# 直和的概念

对于三个线性空间 V,V1,V2V, V_1, V_2,若有 V1,V2V_1, V_2 是 VV 的子空间,V1∩V2={0}V_1 \cap V_2 = \{ 0 \},dim⁡V1+dim⁡V2=dim⁡V\dim V_1 + \dim V_2 = \dim V,则称 VV 为 V1V_1 与 V2V_2 的直和,记作 V=V1⊕V2V = V_1 \oplus V_2。此时,对于 ∀ α∈V\forall \, \alpha \in V,α\alpha 均可由 V1,V2V_1, V_2 中的向量线性表出。

# 习题

  1. 在数域 F\mathbb F 上的线性空间 VV 中,a,b∈Fa, b \in \mathbb F,α,β,γ∈V\alpha, \beta, \gamma \in V,求证:

    (1) α+β=γ⇔α=γ−β\alpha + \beta = \gamma \Leftrightarrow \alpha = \gamma - \beta

    (2) a(α−β)=aα−aβ,(a+b)(α+β)=aα+aβ+bα+bβa (\alpha - \beta) = a \alpha - a \beta, (a + b) (\alpha + \beta) = a \alpha + a \beta + b \alpha + b \beta

    (3) (a−b)α=aα−bα,(a−b)(α−β)=aα−aβ−bα+bβ(a - b) \alpha = a \alpha - b \alpha, (a - b) (\alpha - \beta) = a \alpha - a \beta - b \alpha + b \beta

    (1) 证明:“⇒\Rightarrow”:等式两边同时减去 β\beta 可得:

    α=γ−β \alpha = \gamma - \beta

    “⇐\Leftarrow”:将 α=γ−β\alpha = \gamma - \beta 代入 α+β\alpha + \beta 得:

    α+β=γ−β+β=γ \alpha + \beta = \gamma - \beta + \beta = \gamma

    (2) 证明:由线性空间上的乘法分配律可知:

    a(α−β)=aα−aβ(a+b)(α+β)=a(α+β)+b(α+β)=aα+aβ+bα+bβ a (\alpha - \beta) = a \alpha - a \beta \\ (a + b)(\alpha + \beta) = a(\alpha + \beta) + b(\alpha + \beta) = a \alpha + a \beta + b \alpha + b \beta

    (3) 证明:由线性空间上的乘法分配律可知:

    (a−b)α=aα−bα(a−b)(α−β)=a(α−β)−b(α−β)=aα−aβ−bα+bβ (a - b) \alpha = a \alpha - b \alpha \\ (a - b) (\alpha - \beta) = a (\alpha - \beta) - b (\alpha - \beta) = a \alpha - a \beta - b \alpha + b \beta

  2. 令 V={(a,b)∣a,b∈R}V = \{ (a, b) | a, b \in \R \},定义 VV 上加法和数乘运算如下:

    加法 ⊕\oplus:(a1,b1)⊕(a2,b2)=(a1+a2,b1b2)(a_1, b_1) \oplus (a_2, b_2) = (a_1 + a_2, b_1 b_2);

    数乘 ∘\circ:k∘(a1,b1)=(ka1,kb1),k∈Rk \circ (a_1, b_1) = (k a_1, k b_1), k \in \R

    问:VV 对于规定的加法 “⊕\oplus” 和数乘 “∘\circ” 运算是否构成 R\R 上的线性空间?

    解:对于 ∀ (a1,b1),(a2,b2)∈V,k∈R\forall \, (a_1, b_1), (a_2, b_2) \in V, k \in \R,显然有 a1+a2∈R,b1b2∈R,ka1∈R,kb1∈Ra_1 + a_2 \in R, b_1 b_2 \in R, k a_1 \in R, k b_1 \in R,因此有 (a1,b1)⊕(a2,b2)=(a1+a2,b1b2)∈V,k(a1,b1)=(ka1,kb1)∈V(a_1, b_1) \oplus (a_2, b_2) = (a_1 + a_2, b_1 b_2) \in V, k (a_1, b_1) = (k a_1, k b_1) \in V,因此 VV 构成 R\R 上的线性空间。

