예제 · Exercises

EX 1 행렬 성분, 합, 스칼라배
한국어

문제. $M = \begin{pmatrix} 2 & 5 & 3 \\ 1 & 0 & -7 \end{pmatrix}$, $N = \begin{pmatrix} 4 & -2 & 5 \\ -5 & 3 & 2 \end{pmatrix}$라 하자. 다음을 구하라.

  1. $M_{13}$
  2. $M + N$
  3. $5M$

풀이.

(a) $M_{13} = 3$.

(b) $$M+N = \begin{pmatrix} 2+4 & 5+(-2) & 3+5 \\ 1+(-5) & 0+3 & -7+2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 & 3 & 8 \\ -4 & 3 & -5 \end{pmatrix}$$

(c) $$5M = \begin{pmatrix} 10 & 25 & 15 \\ 5 & 0 & -35 \end{pmatrix}$$

English

Problem. Let $M = \begin{pmatrix} 2 & 5 & 3 \\ 1 & 0 & -7 \end{pmatrix}$ and $N = \begin{pmatrix} 4 & -2 & 5 \\ -5 & 3 & 2 \end{pmatrix}$. Determine the following.

  1. $M_{13}$
  2. $M + N$
  3. $5M$

Solution.

(a) $M_{13} = 3$.

(b) $$M+N = \begin{pmatrix} 2+4 & 5+(-2) & 3+5 \\ 1+(-5) & 0+3 & -7+2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 & 3 & 8 \\ -4 & 3 & -5 \end{pmatrix}$$

(c) $$5M = \begin{pmatrix} 10 & 25 & 15 \\ 5 & 0 & -35 \end{pmatrix}$$

EX 1.1 두 교복 주문표의 합
한국어

문제. 다음 표는 A 학교와 B 학교가 2009년과 2010년에 각각 주문한 교복의 수를 나타낸다. 두 학교가 주문한 교복 수의 합을 나타내는 표를 작성하라.

(2009)
빨강파랑하양
A 학교300200400
B 학교500200300
(2010)
빨강파랑하양
A 학교250300350
B 학교400250350

풀이. 각 항목을 더하면 다음과 같다.

(합계)
빨강파랑하양
A 학교550500750
B 학교900450650
English

Problem. The following tables indicate how many uniforms that school A and B ordered in 2009 and 2010, respectively. Write the table for the number of uniforms the school ordered in sum.

(2009)
RedBlueWhite
School A300200400
School B500200300
(2010)
RedBlueWhite
School A250300350
School B400250350

Solution. Adding entrywise gives the following table.

(Sum)
RedBlueWhite
School A550500750
School B900450650
EX 1.2 행렬공간의 영벡터
한국어

문제. $M_{3\times 4}(F)$의 영벡터를 구하라.

풀이. $M_{3\times 4}(F)$의 영벡터는 모든 성분이 $0$인 $3\times 4$ 행렬이다.

$$O = \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&0&0&0\\0&0&0&0 \end{pmatrix}$$

English

Problem. Write the zero vector of $M_{3\times 4}(F)$.

Solution. The zero vector of $M_{3\times 4}(F)$ is the $3\times 4$ matrix all of whose entries are $0$.

$$O = \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&0&0&0\\0&0&0&0 \end{pmatrix}$$

EX 1.3 행렬방정식으로 성분 구하기
한국어

문제. 다음 행렬을 생각하자.

$$A = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 4 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 8 & -3 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad C = \begin{pmatrix} 10 & x \\ 0 & y \end{pmatrix},$$

$A + B = C$가 성립하게 하는 $x, y \in \mathbb{R}$를 구하라.

풀이. $$A+B = \begin{pmatrix} 2+8 & -1+(-3) \\ 0+0 & 4+1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 10 & -4 \\ 0 & 5 \end{pmatrix}$$

$A+B=C$이려면 $\begin{pmatrix}10&-4\\0&5\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}10&x\\0&y\end{pmatrix}$이어야 하므로 $x=-4$, $y=5$이다.

English

Problem. Consider the following matrices.

$$A = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 4 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 8 & -3 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad C = \begin{pmatrix} 10 & x \\ 0 & y \end{pmatrix},$$

Find $x, y \in \mathbb{R}$ which makes $A + B = C$.

Solution. $$A+B = \begin{pmatrix} 2+8 & -1+(-3) \\ 0+0 & 4+1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 10 & -4 \\ 0 & 5 \end{pmatrix}$$

For $A+B=C$ we need $\begin{pmatrix}10&-4\\0&5\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}10&x\\0&y\end{pmatrix}$, so $x=-4$ and $y=5$.

EX 2 미분가능함수는 벡터공간
한국어

문제. $V$를 $\mathbb{R}$ 위에서 정의된 모든 미분가능한 실숫값 함수의 집합이라 하자. 자연스러운 덧셈과 스칼라곱에 대하여 $V$가 벡터공간임을 증명하라.

증명. $V$ 위의 덧셈과 스칼라곱을 각 $f,g \in V$, $c \in \mathbb{R}$에 대하여 $(f+g)(t) = f(t)+g(t)$, $(cf)(t) = cf(t)$ ($t\in\mathbb{R}$)로 자연스럽게 정의한다.

