L6-列空间和零空间-习题集

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L6-列空间和零空间-习题集

参考

问题6.1

假设 SS 和 TT 都是向量空间 VV 的子空间

  1. 定义:S+TS+T 是包含所有 s⃗+t⃗\vec{s}+\vec{t} 组合的向量集合,其中 s⃗\vec{s} 在子空间 SS 中,t⃗\vec{t} 在子空间 TT 中。求证:S+TS+T 是一个向量空间(满足对于线性组合封闭)
  2. 如果 SS 和 TT 都是 Rm\mathbb{R}^{m} 向量空间中的一条直线,那么 S+TS+T 和 S∪TS \cup T 的区别是什么。(即解释 S+TS+T 是由 S∪TS \cup T 张成得到的)

解答 1

假设 s′⃗\vec{s^{'}} 是子空间 SS 的向量,t′⃗\vec{t^{'}} 是子空间 TT 的向量,则有

s⃗+t⃗+s′⃗+t′⃗=(s⃗+s′⃗)+(t⃗+t′⃗)\begin{aligned} \vec{s}+\vec{t}+\vec{s^{'}}+\vec{t^{'}}=(\vec{s}+\vec{s^{'}})+(\vec{t}+\vec{t^{'}}) \end{aligned}

根据向量空间对于向量的加法的封闭性,可得 s⃗+s′⃗∈S\vec{s}+\vec{s^{'}} \in S 和 t⃗+t′⃗∈T\vec{t}+\vec{t^{'}} \in T

所以 (s⃗+s′⃗)+(t⃗+t′⃗)∈S+T(\vec{s}+\vec{s^{'}})+(\vec{t}+\vec{t^{'}}) \in S+T 即 S+TS+T 对向量的加法封闭。

类似地,根据向量空间对于向量的数乘的封闭性,可得 cs⃗∈Sc\vec{s} \in S 和 ct⃗∈Tc\vec{t} \in T,其中 cc 是常量,所以 c(s⃗+t⃗)=cs⃗+ct⃗∈S+Tc(\vec{s}+\vec{t})=c\vec{s} + c\vec{t} \in S+T

所以 S+TS+T 对于线性组合封闭。

解答 2

当 SS 和 TT 是两条不同的直线时,则根据 S+TS+T 的定义,该向量集合的几何形式是一个平面;而根据 S∪TS \cup T 的定义,该向量集合的几何形式仅是两条直线。而 S∪TS \cup T 张成的空间是两个向量 s⃗\vec{s} 和 t⃗\vec{t} 的所有可能的线性组合,即 s⃗+t⃗\vec{s}+\vec{t},其中 s⃗\vec{s} 是在直线 SS 上,t⃗\vec{t} 是在 TT 上。

所以 S+TS+T 是由 S∪TS \cup T 张成得到的。

问题 6.2

已知目标平面 x−3y−z=12x-3y-z=12 与平面 x−3y−z=0x-3y-z=0 平行,其中向量 (12,0,0)(12, 0, 0) 在目标平面上。

则在目标平面上的点具有以下模式,请填充完整:

[xyz]=[?00]+y[?10]+z[?01]\begin{aligned} \begin{bmatrix} x\\ y\\ z \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} ?\\ 0\\ 0 \end{bmatrix}+ y\begin{bmatrix} ?\\ 1\\ 0 \end{bmatrix}+ z\begin{bmatrix} ?\\ 0\\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned}

解答

解法一

两平面平行,且平面 x−3y−z=0x-3y-z=0 过原点 (0,0,0)(0, 0, 0),而点 (12,0,0)(12, 0, 0) 在目标平面,因此从几何角度考虑,目标平面上的点可以将平面 x−3y−z=0x-3y-z=0 上的点沿 xx 轴移动 12 个单位得到相应的点。

使等式成立的向量集合的几何表示
使等式成立的向量集合的几何表示

以矩阵的角度考虑,其中 [xyz]\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix} 是目标平面上的点,[x′y′z′]\begin{bmatrix}x^{'}\\ y^{'}\\z^{'}\end{bmatrix} 是平面 x−3y−z=0x-3y-z=0 上的点:

[xyz]=[1200]+[x′y′z′]\begin{aligned} \begin{bmatrix} x\\ y\\ z \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 12\\ 0\\ 0 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} x^{'}\\ y^{'}\\ z^{'} \end{bmatrix} \end{aligned}

将平面(方程组) x−3y−z=0x-3y-z=0 写成矩阵形式 Ax=bAx=b

[1−3−1][xyz]=0\begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 &-3 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ z \end{bmatrix}=0 \end{aligned}

这些向量都可以使方程组 Ax=0Ax=0 成立,则平面上的点构成零空间 N(A)N(A),根据题目的提示可以写出其中两个向量 [310]\begin{bmatrix}3\\1\\0\end{bmatrix} 和 [101]\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix}

可以将这两个向量作为基向量 basis 写出零空间向量的一般形式

[x′y′z′]=m[310]+n[101]\begin{aligned} \begin{bmatrix} x^{'}\\ y^{'}\\ z^{'} \end{bmatrix}= m\begin{bmatrix} 3\\ 1\\ 0 \end{bmatrix}+ n\begin{bmatrix} 1\\ 0\\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned}

而题目要求的形式则是将解进行「分解」,消去 xx

即

[x′y′z′]=y′[310]+z′[101]\begin{aligned} \begin{bmatrix} x^{'}\\ y^{'}\\ z^{'} \end{bmatrix}= y^{'}\begin{bmatrix} 3\\ 1\\ 0 \end{bmatrix}+ z^{'}\begin{bmatrix} 1\\ 0\\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned}

因此可得

[xyz]=[1200]+y[310]+z[101]\begin{aligned} \begin{bmatrix} x\\ y\\ z \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 12\\ 0\\ 0 \end{bmatrix}+ y\begin{bmatrix} 3\\ 1\\ 0 \end{bmatrix}+ z\begin{bmatrix} 1\\ 0\\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned}

解法二

直接使用换元,并将写成矩阵形式

[xyz]=([12+3y+zyz])=[12+0+00+y+00+0+z]=[1200]+y[010]+z[001]\begin{aligned} \begin{bmatrix} x\\ y\\ z \end{bmatrix}=( \begin{bmatrix} 12+3y+z\\ y\\ z \end{bmatrix} )= \begin{bmatrix} 12+0+0\\ 0+y+0\\ 0+0+z \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 12\\ 0\\ 0 \end{bmatrix}+ y\begin{bmatrix} 0\\ 1\\ 0 \end{bmatrix}+ z\begin{bmatrix} 0\\ 0\\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned}

问题 6.3

若向量空间 CC 由向量空间 AA 和 BB 构成,且满足 C=[AB]C=\begin{bmatrix}A \\ B\end{bmatrix},求它们的零空间 N(C)N(C) 和 N(A)N(A) 与 N(B)N(B) 的关系。

解答

已知 C=[AB]C=\begin{bmatrix}A \\ B\end{bmatrix} 则对于方程组 Cx=0Cx=0 的所有解构成的零空间 N(C)N(C),需要满足 Cx=[AxBx]=0Cx=\begin{bmatrix}Ax \\ Bx\end{bmatrix}=0,即这些解 xx 需要同时满足 Ax=0Ax=0 和 Bx=0Bx=0,所以 N(C)=N(A)∩N(B)N(C)=N(A) \cap N(B)


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