  3. 求证:

    (1) 若将复数域 C\mathbb C 视为实数域 R\R 上的线性空间,则 1+i,1−i1 + i, 1 - i 是线性无关的;

    (2) 若将复数域 C\mathbb C 视为实数域 C\mathbb C 上的线性空间,则 1+i,1−i1 + i, 1 - i 是线性相关的。

    (1) 证明:不存在一个实数 xx,使 1+i=x(1−i)1 + i = x (1 - i),因此 1+i,1−i1 + i, 1 - i 是线性无关的。

    (2) 证明:存在复数 −i-i,使 1−i=(−i)(1+i)1 - i = (-i) (1 + i),因此 1+i,1−i1 + i, 1 - i 是线性相关的。

  4. 问:

    (1) 将复数域 C\mathbb C 视为实数域 R\R 上的线性空间时,维数是多少?并找出它的一组基。

    (2) 将复数域 C\mathbb C 视为复数域 C\mathbb C 上的线性空间时,维数是多少?并找出它的一组基。

    (1) 解:维数是 22,一组基是 1,i1, i。

    (2) 解:维数是 11,一组基是 11,任何复数 x=a+bix = a + bi 都可表示为 x=(a+bi)×1x = (a + bi) \times 1。

  5. 设所有次数小于 44 的一元实系数多项式构成的线性空间

    R[x]4={a3x3+a2x2+a1x+a0∣a3,a2,a1,a0∈R}\R [x]_4 = \{ a_3 x_3 + a_2 x^2 + a_1 x + a_0 | a_3, a_2, a_1, a_0 \in \R \}

    第 I\text I 组基为 1,x,x2,x31, x, x^2, x^3,第 II\text {II} 组基为 1,1+x,1+x+x2,1+x+x2+x31, 1 + x, 1 + x + x^2, 1 + x + x^2 + x^3,

    (1) 求由第 I\text I 组基到第 II\text {II} 组基的过渡矩阵。

    (2) 求多项式 1+2x+3x2+4x31 + 2x + 3x^2 + 4x^3 在第 II\text {II} 组基下的坐标。

    (3) 若一个多项式在第 II\text {II} 组基下的坐标为 (1,2,3,4)(1, 2, 3, 4),求它在第 I\text {I} 组基下的坐标。

    (1) 解:由题可列出方程组:

    {a1,1+a1,2x+a1,3x2+a1,4x3=1a2,1+a2,2x+a2,3x2+a2,4x3=1+xa3,1+a3,2x+a3,3x2+a3,4x3=1+x+x2a4,1+a4,2x+a4,3x2+a4,4x3=1+x+x2+x3 \begin {cases} a_{1, 1} + a_{1, 2} x + a_{1, 3} x^2 + a_{1, 4} x^3 = 1 \\ a_{2, 1} + a_{2, 2} x + a_{2, 3} x^2 + a_{2, 4} x^3 = 1 + x \\ a_{3, 1} + a_{3, 2} x + a_{3, 3} x^2 + a_{3, 4} x^3 = 1 + x + x^2 \\ a_{4, 1} + a_{4, 2} x + a_{4, 3} x^2 + a_{4, 4} x^3 = 1 + x + x^2 + x^3 \end {cases}

    由此可解得过渡矩阵为:

    (1111011100110001) \begin {pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end {pmatrix}

    (2) 解:设坐标为 (a1,a2,a3,a4)(a_1, a_2, a_3, a_4),则可列出如下方程组:

    {a1+a2+a3+a4=1a2+a3+a4=2a3+a4=3a4=4 \begin {cases} a_1 + a_2 + a_3 + a_4 = 1 \\ a_2 + a_3 + a_4 = 2 \\ a_3 + a_4 = 3 \\ a_4 = 4 \end {cases}

    解得:

    {a1=−1a2=−1a3=−1a4=4 \begin {cases} a_1 = -1 \\ a_2 = -1 \\ a_3 = -1 \\ a_4 = 4 \end {cases}