(닫혀 있음.) 미분가능한 두 함수의 합은 미분가능하고 $(f+g)'=f'+g'$이며, 미분가능한 함수의 상수배 역시 미분가능하고 $(cf)'=cf'$이다. 따라서 $f,g\in V$, $c\in\mathbb{R}$이면 $f+g\in V$이고 $cf\in V$이다.

모든 $t\in\mathbb{R}$에 대하여 $0(t)=0$으로 정의되는 영함수 $0$은 상수함수이므로 미분가능하고 $0\in V$이며, 임의의 $f\in V$에 대하여 $(f+0)(t)=f(t)+0=f(t)$이므로 $f+0=f$이다. 따라서 $0$이 $V$의 영벡터이다.

임의의 $f\in V$에 대하여 $(-f)(t) := -f(t)$로 정의하면 $-f$는 $f$의 $-1$배이므로 미분가능하고 $-f\in V$이며, $(f+(-f))(t) = f(t)-f(t)=0=0(t)$이므로 $f+(-f)=0$이다.

나머지 공리들 — 덧셈의 교환법칙과 결합법칙, $c(f+g)=cf+cg$, $(c+d)f=cf+df$, $c(df)=(cd)f$, $1f=f$ — 은 각 $t\in\mathbb{R}$에서의 함숫값에 대해 성립하는 $\mathbb{R}$의 체 공리로부터 점별로(pointwise) 즉시 따른다. 예를 들어 임의의 $t$에 대하여 $(f+g)(t)=f(t)+g(t)=g(t)+f(t)=(g+f)(t)$이므로 $f+g=g+f$이고, 다른 공리들도 마찬가지이다. 따라서 $V$는 벡터공간이다.

$\square$
English

Problem. Let $V$ be the set of all differentiable real-valued functions defined on $\mathbb{R}$. Show that $V$ is a vector space with the obvious addition and scalar multiplication.

Proof. Define addition and scalar multiplication on $V$ by $(f+g)(t)=f(t)+g(t)$ and $(cf)(t)=cf(t)$ for $f,g\in V$, $c\in\mathbb{R}$, $t\in\mathbb{R}$.

(Closure.) The sum of two differentiable functions is differentiable with $(f+g)'=f'+g'$, and a constant multiple of a differentiable function is differentiable with $(cf)'=cf'$. Hence $f+g\in V$ and $cf\in V$ whenever $f,g\in V$ and $c\in\mathbb{R}$.

The function $0$ defined by $0(t)=0$ for all $t\in\mathbb{R}$ is a constant function, hence differentiable, so $0\in V$; and for any $f\in V$, $(f+0)(t)=f(t)+0=f(t)$, so $f+0=f$. Thus $0$ is the zero vector of $V$.

For any $f\in V$, define $(-f)(t):=-f(t)$; since $-f$ is a $-1$ multiple of $f$, it is differentiable and $-f\in V$, and $(f+(-f))(t)=f(t)-f(t)=0=0(t)$, so $f+(-f)=0$.

The remaining axioms — commutativity and associativity of addition, $c(f+g)=cf+cg$, $(c+d)f=cf+df$, $c(df)=(cd)f$, and $1f=f$ — follow pointwise, for each $t\in\mathbb{R}$, from the corresponding field axioms of $\mathbb{R}$ applied to the values $f(t),g(t)$. For instance, $(f+g)(t)=f(t)+g(t)=g(t)+f(t)=(g+f)(t)$ for every $t$, so $f+g=g+f$; the other axioms follow similarly. Hence $V$ is a vector space.

$\square$
EX 2.1 영벡터공간
한국어

문제. $V$를 하나의 원소로 이루어진 집합이라 하자. $V$ 위에 덧셈과 스칼라곱을 정의하여 벡터공간 구조를 부여하라. 이때 $V$를 영벡터공간(zero vector space)이라 한다.

증명. $V=\{v_0\}$라 하자. 덧셈과 스칼라곱을 $v_0+v_0 := v_0$, $cv_0 := v_0$ ($c\in F$)로 정의한다.

$V$의 원소가 $v_0$ 하나뿐이므로 덧셈과 스칼라곱은 항상 $v_0$를 값으로 가지며 $V$에 닫혀 있고, 교환법칙과 결합법칙은 모든 항이 $v_0$로 같으므로 자명하게 성립한다. $v_0+v_0=v_0$이므로 $v_0$는 영벡터이고, $v_0+v_0=v_0$이므로 $v_0$ 자신이 $v_0$의 덧셈에 대한 역원이다.

스칼라곱에 대해서도 $c(v_0+v_0)=cv_0=v_0$이고 $cv_0+cv_0=v_0+v_0=v_0$이므로 $c(v_0+v_0)=cv_0+cv_0$이 성립하며, 같은 이유로 $(c+d)v_0=v_0=cv_0+dv_0$, $c(dv_0)=v_0=(cd)v_0$, $1v_0=v_0$이 모두 성립한다. 따라서 $V$는 이 연산에 대하여 벡터공간이 되고, 이를 영벡터공간이라 한다.

