题目1
定义:
σ∈L(V1,V2)(σ是线性空间V1到V2的一个线性映射)
Im(σ)≜{σ(α)∣α∈V1}(Im是σ的像/值域)
Ker(σ)≜{α∈V1∣σ(α)=0}(Ker(σ)是σ的核)
证明:
- Im(σ)是V2的子空间,Ker(σ)是V1的子空间
- Im(σ)=span(σ(α1),σ(α2),⋯,σ(αn)),其中α1,α2,⋯,αn是V1的基
- dim(Im(σ))=rank(A),其中A是σ的矩阵
- dim(Im(σ))+dim(Ker(σ))=n
解:
(1) 证明子空间只需要验证加法与数乘封闭性
即∀α,β∈V1,k∈P
由线性映射的定义有,σ(α)+σ(β)=σ(α+β)∈Im(σ),kσ(α)=σ(kα)∈Im(σ),故Im(σ)是V2的子空间
即∀α,β∈Ker(σ),k∈P
有,σ(α)+σ(β)=σ(α+β)=0,σ(kα)=kσ(α)=0,故Ker(σ)是V1的子空间
(2)∀α∈V1有,
α=i=1∑nxiαi
则
β=σ(α)=i=1∑nxiσ(αi)
也即∀β∈Im(σ),β=∑i=1nxiσ(αi),故Im(σ)=span(σ(α1),σ(α2),⋯,σ(αn))
(3)由于dim(Im(σ))=rank(σ(α1),σ(α2),⋯,σ(αn))
而rank(σ(α1),σ(α2),⋯,σ(αn))=rank(A),故dim(Im(σ))=rank(A)
(4)设dim(Ker(σ))=r,在Ker(σ)中取一组基α1,α2,⋯,αr并将其扩充到V1的基α1,α2,⋯,αr,αr+1,⋯,αn
则有
Im(σ)=span(σ(α1),σ(α2),⋯,σ(αr),σ(αr+1),⋯,σ(αn))
由于σ(α1),σ(α2),⋯,σ(αr)=0,则有
Im(σ)=span(σ(αr+1),⋯,σ(αn))
现在证明σ(αr+1),⋯,σ(αn)是线性无关的
设σ(αr+1),⋯,σ(αn)是线性相关的,则
j=r+1∑nkjσ(αj)=0
则有
σ(j=r+1∑nkjαj)=0
也就是说∑j=r+1nkjαj∈Ker(σ),而α1,α2,⋯,αr是Ker(σ)的一组基,故
j=r+1∑nkjαj=j=1∑rkjαj
而α1,α2,⋯,αr,αr+1,⋯,αn线性无关,故只有kj=0,与σ(αr+1),⋯,σ(αn)是线性相关的矛盾
因此dim(Im(σ))=n−r,也就是有dim(Im(σ))+dim(Ker(σ))=n