习题 2.1
判定下述 的哪些子集构成 的线性子空间(这里 ).
-
所有满足 , 且 的 ;
-
所有满足 的 ;
-
所有满足 且 的 ;
-
所有满足 的 .
解答
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
解 的子集 是线性子空间当且仅当 ,且对加法和数乘封闭,即
- ;
- 对任意 ,有 ;
- 对任意 和 ,有 。
以下逐一判定。
1.
- 零向量: 满足 且 ,故 。
- 加法封闭:任取 ,则
[ \boldsymbol{u}+\boldsymbol{v}=(u_1+v_1,\ u_1+v_1,\ 0), ]
满足 且 ,故 。 - 数乘封闭:任取 ,,则
[ \alpha\boldsymbol{u}=(\alpha u_1,\ \alpha u_1,\ 0), ]
满足 且 ,故 。
因此 是 的线性子空间。
2.
- 零向量: 应满足 ,即 ,不成立,故 。
不满足子空间的基本要求,因此 不是线性子空间。
(亦可验证加法或数乘不封闭,但无需再证。)
3.
- 零向量: 满足 且 ,故 。
- 加法封闭:任取 ,则 ,。
于是 ,,故 。 - 数乘封闭:取 ,令 ,则
[ \alpha\boldsymbol{u}=(-1,1,0), ]
此时 ,不满足 ,故 。
数乘不封闭,因此 不是线性子空间。
4.
- 零向量: 满足 ,故 。
- 加法封闭:任取 ,即 ,。
则
[ (\boldsymbol{u}+\boldsymbol{v})_1+(\boldsymbol{u}+\boldsymbol{v})_2-(\boldsymbol{u}+\boldsymbol{v})_3=(u_1+v_1)+(u_2+v_2)-(u_3+v_3)=(u_1+u_2-u_3)+(v_1+v_2-v_3)=0, ]
故 。 - 数乘封闭:任取 ,,则
[ (\alpha u_1)+(\alpha u_2)-(\alpha u_3)=\alpha(u_1+u_2-u_3)=\alpha\cdot0=0, ]
故 。
因此 是 的线性子空间。
结论:构成 线性子空间的集合是 1 和 4。