$\square$
English

Problem. Let $V$ be the set consisting of single element. Define addition and scalar multiplication on $V$ to give the vector space structure. Here, $V$ is called the zero vector space.

Proof. Let $V=\{v_0\}$. Define addition and scalar multiplication by $v_0+v_0:=v_0$ and $cv_0:=v_0$ for $c\in F$.

Since $V$ has only the single element $v_0$, both operations always take the value $v_0$, so $V$ is closed under them, and commutativity and associativity hold trivially since every term equals $v_0$. Since $v_0+v_0=v_0$, $v_0$ is the zero vector, and since $v_0+v_0=v_0$, $v_0$ is its own additive inverse.

For scalar multiplication, $c(v_0+v_0)=cv_0=v_0$ and $cv_0+cv_0=v_0+v_0=v_0$, so $c(v_0+v_0)=cv_0+cv_0$; similarly $(c+d)v_0=v_0=cv_0+dv_0$, $c(dv_0)=v_0=(cd)v_0$, and $1v_0=v_0$ all hold. Hence $V$ is a vector space under these operations, called the zero vector space.

$\square$
EX 2.2 $\mathbb{R}^2$에서 공리 판정
한국어

문제. $V = \mathbb{R}^2$라 하자. 주어진 덧셈과 곱셈에 대하여 $V$가 벡터공간인지 판정하라. 여기서 $(a_1, a_2), (b_1, b_2) \in V$, $c \in \mathbb{R}$이다.

  1. $(a_1, a_2) + (b_1, b_2) = (a_1 + b_1, a_2 b_2), \ \ c(a_1, a_2) = (ca_1, a_2)$
  2. $(a_1, a_2) + (b_1, b_2) = (a_1 + 2b_1, a_2 + 3b_2), \ \ c(a_1, a_2) = (ca_1, ca_2)$
  3. $(a_1, a_2) + (b_1, b_2) = (a_1 + b_1, a_2 + b_2), \ \ c(a_1, a_2) = \begin{cases} (0,0) & \text{if } c = 0 \\ (ca_1, a_2/c) & \text{if } c \neq 0 \end{cases}$

풀이.

(a) 벡터공간이 아니다. 만약 영벡터 $(z_1,z_2)$가 존재한다면, 모든 $(a_1,a_2)$에 대하여 $(a_1,a_2)+(z_1,z_2)=(a_1+z_1, a_2z_2)=(a_1,a_2)$이어야 하므로 $z_1=0$, $z_2=1$, 즉 영벡터는 $(0,1)$이어야 한다. 그런데 $(1,0)$의 덧셈에 대한 역원 $(b_1,b_2)$는 $(1+b_1, 0\cdot b_2)=(0,1)$을 만족해야 하는데, $0\cdot b_2=0\neq1$이므로 어떤 $b_2$로도 만족시킬 수 없다. 따라서 $(1,0)$은 덧셈에 대한 역원을 갖지 않으므로 역원의 존재성 공리가 성립하지 않는다.

(b) 벡터공간이 아니다. $(1,0)+(0,1) = (1+2\cdot0, 0+3\cdot1) = (1,3)$이지만 $(0,1)+(1,0) = (0+2\cdot1, 1+3\cdot0) = (2,1)$이므로 $(1,0)+(0,1)\neq(0,1)+(1,0)$이다. 따라서 덧셈의 교환법칙이 성립하지 않아 벡터공간이 아니다.

(c) 벡터공간이 아니다. $x=(0,1)$이라 하고 $c=d=1$을 생각하면, $(c+d)x = 2x = (0, 1/2)$이지만 $cx+dx = x+x = (0,1)+(0,1) = (0,2)$이므로 $(c+d)x\neq cx+dx$이다. 따라서 스칼라 덧셈에 대한 분배법칙이 성립하지 않아 벡터공간이 아니다.

English

Problem. Let $V = \mathbb{R}^2$. Determine whether $V$ is a vector space with the given addition and multiplication. Here, $(a_1, a_2), (b_1, b_2) \in V$ and $c \in \mathbb{R}$.

  1. $(a_1, a_2) + (b_1, b_2) = (a_1 + b_1, a_2 b_2), \ \ c(a_1, a_2) = (ca_1, a_2)$
  2. $(a_1, a_2) + (b_1, b_2) = (a_1 + 2b_1, a_2 + 3b_2), \ \ c(a_1, a_2) = (ca_1, ca_2)$
  3. $(a_1, a_2) + (b_1, b_2) = (a_1 + b_1, a_2 + b_2), \ \ c(a_1, a_2) = \begin{cases} (0,0) & \text{if } c = 0 \\ (ca_1, a_2/c) & \text{if } c \neq 0 \end{cases}$

Solution.

(a) Not a vector space. If a zero vector $(z_1,z_2)$ existed, then $(a_1,a_2)+(z_1,z_2)=(a_1+z_1,a_2z_2)=(a_1,a_2)$ for all $(a_1,a_2)$ forces $z_1=0$, $z_2=1$, i.e., the zero vector would be $(0,1)$. But an additive inverse $(b_1,b_2)$ of $(1,0)$ would need to satisfy $(1+b_1,0\cdot b_2)=(0,1)$, and $0\cdot b_2=0\neq1$ for any $b_2$. Hence $(1,0)$ has no additive inverse, so the axiom requiring existence of additive inverses fails.

