35

Подпространства

[27/78%]
Показать
LaTeX
Задача 35.1

Выяснить, является ли подпространством соответствующего векторного пространства каждая из следующих совокупностей векторов:

?
(а)

векторы плоскости с началом OO, концы которых лежат на одной из двух прямых, пересекающихся в точке OO;

(б)

векторы плоскости с началом OO, концы которых лежат на данной прямой;

(в)

векторы плоскости с началом OO, концы которых не лежат на данной прямой;

(г)

векторы координатной плоскости, концы которых лежат в первой четверти;

(д)

векторы пространства Rn\mathbb {R}^{n}, координаты которых — целые числа;

(е)

векторы арифметического пространства Fn,FF^{n}, F — поле, являющиеся решениями данной системы линейных уравнений;

(ж)

векторы линейного пространства, являющиеся линейными комбинациями данных векторов a1,…,aka_{1}, \ldots , a_{k};

(з)

ограниченные последовательности комплексных чисел;

(и)

последовательности вещественных чисел, имеющие предел;

(к)

последовательности вещественных чисел, имеющие предел aa;

(л)

последовательности u(n)u(n) элементов поля FF, удовлетворяющие рекуррентному соотношению

u(n+k)=f(n)+a0u(n)+a1u(n+1)+…+ak−1u(n+k−1), u(n+k)=f(n)+a_{0} u(n)+a_{1} u(n+1)+\ldots +a_{k-1} u(n+k-1),

где (f(n))(f(n)) — фиксированная последовательность элементов поля FF, kk — фиксированное натуральное число, ai∈Fa_{i} \in F;

(м)

многочлены чётной степени с коэффициентами из поля FF;

(н)

многочлены с коэффициентами из поля FF, не содержащие чётных степеней переменной xx;

(о)

множества из пространства 2M2^{M} (см. 4.9), состоящие из чётного числа элементов;

(п)

множества из 2M2^{M}, состоящие из нечётного числа элементов.

Задача 35.2

Доказать, что следующие совокупности векторов пространства Fn,FF^{n}, F — поле, образуют подпространства, и найти их базисы и размерности:

?
(а)

векторы, у которых совпадают первая и последняя координаты;

(б)

векторы, у которых координаты с чётными номерами равны 0 ;

(в)

векторы, у которых координаты с чётными номерами равны между собой;

(г)

векторы вида (α,β,α,β,…)(\alpha , \beta , \alpha , \beta , \ldots );

(д)

векторы, являющиеся решениями однородной системы уравнений.

Задача 35.3

Выяснить, какие из следующих совокупностей матриц порядка nn над полем FF образуют подпространства в пространстве матриц Mn(F)\mathbf{M}_{n}(F), найти их базисы и размерности:

?
(а)

все матрицы;

(б)

симметрические матрицы;

(в)

кососимметрические матрицы;

(г)

невырожденные матрицы;

(д)

вырожденные матрицы;

(е)

матрицы со следом, равным нулю;

(ж)

матрицы, перестановочные с данным множеством матриц (при вычислении базиса и размерности предположить, что данное множество матриц состоит из одной диагональной матрицы с различными диагональными элементами);

(з)

матрицы XX, удовлетворяющие условию AiX+XBi=0A_{i} X+X B_{i}=0, где {Ai,Bi}\left\{ A_{i}, B_{i}\right\} — заданный набор матриц.

Задача 35.4

Пусть RS\mathbb {R}^{S} — пространство всех функций, определенных на множестве SS и принимающих вещественные значения. Выяснить, какие из следующих совокупностей функций f(x)∈RSf(x) \in \mathbb {R}^{S} составляют подпространство:

?
(а)

функции, принимающие значение aa в данной точке s∈Ss \in S;

(б)

функции, принимающие значение aa во всех точках некоторого подмножества T⊆ST \subseteq S;

(в)

функции, обращающиеся в нуль хотя бы в одной точке множества SS;

(г)

функции, имеющие предел aa при x→∞x \rightarrow \infty (при S=RS=\mathbb {R});

(д)

функции, имеющие не более конечного числа точек разрыва (при S=RS=\mathbb {R}).

