none, y-label: none, { - let domain = (-10.4, 10.4) plot.add( x => calc.sin(x) + calc.sin(calc.sqrt(2) * x), domain: domain, @@ -260,7 +264,7 @@ style: ploting-styles.s, ) }) - }), caption: [函数 $h(x) = sin(pi x) + sin(sqrt(2) pi x)$ 的图像。]) + })) #show: math_numbering(true) @@ -323,14 +327,56 @@ #tab 综上所述,$V$ 的任意一族子空间的交集是 $V$ 的子空间。 ] -#exercise_sol(type: "proof")[ +#exercise_sol(type: "proof", ref: <1C-when-union-of-two-subspaces-is-subspace>)[ 证明:$V$ 的两个子空间的并集是 $V$ 的子空间,当且仅当其中一个子空间是另一个的子集。 ][ - 设 $V_1$ 和 $V_2$ 都是 $V$ 的子空间,记 $S=V_1 union V_2$。我们首先说明充分性。不妨设 $V_1 subset.eq V_2$,则 $S=V_2$ 是 $V$ 的子空间。 + 设 $V_1$ 和 $V_2$ 都是 $V$ 的子空间。我们首先说明充分性。不妨设 $V_1 subset.eq V_2$,则 $V_1 union V_2 = V_2$ 是 $V$ 的子空间。 - #tab 下面说明必要性。使用反证法,假设 $S$ 是 $V$ 的子空间,以及 $V_1 subset.eq.not V_2$ 且 $V_2 subset.eq.not V_1$。设 $v_1 in V_1$ 且 $v_1 in.not V_2$,同时 $v_2 in V_2$ 且 $v_2 in.not V_2$。 + #tab 下面说明必要性。使用反证法,假设 $V_1 union V_2$ 是 $V$ 的子空间,以及 $V_1 subset.eq.not V_2$ 且 $V_2 subset.eq.not V_1$。则可以找到 $v_1, v_2 in V$,使得 $v_1 in V_1$ 且 $v_1 in.not V_2$,以及 $v_2 in V_2$ 且 $v_2 in.not V_1$。 - #tab 令 $u = v_1 + v_2$。由于 $v_1 in V_1$ 且 $v_2 in V_2$,因此 $u in S$。设 $u in V_i$($i=1,2$),则 $v_(3-i) = u - v_i in V_i$,矛盾,故假设不成立。 + #tab 令 $u = v_1 + v_2$。由于 $v_1,v_2 in V_1 union V_2$,因此 $u in V_1 union V_2$。不妨设 $u in V_1$,则 $v_2 = u - v_1 in V_1$,矛盾,故假设不成立。 #tab 综上所述,$V$ 的两个子空间的并集是 $V$ 的子空间,当且仅当其中一个子空间是另一个的子集。 ] + +#exercise_sol(type: "proof", label: "hard")[ + 证明:$V$ 的三个子空间的并集是 $V$ 的子空间,当且仅当其中一个包含另外两个。 + + #note[令人惊讶的是,这道习题比@1C-when-union-of-two-subspaces-is-subspace 难不少,也许是因为如果我们把 $FF$ 换成只包含两个元素的域,这道习题的结论就不成立了。] +][ + 设 $V_1, V_2, V_3$ 都是 $V$ 的子空间。我们首先说明充分性。不妨设 $V_1 subset.eq V_3$ 且 $V_2 subset.eq V_3$,则 $V_1 union V_2 union V_3 = V_3$ 是 $V$ 的子空间。 + + #tab 下面说明必要性。使用反证法,假设 $V_1 union V_2 union V_3$ 是 $V$ 的子空间,以及任意一个 $V_j$ 都不包含另外两个。 + + #tab 我们首先说明,任意一个 $V_j$ 都不是另外两个的并集的子集。否则,不妨设 $V_1 subset.eq V_2 union V_3$,则 $V_1 union V_2 union V_3 = V_2 union V_3$ 是 $V$ 的子空间。应用@1C-when-union-of-two-subspaces-is-subspace,可以推出 $V_2 subset.eq V_3$ 或 $V_3 subset.eq V_2$,这说明 $V_2$ 或 $V_3$ 包含另外两个,矛盾,故假设不成立。因此, + + $ V_1 subset.eq.not V_2 union V_3 tab and tab V_2 union V_3 subset.eq.not V_1 $ + + #tab 所以可以找到 $u, v in V$ 使得 $u in V_1$ 且 $u in.not V_2 union V_3$,以及 $v in V_2 union V_3$ 且 $v in.not V_1$。由于 $V_1$,$V_2$ 和 $V_3$ 都包含 $0$,因此 $u != 0$ 且 $v != 0$。我们取集合 $v + span(u)$#footnote[记号 $span$ 在后续的2A节中由原书定义2.19定义,而记号 $v + V$ 表示平移,由后续3E节原书定义3.97定义。但是这里无需明白这些定义,将其当作一个集合的名字即可。], + + $ v + span(u) = {v + lambda u : lambda in FF} $ + + #tab 下面我们说明 $V_1 inter (v + span(u)) = nothing$。使用反证法,假设存在 $w = v + k_1 u in V_1$,则 $v = w - k_1 u$。又因为 $w in V_1$ 且 $u in V_1$,因此 $v in V_1$,矛盾,故假设不成立,即 $V_1 inter (v + span(u)) = nothing$。 + + #tab 根据反证假设 $V_1 union V_2 union V_3$ 是向量空间,因此 $v + span(u) subset.eq V_1 union V_2 union V_3$。又因为 $V_1 inter (v + span(u)) = nothing$,所以 + + $ v + span(u) subset.eq V_2 union V_3 $ + + #tab 现在,我们说明 $v + span(u)$ 中包含至少 $3$ 个元素。我们取函数 + + $ f:& FF -> v + span(u) \ &x |-> v + x u $ + + #tab 对于任意的 $x_1, x_2 in FF$,我们有 + + $ f(x_1) - f(x_2) = (v + x_1 u) - (v + x_2 u) = (x_1 - x_2)u $ + + #tab 由于 $u != 0$,因此 $f(x_1) = f(x_2)$ 当且仅当 $x_1 = x_2$。这说明 $f$ 是单射,即 $v + span(u)$ 至少和 $FF$ 一样大,因此 $v + span(u)$ 至少包含 $3$ 个元素。 + + #tab 根据抽屉原理#footnote[抽屉原理的一种通俗的说法是:若将 $n$ 个物品放在 $r$ 个盒子里,$r