(b) Not a vector space. $(1,0)+(0,1) = (1+2\cdot0, 0+3\cdot1) = (1,3)$, while $(0,1)+(1,0) = (0+2\cdot1, 1+3\cdot0) = (2,1)$, so $(1,0)+(0,1)\neq(0,1)+(1,0)$. Hence addition is not commutative, so this is not a vector space.

(c) Not a vector space. Let $x=(0,1)$ and $c=d=1$. Then $(c+d)x = 2x = (0,1/2)$, while $cx+dx = x+x = (0,1)+(0,1) = (0,2)$, so $(c+d)x\neq cx+dx$. Hence the distributive law for scalar addition fails, so this is not a vector space.

EX 2.3 $\mathbb{C}^n$의 실벡터공간
한국어

문제. $\mathbb{C}$ 위의 통상적인 벡터공간 구조를 갖는 $V = \mathbb{C}^n$을 생각하자. $V$가 $\mathbb{R}$ 위의 벡터공간도 됨을 증명하라.

증명. $V=\mathbb{C}^n$ 위에는 $\mathbb{C}$에서의 통상적인 성분별 덧셈과 스칼라곱이 주어져 있고, 이는 $V$를 $\mathbb{C}$ 위의 벡터공간으로 만든다. $\mathbb{R}$을 $\mathbb{C}$의 부분체로 보고, $V$ 위에 실수 스칼라곱을 $\mathbb{C}$ 위의 스칼라곱을 $\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$로 제한하여 정의한다. 즉 $a\in\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$와 $x\in V$에 대하여 $ax$는 $\mathbb{C}$ 위에서 이미 정의된 스칼라곱과 같은 값을 갖는다.

덧셈에 대한 공리들(교환법칙, 결합법칙, 영벡터 $0=(0,\dots,0)$의 존재, 각 $x$에 대한 역원 $-x$의 존재)은 $V$가 이미 $\mathbb{C}$ 위의 벡터공간이므로 그대로 성립한다. 스칼라곱에 대한 공리들 $a(x+y)=ax+ay$, $(a+b)x=ax+bx$, $a(bx)=(ab)x$, $1x=x$는 $a,b\in\mathbb{C}$인 경우에 이미 성립하므로, 특히 $a,b\in\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$인 경우에도 성립한다. 따라서 $V=\mathbb{C}^n$은 이 스칼라곱에 대하여 $\mathbb{R}$ 위의 벡터공간이다.

$\square$
English

Problem. Consider $V = \mathbb{C}^n$ with the usual vector space structure over $\mathbb{C}$. Show that $V$ is also a vector space over $\mathbb{R}$.

Proof. $V=\mathbb{C}^n$ carries the usual entrywise addition and scalar multiplication over $\mathbb{C}$, which makes it a vector space over $\mathbb{C}$. Regard $\mathbb{R}$ as a subfield of $\mathbb{C}$, and define scalar multiplication of $V$ by real scalars as the restriction of the scalar multiplication over $\mathbb{C}$ to $\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$: for $a\in\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$ and $x\in V$, $ax$ is the same value as given by the already-defined scalar multiplication over $\mathbb{C}$.

The axioms concerning addition (commutativity, associativity, existence of the zero vector $0=(0,\dots,0)$, existence of $-x$ for each $x$) hold as they already hold for $V$ as a vector space over $\mathbb{C}$. The scalar multiplication axioms $a(x+y)=ax+ay$, $(a+b)x=ax+bx$, $a(bx)=(ab)x$, $1x=x$ already hold for all $a,b\in\mathbb{C}$, hence in particular for all $a,b\in\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$. Therefore $V=\mathbb{C}^n$ is a vector space over $\mathbb{R}$ with this scalar multiplication.

$\square$
EX 3 스칼라·벡터 곱이 0인 경우
한국어

문제. $V$를 체 $F$ 위의 벡터공간이라 하고, $a \in F$, $x, y \in V$라 하자.

  1. $ax = 0$이면 $a = 0$ 또는 $x = 0$임을 증명하라.
  2. $ax = ay$이면 $x = y$인가?

증명.

(a) 임의의 스칼라 $a\in F$에 대하여 $a\cdot 0 = a(0+0) = a\cdot0+a\cdot0$이므로, 양변에 $a\cdot0$의 덧셈에 대한 역원을 더하면 $0=a\cdot0$을 얻는다. 즉 모든 $a\in F$에 대하여 $a0=0$이다.

이제 $ax=0$이라 하자. $a=0$이면 증명할 것이 없으므로 $a\neq0$이라 가정하자. 그러면 $F$에서 $a$의 곱셈에 대한 역원 $a^{-1}$이 존재하고,

$$x = 1x = (a^{-1}a)x = a^{-1}(ax) = a^{-1}0 = 0$$

이다. 따라서 $ax=0$이면 $a=0$ 또는 $x=0$이다.