Задача 35.5

Пусть K∞K^{\infty } — пространство бесконечных последовательностей с элементами из поля KK. Выяснить, какие из следующих совокупностей последовательностей составляют в K∞K^{\infty } подпространство:

?
(а)

последовательности, в которых лишь конечное число элементов отлично от нуля;

(б)

последовательности, в которых лишь конечное число элементов равно нулю;

(в)

последовательности, в которых все элементы отличны от 1.

Задача 35.6

Доказать, что в пространствах R∞\mathbb {R}^{\infty } и C∞\mathbb {C}^{\infty } следующие совокупности образуют подпространства:

?
(а)

последовательности, удовлетворяющие условию Коши: для любого ε>0\varepsilon >0 найдется число N∈NN \in \mathbb {N} такое, что при любых n,k>Nn, k>N выполняется неравенство ∣xn−xk∣<ε\left|x_{n}-x_{k}\right|<\varepsilon;

(б)

последовательности, удовлетворяющие условию Гильберта: ряд ∑i=1∞∣xi∣2\sum_{i=1}^{\infty }\left|x_{i}\right|^{2} сходится;

(в)

последовательности полиномиального роста, т.е. ∣xn∣⩽Cnk\left|x_{n}\right| \leqslant C n^{k}, где C,kC, k — натуральные числа, зависящие от последовательности;

(г)

последовательности экспоненциального роста, т.е. ∣xn∣⩽Cen\left|x_{n}\right| \leqslant C e^{n}, где CC — положительное вещественное число, зависящее от последовательности.

Задача 35.7

Выяснить, какие из следующих совокупностей многочленов образуют подпространства в пространстве R[x]n\mathbb {R}\left[x\right]_{n} (см. 34.12) и найти их базисы и размерности:

?
(а)

многочлены, имеющие данный корень α∈R\alpha \in \mathbb {R};

(б)

многочлены, имеющие данный корень α∈C\R\alpha \in \mathbb {C} \backslash \mathbb {R};

(в)

многочлены, имеющие данные корни α1,…,αk∈R\alpha_{1}, \ldots , \alpha_{k} \in \mathbb {R};

(г)

многочлены, имеющие данный простой корень α∈R\alpha \in \mathbb {R}.

Задача 35.8

Доказать, что если подпространство векторного пространства R[x]n\mathbb {R}\left[x\right]_{n} (см. 34.12) для любого k=0,1,…,mk=0,1, \ldots , m содержит хотя бы один многочлен степени kk и не содержит многочленов степени >m>m, то оно совпадает с R[x]m\mathbb {R}\left[x\right]_{m}.

?
Задача 35.9

Пусть R[x1,…,xm]\mathbb {R}\left[x_{1}, \ldots , x_{m}\right] — пространство многочленов от переменных x1,…,xmx_{1}, \ldots , x_{m}. Найти:

?
(а)

размерность подпространства всех однородных многочленов степени kk;

(б)

размерность его подпространства, состоящего из всех многочленов степени ⩽k\leqslant k.

Задача 35.10

Пусть VV - nn-мерное векторное пространство над полем FF, состоящим из qq элементов. Найти:

?
(а)

число векторов в пространстве VV;

(б)

число базисов пространства VV;

(в)

число невырожденных матриц порядка nn над полем FF;

(г)

число вырожденных матриц порядка nn над полем FF;

(д)

число kk-мерных подпространств пространства VV;

(е)

число решений уравнения AX=0A X=0, где AA — прямоугольная матрица ранга r,Xr, X — столбец неизвестных длины nn.

