background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 
 

ZADANIA  -   Seria 3, Przestrzenie liniowe; podprzestrzenie, baza i wymiar przestrzeni liniowej 

 
 
1.  Dwa wektory v

1

 i v

2

 z przestrzeni liniowej V nad ciałem liczb rzeczywistych R są liniowo       

     niezależne. Dla jakich liczb 



R  wektory  

v

1

 + v

2

  i  v

1

 + 

v

2

  są również liniowo niezależne? 

 
2.  Niech V oznacza dwuwymiarową przestrzeń liniową nad 3-elementowym ciałem K. Wyznaczyć:    

a)  liczbę wektorów przestrzeni V, 
b)  pary wektorów liniowo zależnych, 
c)  liczbę baz przestrzeni V. 

 
3.  Wykazać, że liczba postaci 

3

2

x

 spełnia równanie stopnia czwartego o współczynnikach   

     całkowitych.  

     Wskazówka: Zauważyć, że liczby:  

4

3

2

,

,

,

,

1

x

x

x

x

 mogą być traktowane jako elementy                     

     4-wymiarowej przestrzeni liniowej nad ciałem liczb wymiernych Q , rozpiętej przez wektory: 

      

6

,

3

,

2

,

1

t

s

r

p

 
4.  Określić postać funkcji kwadratowej 

c

bx

ax

x

f

2

)

(

 takiej, że  

2

)

1

(

f

 ,  

3

)

0

(

f

 ,   

     

1

)

2

(

f

 , bez rozwiązywania układu równań na współczynniki a, b, c. 

     Wskazówka: Wybrać w 3-wymiarowej przestrzeni liniowej funkcji kwadratowych bazę złożoną                   

     z funkcji:   

3

2

1

,

,

f

f

f

  takich, że dla    k,l  = 1,2,3     oraz     

2

,

0

,

1

3

2

1

x

x

x

 

                            

kl

l

k

x

f

)

(

    ,   gdzie      

l

k

gdy

l

k

gdy

kl

0

1

 

     określając ich postać w oparciu o twierdzenie Bezout. Następnie przedstawić funkcję  f   
     jako kombinację liniową funkcji 

k

f . 

 
5.  Wykazać, że następujące zbiory wektorów w przestrzeni liniowej 

5

R

 tworzą podprzestrzenie   

     liniowe. Wyznaczyć bazy i wymiary tych podprzestrzeni: 

a)  pierwsza i ostatnia współrzędne są sobie równe, 
b)  parzyste współrzędne są sobie równe, 
c)  nieparzyste współrzędne są sobie równe. 

 

6.  Zbiór nieskończonych ciągów  

,...)

,

(

2

1

x

x

x

 liczb rzeczywistych  

R

x

i

, jest nieskończenie    

     wymiarową przestrzenią liniową nad ciałem R ( dodawanie ciągów i mnożenie ciągu przez liczbę ). 
     Sprawdzić czy podzbiór ciągów o podanych warunkach jest podprzestrzenią liniową: 

     a)  

)

(

k

x

 jest ciągiem arytmetycznym, 

     b)  

)

(

k

x

 jest ciągiem geometrycznym, 

     c)   

0

:

200

k

x

k

 , 

     d)   

0

:

200

k

x

k

7.  Wykazać liniową niezależność układu funkcji:  

      

x

x

x

x

x

x

3

cos

,

3

sin

,

2

cos

,

2

sin

,

cos

,

sin

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 3  -  Uwagi, szkice rozwiązań. 

 
 1.   Dwa wektory 

v

,

, należące do przestrzeni liniowej V nad ciałem K, są liniowo zależne, gdy  

       oba należą  do jednowymiarowej podprzestrzeni 

0

V

 rozpiętej przez niezerowy wektor 

u

 

       (lub 

v

), Podprzestrzeń 

0

V

 jest zbiorem wektorów postaci  

u

 (lub 

v

) ,  gdzie 

K

.  

       Załóżmy, że wektory niezerowe 

2

1

v

av

u

     i    

2

1

v

v

v

  są liniowo zależne. Wtedy 

                                

)

(

2

1

2

1

v

v

v

v

    ,      

R

,

         

       czyli    

0

)

(

)

1

(

2

1

v

v



  . Z liniowej niezależności wektorów  

1

v

 i 

2

v

  otrzymujemy 

                                     

0

1



  i    

0

 .  

       Stąd   

1

 gdy wektory 

v

,

 są liniowo zależne. Jeśli  

1

  to wektory 

v

,

 są liniowo     

       niezależne. 
         
2.  Ciało 3-elementowe jest izomorficzne z ciałem liczbowym 

3

Z

={0,1,2} ( dodawanie i mnożenie     

     modulo 3). Dwuwymiarowa przestrzeń liniowa V jest rozpięta nad ciałem 

3

Z

 przez dwa niezerowe    

     wektory 

2

1

v

v

 tworzące bazę w V . Jest ona złożona z wektorów postaci 

2

2

1

1

v

v

v

, gdzie 

      

2

,

1

,

0

,

2

1

 to współrzędne wektora 

v

 w bazie 

2

1

v

v

 . We współrzędnych:   

)

,

(

2

1

v

.  