(b) 아니다. $a=0$인 경우 임의의 $x,y\in V$에 대하여 $ax=0=ay$가 항상 성립하지만 $x\neq y$일 수 있다. 예를 들어 $V=F$이고 $x=1$, $y=0$이면 $0\cdot1=0=0\cdot0$이지만 $x\neq y$이다. 따라서 $ax=ay$라고 해서 항상 $x=y$인 것은 아니다. (다만 (a)를 $a(x-y)=ax-ay=0$에 적용하면, $a\neq0$일 때는 $x=y$가 성립한다.)

$\square$
English

Problem. Let $V$ be a vector space over a field $F$ and let $a \in F$, $x, y \in V$.

  1. Show that if $ax = 0$, then $a = 0$ or $x = 0$.
  2. Is it true that if $ax = ay$, then $x = y$?

Proof.

(a) For any scalar $a\in F$, $a0 = a(0+0) = a0+a0$, and adding the additive inverse of $a0$ to both sides gives $0=a0$. That is, $a0=0$ for every $a\in F$.

Now suppose $ax=0$. If $a=0$ there is nothing to prove, so assume $a\neq0$. Then $a$ has a multiplicative inverse $a^{-1}$ in $F$, and

$$x = 1x = (a^{-1}a)x = a^{-1}(ax) = a^{-1}0 = 0.$$

Hence if $ax=0$, then $a=0$ or $x=0$.

(b) No. If $a=0$, then $ax=0=ay$ for all $x,y\in V$, but $x$ need not equal $y$. For example, take $V=F$, $x=1$, $y=0$: then $0\cdot1=0=0\cdot0$ but $x\neq y$. So it is not true in general that $ax=ay$ implies $x=y$. (However, applying (a) to $a(x-y)=ax-ay=0$ shows that when $a\neq0$, $x=y$ does hold.)

$\square$
EX 3.1 곱의 분배법칙 전개
한국어

문제. $V$를 벡터공간이라 하자. $a, b \in F$, $x, y \in V$에 대하여 다음 항등식이 성립함을 증명하라.

$$(a+b)(x+y) = ax + ay + bx + by$$

증명. 스칼라곱에 대한 분배법칙 $(a+b)v=av+bv$, $c(x+y)=cx+cy$와 덧셈의 교환법칙·결합법칙을 사용한다.

$$(a+b)(x+y) = (a+b)x+(a+b)y = (ax+bx)+(ay+by)$$

여기서 첫 번째 등호는 $c(x+y)=cx+cy$를 $c=a+b$에 적용한 것이고, 두 번째 등호는 $(a+b)v=av+bv$를 각각 $v=x$, $v=y$에 적용한 것이다. 이제 덧셈의 교환법칙과 결합법칙을 이용하여 항의 순서를 정리하면

$$(ax+bx)+(ay+by) = ax+ay+bx+by$$

를 얻는다. 따라서 $(a+b)(x+y)=ax+ay+bx+by$이다.

$\square$
English

Problem. Let $V$ be a vector space. For $a, b \in F$, $x, y \in V$, show that the following identity holds.

$$(a+b)(x+y) = ax + ay + bx + by$$

Proof. We use the distributive laws $(a+b)v=av+bv$ and $c(x+y)=cx+cy$, together with commutativity and associativity of vector addition.

$$(a+b)(x+y) = (a+b)x+(a+b)y = (ax+bx)+(ay+by)$$

where the first equality applies $c(x+y)=cx+cy$ with $c=a+b$, and the second applies $(a+b)v=av+bv$ to $v=x$ and $v=y$. Rearranging the terms using commutativity and associativity of addition,

$$(ax+bx)+(ay+by) = ax+ay+bx+by.$$

Hence $(a+b)(x+y)=ax+ay+bx+by$.

$\square$
EX 3.2 $ay+x=0$의 유일해
한국어

문제. $V$를 벡터공간이라 하자. $0 \neq a \in F$와 $x \in V$에 대하여 $ay + x = 0$을 만족하는 $y \in V$가 유일하게 존재함을 증명하라.

증명. (존재성) $a\neq0$이므로 $F$에서 $a^{-1}$이 존재한다. $y:=a^{-1}(-x) = -a^{-1}x$라 정의하면

$$ay+x = a(-a^{-1}x)+x = -(aa^{-1})x+x = -1x+x = -x+x = 0$$

이므로 이 $y$는 $ay+x=0$을 만족한다.

(유일성) $y_1,y_2\in V$가 모두 $ay_1+x=0$, $ay_2+x=0$을 만족한다고 하자. 그러면 $ay_1+x=ay_2+x$이고, 양변에 $-x$를 더하면 $ay_1=ay_2$를 얻는다. 양변에 $a^{-1}$을 곱하면

$$y_1 = 1y_1=(a^{-1}a)y_1=a^{-1}(ay_1)=a^{-1}(ay_2)=(a^{-1}a)y_2=1y_2=y_2$$

이므로 $y_1=y_2$이다. 따라서 $ay+x=0$을 만족하는 $y\in V$는 유일하게 존재한다.

$\square$
English

Problem. Let $V$ be a vector space. For $0 \neq a \in F$ and $x \in V$, show that there is a unique $y \in V$ such that $ay + x = 0$.