Задача 35.11

Найти базис и размерность линейной оболочки следующей системы векторов:

?
(а)

a1=(1,0,0,−1),a2=(2,1,1,0),a3=(1,1,1,1)a_{1}=(1,0,0,-1), \quad a_{2}=(2,1,1,0), \quad a_{3}=(1,1,1,1), a4=(1,2,3,4),a5=(0,1,2,3);a_{4}=(1,2,3,4), \quad a_{5}=(0,1,2,3) ;

(б)

a1=(1,1,1,1,0),a2=(1,1,−1,−1,−1),a3=(2,2,0,0,−1)a_{1}=(1,1,1,1,0), \quad a_{2}=(1,1,-1,-1,-1), \quad a_{3}=(2,2,0,0,-1), a4=(1,1,5,5,2),a5=(1,−1,−1,0,0)a_{4}=(1,1,5,5,2), \quad a_{5}=(1,-1,-1,0,0).

Задача 35.12

Пусть L1L_{1} и L2L_{2} — подпространства конечномерного векторного пространства VV. Доказать, что:

?
(а)

если L1⊆L2L_{1} \subseteq L_{2}, то dim⁡L1⩽dim⁡L2\operatorname {dim} L_{1} \leqslant \operatorname {dim} L_{2}, причём равенство имеет место только при L1=L2L_{1}=L_{2};

(б)

если dim⁡(L1+L2)=1+dim⁡(L1∩L2)\operatorname {dim}\left(L_{1}+L_{2}\right)=1+\operatorname {dim}\left(L_{1} \cap L_{2}\right), то сумма L1+L2L_{1}+L_{2} равна одному из этих подпространств, а пересечение L1∩L2L_{1} \cap L_{2} — другому;

(в)

если dim⁡L1+dim⁡L2>dim⁡V\operatorname {dim} L_{1}+\operatorname {dim} L_{2}>\operatorname {dim} V, то L1∩L2≠0L_{1} \cap L_{2} \neq 0.

Задача 35.13

Пусть U,V,WU, V, W — подпространства векторного пространства.

?
(а)

Можно ли утверждать, что U∩(V+W)=(U∩V)+(U∩W)U \cap (V+W)=(U \cap V)+(U \cap W)?

(б)

Доказать, что предыдущее равенство верно, если V⊆UV \subseteq U.

(в)

Доказать, что (U+W)∩(W+V)∩(V+U)=[(W+V)∩U]+[(V+U)∩W](U+W) \cap (W+V) \cap (V+U)=[(W+V) \cap U]+[(V+U) \cap W].

(г)

Доказать, что dim⁡[(U+V)∩W]+dim⁡(U∩V)=dim⁡[(V+W)∩U]+dim⁡(V∩W)\operatorname {dim}[(U+V) \cap W]+\operatorname {dim}(U \cap V)=\operatorname {dim}[(V+W) \cap U]+\operatorname {dim}(V \cap W).

(д)

Доказать, что (U∩V)+(V∩W)+(W∩U)⊆(U+V)∩(V+W)∩(W+U)(U \cap V)+(V \cap W)+(W \cap U) \subseteq (U+V) \cap (V+W) \cap (W+U) и разность размерностей этих подпространств является чётным числом.

Задача 35.14

Найти размерности суммы и пересечения линейных оболочек систем векторов пространства R4\mathbb {R}^{4} :

?
(а)

S=⟨(1,2,0,1),(1,1,1,0)⟩S=\langle (1,2,0,1),(1,1,1,0)\rangle, T=⟨(1,0,1,0),(1,3,0,1)⟩;T=\langle (1,0,1,0),(1,3,0,1)\rangle ;

(б)

S=⟨(1,1,1,1),(1,−1,1,−1),(1,3,1,3)⟩S=\langle (1,1,1,1),(1,-1,1,-1),(1,3,1,3)\rangle, T=⟨(1,2,0,2),(1,2,1,2),(3,1,3,1)⟩;T=\langle (1,2,0,2),(1,2,1,2),(3,1,3,1)\rangle ;

(в)

S=⟨(2,−1,0,−2),(3,−2,1,0),(1,−1,1,−1)⟩S=\langle (2,-1,0,-2),(3,-2,1,0),(1,-1,1,-1)\rangle, T=⟨(3,−1,−1,0),(0,−1,2,3),(5,−2,−1,0)⟩T=\langle (3,-1,-1,0),(0,-1,2,3),(5,-2,-1,0)\rangle.