    则多项式 1+2x+3x2+4x31 + 2x + 3x^2 + 4x^3 在第 II\text {II} 组基下的坐标为 (−1,−1,−1,4)(-1, -1, -1, 4)。

    (3) 解:由坐标转换公式可得,它在第 I\text I 组基下的坐标为:

    (1111011100110001)×(1234)=(10974) \begin {pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end {pmatrix} \times \begin {pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end {pmatrix} = \begin {pmatrix} 10 \\ 9 \\ 7 \\ 4 \end {pmatrix}

    即坐标为 (10,9,7,4)(10, 9, 7, 4)

  6. 给定 R4\R^4 的子空间 W1W_1 的基 {α1,α2}\{ \alpha_1, \alpha_2 \} 和子空间 W2W_2 的基 {β1,β2}\{ \beta_1, \beta_2 \},其中

    {α1=(1,2,1,0)α2=(−1,1,1,1),{β1=(2,−1,0,1)β2=(1,−1,3,7)\begin {cases} \alpha_1 = (1, 2, 1, 0) \\ \alpha_2 = (-1, 1, 1, 1) \end {cases}, \begin {cases} \beta_1 = (2, -1, 0, 1) \\ \beta_2 = (1, -1, 3, 7) \end {cases}

    (1) 求 W1+W2W_1 + W_2 的维数并求出一组基。

    (2) 求 W1∩W2W_1 \cap W_2 的维数并求出一组基,并将它扩充为 W1+W2W_1 + W_2 的一组基。

    (1) 解:将 α1,α2,β1,β2\alpha_1, \alpha_2, \beta_1, \beta_2 排成列向量矩阵并进行初等行变换:

    (1−12121−1−111030117)→−2(1)+(2),−(1)+(3)(1−12103−5−302−220117)→(2,4)(1−121011702−2203−5−3)→−2(2)+(3),−3(2)+(4)(1−121011700−4−1200−8−24)→−2(3)+(4)(1−121011700−4−120000) \begin {pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 2 & 1 & -1 & -1 \\ 1 & 1 & 0 & 3 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(1) + (2), -(1) + (3)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 3 & -5 & -3 \\ 0 & 2 & -2 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {(2, 4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \\ 0 & 2 & -2 & 2 \\ 0 & 3 & -5 & -3 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(2) + (3), -3(2) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \\ 0 & 0 & -4 & -12 \\ 0 & 0 & -8 & -24 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(3) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \\ 0 & 0 & -4 & -12 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix}

    因此 W1+W2W_1 + W_2 的维数为 33,一组基为 {α1,α2,β1}\{ \alpha_1, \alpha_2, \beta_1 \}。

    (2) 解:设 X∈W1∩W2X \in W_1 \cap W_2,不妨设 X=x1α1+x2α2=y1β1+y2β2X = x_1 \alpha_1 + x_2 \alpha_2 = y_1 \beta_1 + y_2 \beta_2,则有如下方程组成立:

    {x1−x2=2y1+y22x1+x2=−y1−y2x1+x2=3y2x2=y1+7y2 \begin {cases} x_1 - x_2 = 2 y_1 + y_2 \\ 2 x_1 + x_2 = - y_1 - y_2 \\ x_1 + x_2 = 3 y_2 \\ x_2 = y_1 + 7 y_2 \end {cases}

    写出上述方程的系数矩阵并进行初等行变换:

