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习题 2.1

判定下述 的哪些子集构成 的线性子空间(这里 ).

  1. 所有满足 , 且 ;

  2. 所有满足 ;

  3. 所有满足 ;

  4. 所有满足 .

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

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 ,有

以下逐一判定。


1.

  • 零向量 满足 ,故
  • 加法封闭:任取 ,则
    [ \boldsymbol{u}+\boldsymbol{v}=(u_1+v_1,\ u_1+v_1,\ 0), ]
    满足 ,故
  • 数乘封闭:任取 ,则
    [ \alpha\boldsymbol{u}=(\alpha u_1,\ \alpha u_1,\ 0), ]
    满足 ,故

因此 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 ,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

    [ (\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, ]
  • 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, ]

因此 的线性子空间。


结论:构成 线性子空间的集合是 14