Задача 35.15

Найти базисы суммы и пересечения линейных оболочек ⟨a1,a2,a3⟩\left\langle a_{1}, a_{2}, a_{3}\right\rangle и ⟨b1,b2,b3⟩\left\langle b_{1}, b_{2}, b_{3}\right\rangle :

?
(а)

a1=(1,2,1),b1=(1,2,2)a_{1}=(1,2,1), \quad b_{1}=(1,2,2), a2=(1,1,−1),b2=(2,3,−1)a_{2}=(1,1,-1), \quad b_{2}=(2,3,-1), a3=(1,3,3),b3=(1,1,−3);a_{3}=(1,3,3), \quad b_{3}=(1,1,-3) ;

(б)

a1=(−1,6,4,7,−2),b1=(1,1,2,1,−1)a_{1}=(-1,6,4,7,-2), \quad b_{1}=(1,1,2,1,-1), a2=(−2,3,0,5,−2),b2=(0,−2,0,−1,−5)a_{2}=(-2,3,0,5,-2), \quad b_{2}=(0,-2,0,-1,-5), a3=(−3,6,5,6,−5),b3=(2,0,2,1,−3)a_{3}=(-3,6,5,6,-5), \quad b_{3}=(2,0,2,1,-3);

(в)

a1=(1,1,0,0,−1),b1=(1,0,1,0,1)a_{1}=(1,1,0,0,-1), \quad b_{1}=(1,0,1,0,1), a2=(0,1,1,0,1),b2=(0,2,1,1,0)a_{2}=(0,1,1,0,1), \quad b_{2}=(0,2,1,1,0), a3=(0,0,1,1,1),b3=(1,2,1,2,−1);a_{3}=(0,0,1,1,1), \quad b_{3}=(1,2,1,2,-1) ;

(г)

a1=(1,2,1,0),b1=(2,−1,0,1)a_{1}=(1,2,1,0), \quad b_{1}=(2,-1,0,1), a2=(−1,1,1,1),b2=(1,−1,3,7);a_{2}=(-1,1,1,1), \quad b_{2}=(1,-1,3,7) ;

(д)

a1=(1,2,−1,−2),b1=(2,5,−6,−5)a_{1}=(1,2,-1,-2), \quad b_{1}=(2,5,-6,-5), a2=(3,1,1,1),b2=(−1,2,−7,−3)a_{2}=(3,1,1,1), \quad b_{2}=(-1,2,-7,-3). a3=(−1,0,1,−1)a_{3}=(-1,0,1,-1),

Задача 35.16

Найти систему линейных уравнений, задающую систему векторов:

?
(а)

⟨(1,−1,1,0),(1,1,0,1),(2,0,1,1)⟩\langle (1,-1,1,0),(1,1,0,1),(2,0,1,1)\rangle;

(б)

⟨(1,−1,1,−1,1),(1,1,0,0,3),(3,1,1,−1,7)⟩\langle (1,-1,1,-1,1),(1,1,0,0,3),(3,1,1,-1,7)\rangle.

Задача 35.17

Пусть L1,…,LkL_{1}, \ldots , L_{k} — подпространства векторного пространства. Доказать, что:

?
(а)

сумма этих подпространств является прямой тогда и только тогда, когда хотя бы один ее вектор однозначно представляется в виде

x1+…+xk,xi∈Li;i=1,…,k; x_{1}+\ldots +x_{k}, \quad x_{i} \in L_{i} ; \quad i=1, \ldots , k ;
(б)

условие Li∩Lj=0L_{i} \cap L_{j}=0 для любых различных ii и jj от 1 до kk не является достаточным для того, чтобы сумма этих подпространств была прямой.