    (1−1−2−12111110−301−1−7)→−2(1)+(2),−(1)+(3)(1−1−2−10353022−201−1−7)→(2,4)(1−1−2−101−1−7022−20353)→−2(2)+(3),−3(2)+(4)(1−1−2−101−1−70041200824)→−2(3)+(4)(1−1−2−101−1−7004120000)→14(3)(1−1−2−101−1−700130000)→2(3)+(1),(3)+(2)(1−105010−400130000)→(2)+(1)(1001010−400130000) \begin {pmatrix} 1 & -1 & -2 & -1 \\ 2 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & -3 \\ 0 & 1 & -1 & -7 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(1) + (2), -(1) + (3)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & -2 & -1 \\ 0 & 3 & 5 & 3 \\ 0 & 2 & 2 & -2 \\ 0 & 1 & -1 & -7 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {(2, 4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & -2 & -1 \\ 0 & 1 & -1 & -7 \\ 0 & 2 & 2 & -2 \\ 0 & 3 & 5 & 3 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(2) + (3), -3(2) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & -2 & -1 \\ 0 & 1 & -1 & -7 \\ 0 & 0 & 4 & 12 \\ 0 & 0 & 8 & 24 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(3) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & -2 & -1 \\ 0 & 1 & -1 & -7 \\ 0 & 0 & 4 & 12 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {\frac 1 4 (3)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & -2 & -1 \\ 0 & 1 & -1 & -7 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {2(3) + (1), (3) + (2)} \quad \begin {pmatrix} 1 & -1 & 0 & 5 \\ 0 & 1 & 0 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {(2) + (1)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix}

    即方程组通解为:

    (x1,x2,y1,y2)=(−y2,4y2,−3y2,y2) (x_1, x_2, y_1, y_2) = (- y_2, 4 y_2, -3 y_2, y_2)

    则 X=(−5y2,2y2,3y2,4y2)X = (-5 y_2, 2 y_2, 3 y_2, 4 y_2),W1∩W2W_1 \cap W_2 的维数为 11,一组基为 (−5,2,3,4)(-5, 2, 3, 4)。扩充的一组基为 {α1,β1,(−5,2,3,4)}\{ \alpha_1, \beta_1, (-5, 2, 3, 4) \}。

  7. 设 W1,W2W_1, W_2 分别是数域 R\R 上的线性方程组

    {x1+x2+x3=0x2+2x3+x4=0与{x1+2x2+4x3+2x4=0x2+4x3+3x4=0\begin {cases} x_1 + x_2 + x_3 = 0 \\ x_2 + 2 x_3 + x_4 = 0 \end {cases} 与 \begin {cases} x_1 + 2 x_2 + 4 x_3 + 2 x_4 = 0 \\ x_2 + 4 x_3 + 3 x_4 = 0 \end {cases}

    的解空间,分别求 W1+W2W_1 + W_2 与 W1∩W2W_1 \cap W_2 的维数并各求一组基。

    解:写出第一个方程组的系数矩阵并进行初等行变换:

    (11100121)→−(2)+(1)(10−1−10121) \begin {pmatrix} 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 & 1 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-(2) + (1)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & 2 & 1 \end {pmatrix}

    则可得出:

    X1=t1(1−210)+t2(1−101) X_1 = t_1 \begin {pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \\ 0 \end {pmatrix} + t_2 \begin {pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 1 \end {pmatrix}

    写出第二个方程组的系数矩阵并进行初等行变换:

    (12420143)→−2(2)+(1)(10−4−40143) \begin {pmatrix} 1 & 2 & 4 & 2 \\ 0 & 1 & 4 & 3 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-2(2) + (1)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 0 & -4 & -4 \\ 0 & 1 & 4 & 3 \end {pmatrix}

    则可得出:

    X2=t3(4−410)+t4(4−301) X_2 = t_3 \begin {pmatrix} 4 \\ -4 \\ 1 \\ 0 \end {pmatrix} + t_4 \begin {pmatrix} 4 \\ -3 \\ 0 \\ 1 \end {pmatrix}

    将两个解空间的一组基向量排成列向量矩阵,并进行初等行变换:

    (1144−2−1−4−310100101)→2(1)+(2),−(1)+(3)(114401450−1−3−40101)→(2)+(3),−(2)+(4)(11440145001100−4−4)→4(3)+(4)(1144014500110000) \begin {pmatrix} 1 & 1 & 4 & 4 \\ -2 & -1 & -4 & -3 \\ 1 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 1 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {2 (1) + (2), -(1) + (3)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & 4 & 4 \\ 0 & 1 & 4 & 5 \\ 0 & -1 & -3 & -4 \\ 0 & 1 & 0 & 1 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {(2) + (3), -(2) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & 4 & 4 \\ 0 & 1 & 4 & 5 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & -4 & -4 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {4(3) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & 4 & 4 \\ 0 & 1 & 4 & 5 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix}

