comp_1_数学类_决赛_8

2010年数学类_决赛

📝 题目

八、(15 分)设 $V$ 是复数域 $\mathbb{C}$ 上的 $n$ 维线性空间,$f_{j}: V \rightarrow \mathbb{C}$ 是非零的线性函数,$j=1,2$ .若不存在 $0 \neq c \in \mathbb{C}$ 使得 $f_{1}=c f_{2}$ ,证明:任意的 $\alpha \in V$ 都可表为 $\alpha=\alpha_{1}+\alpha_{2}$ 使得 $$ f_{1}(\alpha)=f_{1}\left(\alpha_{2}\right), \quad f_{2}(\alpha)=f_{2}\left(\alpha_{1}\right) $$

💡 答案解析

【参考证明】:记 $E_{j}=\operatorname{Ker} f_{j}, j=1,2$ 。由 $f_{j} \neq 0$ 知 $\operatorname{dim} E_{j}=n-1, j=1,2$ 。不失一般性,可令 $$ \begin{aligned} & V=\mathbb{C}^{n}=\left\{\alpha=\left(x_{1}, \ldots, x_{n}\right): x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n} \in \mathbb{C}\right\} \\ & f_{j}(\alpha)=a_{j 1} x_{1}+a_{j 2} x_{2}+\ldots+a_{j n} x_{n}, j=1,2 \end{aligned} $$ 由 $f_{1} \neq 0, f_{2} \neq 0, f_{1} \neq c f_{2}, \forall c \in \mathbb{C}$ ,知 $$ \left\{\begin{array}{l} a_{11} x_{1}+a_{12} x_{2}+\ldots+a_{1 n} x_{n}=0 \\ a_{21} x_{1}+a_{22} x_{2}+\ldots+a_{2 n} x_{n}=0 \end{array}\right. $$ 的系数矩阵之秩为 2 。因此其解空间维数为 $n-2$ ,即 $\operatorname{dim}\left(E_{1} \cap E_{2}\right)=n-2$ 。但 $$ \operatorname{dim} E_{1}+\operatorname{dim} E_{2}=\operatorname{dim}\left(E_{1}+E_{2}\right)+\operatorname{dim}\left(E_{1} \cap E_{2}\right), $$ 故有 $\operatorname{dim}\left(E_{1}+E_{2}\right)=n$ ,即 $E_{1}+E_{2}=V$ 。 现在,任 意 的 $\alpha \in V$ 都 可 表为 $\alpha=\alpha_{1}+\alpha_{2}$ ,其 中 $\alpha_{1} \in E_{1}, \alpha_{2} \in E_{2}$ 。注 意 到 $f_{1}\left(\alpha_{1}\right)=0, f_{2}\left(\alpha_{2}\right)=0$ ,因此 $$ f_{1}(\alpha)=f_{1}\left(\alpha_{2}\right), f_{2}(\alpha)=f_{2}\left(\alpha_{1}\right) $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:定义核子空间并确定维数
设 $E_j = \operatorname{Ker} f_j$,$j=1,2$。由于 $f_j$ 是非零线性函数,其核的维数为 $n-1$,即 $\dim E_j = n-1$。
公式:\dim E_j = n-1
提示:注意 $f_j$ 非零,所以核的维数比全空间少1。
步骤 2/6
目标:选取坐标系表示线性函数
不妨设 $V = \mathbb{C}^n$,且 $f_j(\alpha) = a_{j1}x_1 + \cdots + a_{jn}x_n$,其中 $\alpha = (x_1,\ldots,x_n)$。由条件 $f_1 \neq c f_2$ 对任意非零 $c$ 成立,知向量 $(a_{11},\ldots,a_{1n})$ 与 $(a_{21},\ldots,a_{2n})$ 线性无关。
提示:线性无关性保证了系数矩阵的秩为2。
步骤 3/6
目标:求解方程组并确定交空间维数
考虑方程组 $\begin{cases} a_{11}x_1+\cdots+a_{1n}x_n=0 \\ a_{21}x_1+\cdots+a_{2n}x_n=0 \end{cases}$。系数矩阵的秩为2,因此解空间维数为 $n-2$,即 $\dim(E_1 \cap E_2) = n-2$。
公式:\dim(E_1 \cap E_2) = n-2
提示:秩为2是因为两个行向量线性无关。
步骤 4/6
目标:利用维数公式求和空间维数
由维数公式:$\dim E_1 + \dim E_2 = \dim(E_1+E_2) + \dim(E_1 \cap E_2)$,代入 $\dim E_1 = \dim E_2 = n-1$,$\dim(E_1 \cap E_2)=n-2$,得 $2(n-1) = \dim(E_1+E_2) + (n-2)$,解得 $\dim(E_1+E_2) = n$,故 $E_1+E_2 = V$。
公式:\dim(E_1+E_2) = n
提示:维数公式是线性空间的基本性质,注意不要混淆。
步骤 5/6
目标:分解任意向量
对任意 $\alpha \in V$,由于 $V = E_1+E_2$,存在 $\alpha_1 \in E_1$,$\alpha_2 \in E_2$ 使得 $\alpha = \alpha_1 + \alpha_2$。
提示:分解不唯一,但只需存在性。
步骤 6/6
目标:验证所需等式
由于 $\alpha_1 \in E_1 = \operatorname{Ker} f_1$,有 $f_1(\alpha_1)=0$;同理 $f_2(\alpha_2)=0$。因此 $f_1(\alpha) = f_1(\alpha_1+\alpha_2) = f_1(\alpha_1)+f_1(\alpha_2) = f_1(\alpha_2)$,$f_2(\alpha) = f_2(\alpha_1+\alpha_2) = f_2(\alpha_1)+f_2(\alpha_2) = f_2(\alpha_1)$。证毕。
提示:利用线性性及核的定义。

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