Задача 35.18

Пусть подпространства U,V⊆RnU, V \subseteq \mathbb {R}^{n} заданы уравнениями

x1+x2+…+xn=0,x1=x2=…=xn x_{1}+x_{2}+\ldots +x_{n}=0, \quad x_{1}=x_{2}=\ldots =x_{n}

Доказать, что Rn=U⊕V\mathbb {R}^{n}=U \oplus V, и найти проекции единичных векторов на UU параллельно VV и на VV параллельно UU.

?
Задача 35.19

Пусть в пространстве R4\mathbb {R}^{4}

U=⟨(1,1,1,1),(−1,−2,0,1)⟩,V=⟨(−1,−1,1,−1),(2,2,0,1)⟩ U=\langle (1,1,1,1),(-1,-2,0,1)\rangle , \quad V=\langle (-1,-1,1,-1),(2,2,0,1)\rangle

Доказать, что R4=U⊕V\mathbb {R}^{4}=U \oplus V, и найти проекцию вектора (4,2,4,4)(4,2,4,4) на подпространство UU параллельно VV.

?
Задача 35.20

Доказать, что для любого подпространства U⊆RnU \subseteq \mathbb {R}^{n} существует такое подпространство VV, что Rn=U⊕V\mathbb {R}^{n}=U \oplus V.

?
Задача 35.21

Доказать, что пространство матриц Mn(R)\mathbf{M}_{n}(\mathbb {R}) является прямой суммой подпространства симметрических и подпространства кососимметрических матриц, и найти проекции матрицы

[11…101…1⋮⋮⋱⋮00…1] \left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 & \ldots & 1 \\ 0 & 1 & \ldots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \ldots & 1 \end{smallmatrix}\right]

на каждое из этих подпространств параллельно другому подпространству.

?
Задача 35.22

Пусть UU — подпространство кососимметрических матриц, VV — подпространство верхнетреугольных матриц в Mn(R)\mathbf{M}_{n}(\mathbb {R}).

?
(а)

Доказать, что U⊕V=Mn(R)U \oplus V=\mathbf{M}_{n}(\mathbb {R}).

(б)

Найти проекцию матриц EijE_{i j} на UU и VV.

Задача 35.23

Пусть UU — подпространство симметрических матриц, VV — подпространство верхненильтреугольных матриц в Mn(R)\mathbf{M}_{n}(\mathbb {R}).

?
(а)

Доказать, что U⊕V=Mn(R)U \oplus V=\mathbf{M}_{n}(\mathbb {R}).

(б)

Найти проекцию матрицы EijE_{i j} на UU и VV.

Задача 35.24

Пусть FF — поле из qq элементов, UU — подпространство размерности mm в пространстве VV размерности nn. Найти число таких подпространств WW в VV, что V=U⊕WV=U \oplus W.

?
Задача 35.25

Пусть VV — линейное пространство над бесконечным полем FF и V1,…,VkV_{1}, \ldots , V_{k} — подпространства в VV, причём V=V1∪…∪VkV=V_{1} \cup \ldots \cup V_{k}. Доказать, что V=ViV=V_{i} для некоторого i=1,…,ki=1, \ldots , k.

?
Задача 35.26

Пусть VV — линейное пространство над полем F,U,WF, U, W подпространства в VV, причём U∪W=VU \cup W=V. Доказать, что V=UV=U или V=WV=W.

?
Задача 35.27

Привести пример такого пространства VV над конечным полем, что V=U1∪U2∪U3V=U_{1} \cup U_{2} \cup U_{3}, где U1,U2,U3U_{1}, U_{2}, U_{3} — собственные подпространства в VV.

?