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九州大学 システム情報科学府 情報理工学専攻・電気電子工学専攻 2023年8月実施 線形代数

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description

m×nm \times n 実行列 AAmm 次元実ベクトル b\boldsymbol{b} に対して、

S={xRnAx=b},f(x)=AxS=\{\boldsymbol{x}\in\mathbb R^n\mid A\boldsymbol{x}=\boldsymbol b\}, \qquad f(\boldsymbol{x})=A\boldsymbol{x}

とする。実ベクトル空間 VV の部分集合 WW が部分空間となるための必要十分条件は、以下の C1~C3 である。この事実は証明なしに用いてよい。

  • C1. 0W\boldsymbol0\in W
  • C2. u,vW\boldsymbol u,\boldsymbol v\in W ならば u+vW\boldsymbol u+\boldsymbol v\in W
  • C3. uW, cR\boldsymbol u\in W,\ c\in\mathbb R ならば cuWc\boldsymbol u\in W

(1) 次の AA に対し、kerf\ker f の次元と基底を1組求めよ。

A=(20200824240266).A=\begin{pmatrix} 2&0&2&0\\ 0&8&24&24\\ 0&2&6&6 \end{pmatrix}.

(2) 一般に kerf\ker fRn\mathbb R^n の部分空間であることを示せ。

(3) SSRn\mathbb R^n の部分空間であるならば b=0\boldsymbol b=\boldsymbol0 であることを示せ。

(4) SSRn\mathbb R^n の部分空間、AA が正方行列であるとする。AA が正則ならば S={0}S=\{\boldsymbol0\} であることを示せ。

题目描述

给定 m×nm\times n 实矩阵 AAbRm\boldsymbol b\in\mathbb R^m,定义

S={xRnAx=b},f(x)=Ax.S=\{\boldsymbol x\in\mathbb R^n\mid A\boldsymbol x=\boldsymbol b\}, \qquad f(\boldsymbol x)=A\boldsymbol x.
  1. 对上述给定的 AA,求 kerf\ker f 的维数及一组基。
  2. 证明 kerf\ker fRn\mathbb R^n 的子空间。
  3. 证明若 SSRn\mathbb R^n 的子空间,则 b=0\boldsymbol b=\boldsymbol0
  4. 再设 AA 为方阵且可逆,证明 S={0}S=\{\boldsymbol0\}

Kai

(1)

x=(p,q,r,s)T\boldsymbol{x}=(p,q,r,s)^{\mathsf T} とくと、Ax=0A\boldsymbol{x}=\boldsymbol0 より

p=r,q=3r3s.p=-r,\qquad q=-3r-3s.

したがって

kerf={r(1310)+s(0301)|r,sR}.\ker f =\left\{ r\begin{pmatrix}-1\\-3\\1\\0\end{pmatrix} +s\begin{pmatrix}0\\-3\\0\\1\end{pmatrix} \middle|r,s\in\mathbb R \right\}.

よって dimkerf=2\dim\ker f=2 であり、例えば

(1310),(0301)\begin{pmatrix}-1\\-3\\1\\0\end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix}0\\-3\\0\\1\end{pmatrix}

が基底である。

(2)

A0=0A\boldsymbol0=\boldsymbol0 より 0kerf\boldsymbol0\in\ker f。また u,vkerf\boldsymbol u,\boldsymbol v\in\ker fcRc\in\mathbb R に対し、

A(u+v)=Au+Av=0,A(cu)=cAu=0.A(\boldsymbol u+\boldsymbol v)=A\boldsymbol u+A\boldsymbol v=\boldsymbol0, \qquad A(c\boldsymbol u)=cA\boldsymbol u=\boldsymbol0.

よって C1~C3 が成り立ち、kerf\ker fRn\mathbb R^n の部分空間である。

(3)

SS が部分空間ならば 0S\boldsymbol0\in S であるから、

b=A0=0.\boldsymbol b=A\boldsymbol0=\boldsymbol0.

(4)

(3) より b=0\boldsymbol b=\boldsymbol0xS\boldsymbol x\in S ならば Ax=0A\boldsymbol x=\boldsymbol0 である。AA は正則なので

x=A10=0.\boldsymbol x=A^{-1}\boldsymbol0=\boldsymbol0.

また 0S\boldsymbol0\in S であるから、S={0}S=\{\boldsymbol0\} である。