南京师范大学 2016年高等代数第0题

考研真题

📝 题目

六、(20 分)设 $V$ 为一个有限维线性空间, $\displaystyle \mathscr{A}$ 是 $V$ 上的线性变换,证明:$\displaystyle V=\mathscr{A} V \oplus \mathscr{A}^{-1}(0)$ 当且仅当 $$ \mathscr{A}^{2} V=\mathscr{A} V $$

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📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:必要性:假设直和成立,证明像空间相等
假设 $V = \mathscr{A}V \oplus \mathscr{A}^{-1}(0)$。对任意 $v \in V$,存在 $u \in \mathscr{A}V$ 和 $w \in \mathscr{A}^{-1}(0)$ 使得 $v = u + w$。则 $\mathscr{A}v = \mathscr{A}u + \mathscr{A}w = \mathscr{A}u$。由于 $u \in \mathscr{A}V$,存在 $x \in V$ 使得 $u = \mathscr{A}x$,故 $\mathscr{A}v = \mathscr{A}^2 x \in \mathscr{A}^2 V$。因此 $\mathscr{A}V \subseteq \mathscr{A}^2 V$。显然 $\mathscr{A}^2 V \subseteq \mathscr{A}V$,所以 $\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$。
公式:$\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$
提示:注意直和分解中每个向量的唯一表示,以及线性变换的像与核的定义。
步骤 2/5
目标:充分性:假设像空间相等,证明交为零
假设 $\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$。首先证明 $\mathscr{A}V \cap \mathscr{A}^{-1}(0) = \{0\}$。取 $y \in \mathscr{A}V \cap \mathscr{A}^{-1}(0)$,则存在 $x \in V$ 使得 $y = \mathscr{A}x$,且 $\mathscr{A}y = 0$。于是 $\mathscr{A}^2 x = 0$。由 $\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$,存在 $z \in V$ 使得 $\mathscr{A}x = \mathscr{A}^2 z$,即 $y = \mathscr{A}^2 z$。那么 $\mathscr{A}y = \mathscr{A}^3 z = 0$。由于 $\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$,$\mathscr{A}$ 在 $\mathscr{A}V$ 上的限制是满射,且有限维线性空间上满射必为单射,故 $\mathscr{A}$ 在 $\mathscr{A}V$ 上可逆。因此由 $\mathscr{A}y = 0$ 且 $y \in \mathscr{A}V$ 得 $y = 0$。所以交为零。
公式:$\mathscr{A}V \cap \mathscr{A}^{-1}(0) = \{0\}$
提示:注意有限维线性空间上线性变换的满射等价于单射,这是关键。
步骤 3/5
目标:充分性:证明和等于全空间
其次证明 $V = \mathscr{A}V + \mathscr{A}^{-1}(0)$。对任意 $v \in V$,由 $\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$,存在 $u \in V$ 使得 $\mathscr{A}v = \mathscr{A}^2 u$。于是 $\mathscr{A}(v - \mathscr{A}u) = 0$,即 $v - \mathscr{A}u \in \mathscr{A}^{-1}(0)$。因此 $v = \mathscr{A}u + (v - \mathscr{A}u) \in \mathscr{A}V + \mathscr{A}^{-1}(0)$。
公式:$V = \mathscr{A}V + \mathscr{A}^{-1}(0)$
提示:构造 $u$ 时注意利用像空间相等的条件。
步骤 4/5
目标:充分性:结合交为零与和为全空间得直和
由前两步,$\mathscr{A}V \cap \mathscr{A}^{-1}(0) = \{0\}$ 且 $V = \mathscr{A}V + \mathscr{A}^{-1}(0)$,根据直和的定义,$V = \mathscr{A}V \oplus \mathscr{A}^{-1}(0)$。
公式:$V = \mathscr{A}V \oplus \mathscr{A}^{-1}(0)$
提示:直和需要同时满足和与交的条件。
步骤 5/5
目标:总结结论
必要性已证,充分性已证,故 $V = \mathscr{A}V \oplus \mathscr{A}^{-1}(0)$ 当且仅当 $\mathscr{A}^2 V = \mathscr{A}V$。
提示:注意结论的完整性。

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