Proof. (Existence) Since $a\neq0$, $a^{-1}$ exists in $F$. Let $y:=a^{-1}(-x)=-a^{-1}x$. Then

$$ay+x = a(-a^{-1}x)+x = -(aa^{-1})x+x = -1x+x = -x+x = 0,$$

so this $y$ satisfies $ay+x=0$.

(Uniqueness) Suppose $y_1,y_2\in V$ both satisfy $ay_1+x=0$ and $ay_2+x=0$. Then $ay_1+x=ay_2+x$, and adding $-x$ to both sides gives $ay_1=ay_2$. Multiplying both sides by $a^{-1}$,

$$y_1 = 1y_1=(a^{-1}a)y_1=a^{-1}(ay_1)=a^{-1}(ay_2)=(a^{-1}a)y_2=1y_2=y_2,$$

so $y_1=y_2$. Hence there is a unique $y\in V$ with $ay+x=0$.

$\square$
EX 4 행렬의 전치와 대각합
한국어

문제. $A = \begin{pmatrix} -4 & 2 \\ 5 & -1 \end{pmatrix}$라 하자. 다음을 구하라.

  1. $A^t$
  2. $\operatorname{tr}(A)$

풀이.

(a) $$A^t = \begin{pmatrix} -4 & 5 \\ 2 & -1 \end{pmatrix}$$

(b) $\operatorname{tr}(A) = -4+(-1) = -5$.

English

Problem. Let $A = \begin{pmatrix} -4 & 2 \\ 5 & -1 \end{pmatrix}$. Determine the following.

  1. $A^t$
  2. $\operatorname{tr}(A)$

Solution.

(a) $$A^t = \begin{pmatrix} -4 & 5 \\ 2 & -1 \end{pmatrix}$$

(b) $\operatorname{tr}(A) = -4+(-1) = -5$.

EX 4.1 전치와 대각합의 성질
한국어
  1. $A \in M_{m\times n}(F)$에 대하여 $(A^t)^t = A$임을 증명하라.
  2. $A \in M_{n\times n}(F)$에 대하여 $A + A^t$가 대칭행렬임을 증명하라.
  3. $A, B \in M_{n\times n}(F)$와 $a, b \in F$에 대하여 $\operatorname{tr}(aA + bB) = a\operatorname{tr}(A) + b\operatorname{tr}(B)$임을 증명하라.
  4. $A \in M_{n\times n}(F)$에 대하여 $\operatorname{tr}(A^t) = \operatorname{tr}(A)$임을 증명하라.

증명.

(a) $A\in M_{m\times n}(F)$라 하자. 전치행렬의 정의에 의해 $((A^t)^t)_{ij} = (A^t)_{ji} = A_{ij}$이므로, 모든 $i,j$에 대하여 $((A^t)^t)_{ij}=A_{ij}$이다. 따라서 $(A^t)^t=A$이다.

(b) $A\in M_{n\times n}(F)$라 하자. $B:=A+A^t$라 하면 $B_{ij} = A_{ij}+(A^t)_{ij} = A_{ij}+A_{ji}$이고, $B_{ji} = A_{ji}+A_{ij}$이므로 모든 $i,j$에 대하여 $B_{ij}=B_{ji}$이다. 따라서 $A+A^t$는 대칭행렬이다.

(c) $A,B\in M_{n\times n}(F)$, $a,b\in F$라 하자. 대각합의 정의에 의해

$$\operatorname{tr}(aA+bB) = \sum_{i=1}^n (aA+bB)_{ii} = \sum_{i=1}^n (aA_{ii}+bB_{ii}) = a\sum_{i=1}^n A_{ii} + b\sum_{i=1}^n B_{ii} = a\operatorname{tr}(A)+b\operatorname{tr}(B)$$

이다.

(d) $A\in M_{n\times n}(F)$라 하자. $(A^t)_{ii} = A_{ii}$이므로

$$\operatorname{tr}(A^t) = \sum_{i=1}^n (A^t)_{ii} = \sum_{i=1}^n A_{ii} = \operatorname{tr}(A)$$

이다.

$\square$
English
  1. For $A \in M_{m\times n}(F)$, show that $(A^t)^t = A$.
  2. For $A \in M_{n\times n}(F)$, show that $A + A^t$ is symmetric.
  3. For $A, B \in M_{n\times n}(F)$ and $a, b \in F$, show that $\operatorname{tr}(aA + bB) = a\operatorname{tr}(A) + b\operatorname{tr}(B)$.
  4. For $A \in M_{n\times n}(F)$, show that $\operatorname{tr}(A^t) = \operatorname{tr}(A)$.

Proof.

(a) Let $A\in M_{m\times n}(F)$. By the definition of transpose, $((A^t)^t)_{ij}=(A^t)_{ji}=A_{ij}$ for all $i,j$. Hence $(A^t)^t=A$.

(b) Let $A\in M_{n\times n}(F)$ and $B:=A+A^t$. Then $B_{ij}=A_{ij}+(A^t)_{ij}=A_{ij}+A_{ji}$ and $B_{ji}=A_{ji}+A_{ij}$, so $B_{ij}=B_{ji}$ for all $i,j$. Hence $A+A^t$ is symmetric.