     Liczba wektorów przestrzeni V wynosi więc  

9

3

2

N

                    

}

)

2

,

2

(

,

)

1

,

2

(

,

)

0

,

2

(

,

)

2

,

1

(

,

)

1

,

1

(

,

)

0

,

1

(

,

)

2

,

0

(

,

)

1

,

0

(

,

)

0

,

0

(

{

V

 

      W tym przypadku każda jednowymiarowa podprzestrzeń liniowa składa się z trzech wektorów:    
       

u

2

,

,

0

. Na przykład: jeśli  

)

2

,

1

(

u

 to   

)

1

,

2

(

2

u

 bowiem                      

                              

2

1

2

1

2

1

2

1

2

)

2

2

(

2

)

2

(

2

2

)

2

(

2

v

v

v

v

v

v

v

v

 

      W ten sposób otrzymuje się cztery pary wektorów liniowo zależnych:  

             

)

1

,

2

(

)

2

,

1

(

),

2

,

2

(

)

1

,

1

(

,

)

0

,

2

(

)

0

,

1

(

,

)

2

,

0

(

)

1

,

0

(

i

i

i

i

 

      Tworząc bazę ( uporządkowany układ dwóch wektorów liniowo niezależnych ) wybieramy po     
       jednym wektorze z powyższych czterech par. Można to zrobić na k sposobów: 

                    

48

2

2

2

2

4





k

            lub         

48

2

)

2

2

4

2

6

2

(

k

 

   
  3.  Szukamy skończenie wymiarowej podprzestrzeni liniowej V w przestrzeni liniowej liczb  

       rzeczywistych R nad ciałem liczb wymiernych Q takiej, że kolejne potęgi liczby 

3

2

x

  

       należą do V. Przestrzeń V jest rozpięta przez cztery wektory (liczby rzeczywiste):  

        

6

,

3

,

2

,

1

t

s

r

p

   bowiem  kolejne potęgi 

x

 (w szczególności 

4

3

2

,

,

,

,

1

x

x

x

x

       są kombinacjami liniowymi liczb  p,r,s,t ,  o współczynnikach wymiernych. Na przykład    

       

t

p

x

2

5

6

2

5

2

 .  Ale każdy układ pięciu wektorów  (w szczególności 

4

3

2

,

,

,

,

1

x

x

x

x

)       

       jest liniowo zależny w czterowymiarowej przestrzeni V. Oznacza to, że istnieje niezerowy układ    
       liczb wymiernych 

0

1

2

3

4

,

,

,

,

a

a

a

a

a

 takich, że 

                                                       

0

0

1

2

2

3

3

4

4

a

x

a

x

a

x

a

x

a

 

       Mnożąc obie strony przez wspólny mianownik liczb 

0

1

2

3

4

,

,

,

,

a

a

a

a

a

  otrzymuje się równanie o     

       współczynnikach całkowitych.     

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

      

 

   ZADANIA  -   Seria 3  -  Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

 

4.  Zbiór funkcji kwadratowych  

c

bx

ax

x

f

2

)

(

,   

R

c

b

a

,

,

   stanowi 3-wymiarową 

przestrzeń liniową V nad ciałem 

R

, rozpiętą przez wektory:                                                                                                             

                  

2

3

2

1

)

(

,

)

(

,

1

)

(

x

x

g

x

x

g

x

g

 

       Z uwagi na fakt, że przyporządkowanie funkcji f jej wartości 

)

(

0

x

f

w wybranym punkcie 

0

x

      

       ma charakter liniowy wygodnie jest w tym przypadku wybrać bazę w przestrzeni V złożoną z  
       funkcji kwadratowych :   

3

2

1

,

,

f

f

f

  takich, że  

       dla   

3

,

2

,

1

,

l

k

   oraz     

2

,

0

,

1

3

2

1

x

x

x

 

                                           

kl

l

k

x

f

)

(

    ,   gdzie      

l

k

gdy

l

k

gdy

kl

0

1

 

       Korzystając z twierdzenia 

Bezout  ( wielomian 

)

(x

W

jest podzielny przez  

0

x

x

 jeśli 

0

)

(

0

x

W

 ) otrzymuje się następujące postaci funkcji 

3

2

1

,

,

f

f

f

:

 

                

)

2

(

3

1

)

(

1

x

x

x

f

    ,    

)

2

)(

1

(

2

1

)

(

2

x

x

x

f

    ,    

)

1

(

6

1

)

(

3

x

x

x

f

 

      Poszukiwana funkcja jest następującą kombinacją liniową 

funkcji 

3

2

1

,

,

f

f

f

:

  

      

)

1

(

6

1

)

2

)(

1

(

2

3

)

2

(

3

2

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

3

3

2

2

1

1

x

x

x

x

x

x

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

 

                                                

3

)

(

2

x

x

f

 

 
  5.   We wszystkich przypadkach określone zbiory są domknięte względem dodawania wektorów w   

        

5

R

  i ich mnożenia przez liczbę:  

                  a)  

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

a

a

d

d

c

c

b

b

a

a

a

d

c

b

a

a

d

c

b

a

 

                        

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

a

d

c

b

a

a

d

c

b

a

             

                   Podobnie dla b) i c). 