    由此可知 W1+W2W_1 + W_2 维数为 33,一组基为 {(1,−2,1,0),(1,−1,0,1),(4,−4,1,0)}\{ (1, -2, 1, 0), (1, -1, 0, 1), (4, -4, 1, 0) \}。设:

    X=t1(1−210)+t2(1−101)=t3(4−410)+t4(4−301) X = t_1 \begin {pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \\ 0 \end {pmatrix} + t_2 \begin {pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 1 \end {pmatrix} = t_3 \begin {pmatrix} 4 \\ -4 \\ 1 \\ 0 \end {pmatrix} + t_4 \begin {pmatrix} 4 \\ -3 \\ 0 \\ 1 \end {pmatrix}

    则可得到如下方程组:

    {t1+t2−4t3−4t4=0−2t1−t2+4t3+3t4=0t1−t3=0t2−t4=0 \begin {cases} t_1 + t_2 - 4 t_3 - 4 t_4 = 0 \\ -2 t_1 - t_2 + 4 t_3 + 3 t_4 = 0 \\ t_1 - t_3 = 0 \\ t_2 - t_4 = 0 \end {cases}

    列出上述方程的系数矩阵并进行初等行变换:

    (11−4−4−2−14310−10010−1)→2(1)+(2),−(1)+(3)(11−4−401−4−50−134010−1)→(2)+(3),−(2)+(4)(11−4−401−4−500−1−10044)→4(3)+(4)(11−4−401−4−500−1−10000)→−(3)(11−4−401−4−500110000)→4(3)+(1),4(3)+(2)(1100010−100110000)→−(2)+(1)(1001010−100110000) \begin {pmatrix} 1 & 1 & -4 & -4 \\ -2 & -1 & 4 & 3 \\ 1 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {2(1) + (2), -(1) + (3)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & -4 & -4 \\ 0 & 1 & -4 & -5 \\ 0 & -1 & 3 & 4 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {(2) + (3), -(2) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & -4 & -4 \\ 0 & 1 & -4 & -5 \\ 0 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 0 & 4 & 4 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {4(3) + (4)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & -4 & -4 \\ 0 & 1 & -4 & -5 \\ 0 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-(3)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & -4 & -4 \\ 0 & 1 & -4 & -5 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {4(3) + (1), 4(3) + (2)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix} \quad \xrightarrow {-(2) + (1)} \quad \begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {pmatrix}

    解得:

    {t1=−t4t2=t4t3=−t4 \begin {cases} t_1 = - t_4 \\ t_2 = t_4 \\ t_3 = - t_4 \end {cases}

    则 XX 可写作:

    X=t3(4−410)+t4(4−301)=t4(01−11) X = t_3 \begin {pmatrix} 4 \\ -4 \\ 1 \\ 0 \end {pmatrix} + t_4 \begin {pmatrix} 4 \\ -3 \\ 0 \\ 1 \end {pmatrix} = t_4 \begin {pmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \\ 1 \end {pmatrix}

    因此 W1∩W2W_1 \cap W_2 维数为 11,一组基为 {(0,1,−1,1)}\{ (0, 1, -1, 1) \}。

  8. 设 UU 和 WW 是 VV 的子空间使得 V=U⊕WV = U \oplus W,并设 u1,⋯ ,umu_1, \cdots, u_m 是 UU 的基,w1,⋯ ,wnw_1, \cdots, w_n 是 WW 的基。求证:u1,⋯ ,um,w1,⋯ ,wnu_1, \cdots, u_m, w_1, \cdots, w_n 是 VV 的基。