(c) Let $A,B\in M_{n\times n}(F)$ and $a,b\in F$. By the definition of trace,

$$\operatorname{tr}(aA+bB) = \sum_{i=1}^n (aA+bB)_{ii} = \sum_{i=1}^n (aA_{ii}+bB_{ii}) = a\sum_{i=1}^n A_{ii} + b\sum_{i=1}^n B_{ii} = a\operatorname{tr}(A)+b\operatorname{tr}(B).$$

(d) Let $A\in M_{n\times n}(F)$. Since $(A^t)_{ii}=A_{ii}$,

$$\operatorname{tr}(A^t) = \sum_{i=1}^n (A^t)_{ii} = \sum_{i=1}^n A_{ii} = \operatorname{tr}(A).$$

$\square$
EX 5 $\mathbb{R}^3$의 부분공간
한국어

문제. 다음 집합들이 통상적인 벡터공간 구조를 갖는 $\mathbb{R}^3$의 부분공간인지 판정하라.

  1. $W = \{ (a_1, a_2, a_3) \in \mathbb{R}^3 : a_1 = 3a_2, \ a_3 = -a_2 \}$
  2. $W = \{ (a_1, a_2, a_3) \in \mathbb{R}^3 : a_1 + 2a_2 - 3a_3 = 1 \}$
  3. $W = \{ (a_1, a_2, a_3) \in \mathbb{R}^3 : 5a_1^2 - 3a_2^2 + 6a_3^2 = 0 \}$

풀이.

(a) 부분공간이다. $W = \{(3a_2,a_2,-a_2): a_2\in\mathbb{R}\}$이므로 $W=\operatorname{span}\{(3,1,-1)\}$이다. $0=(0,0,0)\in W$ ($a_2=0$)이고, $u=(3s,s,-s)$, $v=(3t,t,-t)\in W$, $c\in\mathbb{R}$에 대하여 $u+v=(3(s+t),s+t,-(s+t))\in W$, $cu=(3(cs),cs,-(cs))\in W$이므로 $W$는 $\mathbb{R}^3$의 부분공간이다.

(b) 부분공간이 아니다. $0=(0,0,0)$은 $0+2\cdot0-3\cdot0=0\neq1$이므로 $0\notin W$이다. 부분공간은 반드시 영벡터를 포함해야 하므로 $W$는 부분공간이 아니다.

(c) 부분공간이 아니다. $u=(\sqrt3,\sqrt5,0)$, $v=(\sqrt3,-\sqrt5,0)$이라 하면 $5(\sqrt3)^2-3(\sqrt5)^2+6\cdot0^2 = 15-15=0$이므로 $u,v\in W$이다. 그러나 $u+v=(2\sqrt3,0,0)$에 대하여 $5(2\sqrt3)^2-3\cdot0^2+6\cdot0^2 = 5\cdot12=60\neq0$이므로 $u+v\notin W$이다. 따라서 $W$는 덧셈에 대해 닫혀 있지 않으므로 부분공간이 아니다.

English

Problem. Determine whether the following sets are subspaces of $\mathbb{R}^3$ with the usual vector space structure.

  1. $W = \{ (a_1, a_2, a_3) \in \mathbb{R}^3 : a_1 = 3a_2, \ a_3 = -a_2 \}$
  2. $W = \{ (a_1, a_2, a_3) \in \mathbb{R}^3 : a_1 + 2a_2 - 3a_3 = 1 \}$
  3. $W = \{ (a_1, a_2, a_3) \in \mathbb{R}^3 : 5a_1^2 - 3a_2^2 + 6a_3^2 = 0 \}$

Solution.

(a) It is a subspace. $W=\{(3a_2,a_2,-a_2):a_2\in\mathbb{R}\}=\operatorname{span}\{(3,1,-1)\}$. We have $0=(0,0,0)\in W$ (take $a_2=0$), and for $u=(3s,s,-s)$, $v=(3t,t,-t)\in W$, $c\in\mathbb{R}$, $u+v=(3(s+t),s+t,-(s+t))\in W$ and $cu=(3(cs),cs,-(cs))\in W$. Hence $W$ is a subspace of $\mathbb{R}^3$.

(b) It is not a subspace. $0=(0,0,0)$ satisfies $0+2\cdot0-3\cdot0=0\neq1$, so $0\notin W$. Since a subspace must contain the zero vector, $W$ is not a subspace.

(c) It is not a subspace. Let $u=(\sqrt3,\sqrt5,0)$ and $v=(\sqrt3,-\sqrt5,0)$. Then $5(\sqrt3)^2-3(\sqrt5)^2+6\cdot0^2=15-15=0$, so $u,v\in W$. But for $u+v=(2\sqrt3,0,0)$, $5(2\sqrt3)^2-3\cdot0^2+6\cdot0^2=5\cdot12=60\neq0$, so $u+v\notin W$. Hence $W$ is not closed under addition and is not a subspace.

EX 5.1 함수·행렬공간의 부분공간
한국어

문제. 다음 집합들이 주어진 벡터공간 $V$의 부분공간인지 판정하라.