        Tworzą więc one  podprzestrzenie liniowe.  

        a)  Bazę stanowią wektory:  

                       

)

10

,

0

,

0

,

0

(

,

)

0

,

0

,

1

,

0

,

0

(

,

)

0

,

0

,

0

,

1

,

0

(

,

)

1

,

0

,

0

,

0

,

1

(

4

3

2

1

v

v

v

v

                                                  

             bowiem    

4

3

2

1

)

,

,

,

,

(

dv

cv

bv

av

d

b

c

b

a

.  Podprzestrzeń ma wymiar 4. 

        b)  Bazę stanowią wektory:                

                       

)

1

,

0

,

0

,

0

,

0

(

,

)

0

,

0

,

1

,

0

,

0

(

,

)

0

,

1

,

0

,

1

,

0

(

,

)

0

,

0

,

0

,

0

,

1

(

4

3

2

1

v

v

v

v

                                                  

             bowiem    

4

3

2

1

)

,

,

,

,

(

dv

cv

bv

av

d

b

c

b

a

.  Podprzestrzeń ma wymiar 4. 

        c)  Bazę stanowią wektory:     

                        

)

10

,

0

,

0

,

0

(

,

)

0

,

0

,

0

,

1

,

0

(

,

)

1

,

0

,

1

,

0

,

1

(

3

2

1

v

v

v

                                                  

             bowiem    

3

2

1

)

,

,

,

,

(

cv

bv

av

a

c

a

b

a

.  Podprzestrzeń ma wymiar 3. 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 
 

   ZADANIA  -   Seria 3  -  Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

6.  Podzbiór ciągów o podanych warunkach jest podprzestrzenią liniową V jeśli: 

           1)  suma dwóch dowolnych ciągów o podanych warunkach również spełnia podany warunek, 

2)  ciąg o podanych warunkach pomnożony przez liczbę także spełnia podany warunek. 

      a)  TAK  
           Ciąg arytmetyczny spełnia warunek:  

r

x

x

N

k

k

k

1

  , gdzie 

r

 jest ustaloną liczbą   

            rzeczywistą.  Wystarczy zauważyć, że dla sumy dwóch ciągów arytmetycznych 

)

(

k

x

 i  

)

(

k

x



 

             

r

r

x

x

x

x

k

k

k

k







)

(

1

1

,   a dla 

R

          

r

x

x

k

k

1

 

      b)  NIE 

           Ciąg geometryczny spełnia warunek:  

k

k

k

x

x

x

N

k

2

2

1

 .  Istnieją takie ciągi  

           geometryczne, dla których suma nie jest ciągiem geometrycznym. Na przykład  

           

,...)

8

,

4

,

2

,

1

(

x

   ,    

,...)

27

,

9

,

3

,

1

(



x

 . Wtedy 

                                     

)

)(

(

72

25

)

(

1

1

3

3

2

2

2

x

x

x

x

x

x







 

      c)  NIE 
           Istnieją takie dwa ciągi spełniające warunek:  

0

:

200

k

x

k

, natomiast ich suma   

           warunku tego nie spełnia. Na przykład   

              

1

k

x

  dla  

300

k

  , 

0

300

x

  ;          

1



k

x

  dla  

400

k

  ,  

0

400



x

 

      d)  TAK  
           Wystarczy zauważyć, że dla sumy dwóch ciągów  

)

(

k

x

 i  

)

(

k

x



  takich, że  

                   

0

:

200

k

x

k

    i   

0

:

200



k

x

k

 

            zachodzi również:    

0

:

200



k

k

x

x

k

    a dla 

R

    

0

k

x

 . 

 

7.  Dowód typu nie wprost. 

      Załóżmy, że funkcje 

x

x

x

x

x

x

3

cos

,

3

sin

,

2

cos

,

2

sin

,

cos

,

sin

 są liniowo zależne. Wtedy  

      istnieje kombinacja liniowa tych funkcji 

równa wektorowi zerowemu, 

mająca przynajmniej  

      jeden współczynnik różny od zera:   

           

0

3

cos

3

sin

2

cos

2

sin

cos

sin

x

f

x

e

x

d

x

c

x

b

x

a

 

      Dobierając sprytnie punkty x otrzymuje się proste układy równań liniowych na współczynniki   
      

f

e

d

c

b

a

,

,

,

,

,

.   

      Kładąc  

0

x

  i  

x

   mamy   

0

e

    i  

f

d

 .  

      Kładąc   

6

/

x

  mamy   

0

d

 . Stąd  

0

f

e

d

.   

      Następnie kładąc  

3

/

x

  i  

3

/

2

x

  mamy   

b

a

0

 . Ostatecznie kładziemy   

        

2

/

x

 ,  skąd   

0

c

. Otrzymujemy sprzeczność.  

      Wynika stąd, że funkcje 

x

x

x

x

x

x

3

cos

,

3

sin

,

2

cos

,

2

sin

,

cos

,

sin

 są liniowo niezależne.