    证明:由题,U∩W={0}U \cap W = \{ 0 \},对于 ∀ α∈V\forall \, \alpha \in V,都有 α\alpha 可由 u1,⋯ ,um,w1,⋯ ,wnu_1, \cdots, u_m, w_1, \cdots, w_n 表出。下证唯一性。
    不妨设 α∈U\alpha \in U,则当 w1,⋯ ,wnw_1, \cdots, w_n 系数均取零时,α\alpha 仅能由 u1,⋯ ,umu_1, \cdots, u_m 唯一表出。若还存在一种表示方式 α=a1u1+⋯+amum+b1w1+⋯+bnwn\alpha = a_1 u_1 + \cdots + a_m u_m + b_1 w_1 + \cdots + b_n w_n,则应有 a1,⋯ ,ama_1, \cdots, a_m 不全为 00,b1,⋯ ,bnb_1, \cdots, b_n 不全为 00。不妨设 a1≠0a_1 \not = 0,此时有 u1=1a1α−a2a1u2−⋯−ama1um−b1a1w1−⋯−bna1wnu_1 = \dfrac 1 {a_1} \alpha - \dfrac {a_2} {a_1} u_2 - \cdots - \dfrac {a_m} {a_1} u_m - \dfrac {b_1} {a_1} w_1 - \cdots - \dfrac {b_n} {a_1} w_n,其中 −b1a1,⋯ ,−bna1- \dfrac {b_1} {a_1}, \cdots, - \dfrac {b_n} {a_1} 不全为 00,不妨设 −b1a1≠0- \dfrac {b_1} {a_1} \not = 0。由于 dim⁡U=m\dim U = m,则向量组 {α,u2,⋯ ,um,w1}\{ \alpha, u_2, \cdots, u_m, w_1 \} 必然线性相关,即 w1w_1 可由 α,u2,⋯ ,um\alpha, u_2, \cdots, u_m 线性表出,w1∈Uw_1 \in U,矛盾,假设不成立。
    因此 α\alpha 存在唯一表示方式,u1,⋯ ,um,w1,⋯ ,wnu_1, \cdots, u_m, w_1, \cdots, w_n 构成 VV 的一组基。

  9. 设 V1,V2V_1, V_2 分别是数域 F\mathbb F 上齐次线性方程组 x1+x2+⋯+xn=0x_1 + x_2 + \cdots + x_n = 0 与 x1=x2=⋯=xnx_1 = x_2 = \cdots = x_n 的解空间。求证:Fn=V1⊕V2\mathbb F^n = V_1 \oplus V_2。

    证明:V1V_1 中的解可写作:

    X1=t1(−110⋮0)+t2(−101⋮0)+⋯+tn−1(−100⋮1) X_1 = t_1 \begin {pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end {pmatrix} + t_2 \begin {pmatrix} -1 \\ 0 \\ 1 \\ \vdots \\ 0 \end {pmatrix} + \cdots + t_{n - 1} \begin {pmatrix} -1 \\ 0 \\ 0 \\ \vdots \\ 1 \end {pmatrix}

    V2V_2 中的解可写作:

    X2=tn(11⋮1) X_2 = t_n \begin {pmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end {pmatrix}

    若存在 X∈V1,X∈V2,X≠0X \in V_1, X \in V_2, X \not = 0,则有如下方程组成立:

    {−t1−t2−⋯−tn−1=tnt1=tnt2=tn⋯tn−1=tn \begin {cases} -t_1 - t_2 - \cdots - t_{n - 1} = t_n \\ t_1 = t_n \\ t_2 = t_n \\ \cdots \\ t_{n - 1} = t_n \end {cases}

    上述方程存在唯一解 (0,0,⋯ ,0)(0, 0, \cdots, 0)。因此 V1∩V2={0}V_1 \cap V_2 = \{ 0 \}。又由于 dim⁡V1=n−1,dim⁡V2=1,dim⁡Fn=n,dim⁡V1+dim⁡V2=dim⁡Fn\dim V_1 = n - 1, \dim V_2 = 1, \dim \mathbb F^n = n, \dim V_1 + \dim V_2 = \dim \mathbb F^n,因此有 Fn=V1⊕V2\mathbb F^n = V_1 \oplus V_2。