  1. $W = \{ f(x) \in P(F) : f(x) = 0 \text{ or } f(x) \text{ has degree } n \}$, $V = P(F)$
  2. $W = \{ A \in M_{m\times n}(F) : A \text{ is upper triangular} \}$, $V = M_{m\times n}(F)$
  3. 공집합이 아닌 집합 $S$와 $s_0 \in S$에 대하여, $W = \{ f \in \mathcal{F}(S, F) : f(s_0) = 0 \}$, $V = \mathcal{F}(S, F)$
  4. 연속인 $n$계 도함수를 갖는 함수 $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 전체의 집합 $C^n(\mathbb{R})$, $V = \mathcal{F}(\mathbb{R}, \mathbb{R})$

풀이.

(a) 부분공간이 아니다 ($n\geq1$인 경우). $f(x)=x^n$과 $g(x)=-x^n+1$은 모두 차수가 $n$이므로 $f,g\in W$이다. 그러나 $(f+g)(x)=1$은 영다항식도 아니고 차수도 $0\neq n$이므로 $f+g\notin W$이다. 따라서 $W$는 덧셈에 대해 닫혀 있지 않으므로 $P(F)$의 부분공간이 아니다.

(b) 부분공간이다. 영행렬은 모든 성분이 $0$이므로 상삼각행렬이고 $O\in W$이다. $A,B\in W$, 즉 $i>j$이면 $A_{ij}=B_{ij}=0$이라 하면, $i>j$일 때 $(A+B)_{ij}=A_{ij}+B_{ij}=0$이므로 $A+B\in W$이고, $c\in F$에 대하여 $(cA)_{ij}=cA_{ij}=0$이므로 $cA\in W$이다. 따라서 $W$는 $M_{m\times n}(F)$의 부분공간이다.

(c) 부분공간이다. 영함수 $0$은 $0(s_0)=0$이므로 $0\in W$이다. $f,g\in W$이면 $(f+g)(s_0)=f(s_0)+g(s_0)=0+0=0$이므로 $f+g\in W$이고, $c\in F$에 대하여 $(cf)(s_0)=cf(s_0)=c\cdot0=0$이므로 $cf\in W$이다. 따라서 $W$는 $\mathcal{F}(S,F)$의 부분공간이다.

(d) 부분공간이다. 영함수는 모든 계수의 도함수가 $0$인 연속함수이므로 $C^n(\mathbb{R})$에 속한다. $f,g\in C^n(\mathbb{R})$이면 $(f+g)^{(n)} = f^{(n)}+g^{(n)}$이 두 연속함수의 합이므로 연속이고, $c\in\mathbb{R}$에 대하여 $(cf)^{(n)} = cf^{(n)}$이 연속함수의 상수배이므로 연속이다. 따라서 $f+g, cf \in C^n(\mathbb{R})$이고, $C^n(\mathbb{R})$은 $\mathcal{F}(\mathbb{R},\mathbb{R})$의 부분공간이다.

English

Problem. Determine whether the following sets are subspaces of the given vector space $V$.

  1. $W = \{ f(x) \in P(F) : f(x) = 0 \text{ or } f(x) \text{ has degree } n \}$, $V = P(F)$
  2. $W = \{ A \in M_{m\times n}(F) : A \text{ is upper triangular} \}$, $V = M_{m\times n}(F)$
  3. For a nonempty set $S$ and $s_0 \in S$, $W = \{ f \in \mathcal{F}(S, F) : f(s_0) = 0 \}$, $V = \mathcal{F}(S, F)$
  4. The set $C^n(\mathbb{R})$ of functions $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ which has a continuous $n$th derivative, $V = \mathcal{F}(\mathbb{R}, \mathbb{R})$

Solution.

(a) It is not a subspace (for $n\geq1$). Both $f(x)=x^n$ and $g(x)=-x^n+1$ have degree $n$, so $f,g\in W$. But $(f+g)(x)=1$ is neither the zero polynomial nor of degree $n$, so $f+g\notin W$. Hence $W$ is not closed under addition and is not a subspace of $P(F)$.

(b) It is a subspace. The zero matrix has all entries $0$, hence is upper triangular, so $O\in W$. If $A,B\in W$, i.e., $A_{ij}=B_{ij}=0$ for $i>j$, then $(A+B)_{ij}=A_{ij}+B_{ij}=0$ for $i>j$, so $A+B\in W$, and $(cA)_{ij}=cA_{ij}=0$ for $i>j$ and $c\in F$, so $cA\in W$. Hence $W$ is a subspace of $M_{m\times n}(F)$.

(c) It is a subspace. The zero function satisfies $0(s_0)=0$, so $0\in W$. If $f,g\in W$, then $(f+g)(s_0)=f(s_0)+g(s_0)=0+0=0$, so $f+g\in W$, and for $c\in F$, $(cf)(s_0)=cf(s_0)=c\cdot0=0$, so $cf\in W$. Hence $W$ is a subspace of $\mathcal{F}(S,F)$.

(d) It is a subspace. The zero function has all derivatives equal to $0$, hence continuous, so it belongs to $C^n(\mathbb{R})$. If $f,g\in C^n(\mathbb{R})$, then $(f+g)^{(n)}=f^{(n)}+g^{(n)}$ is a sum of continuous functions, hence continuous, and for $c\in\mathbb{R}$, $(cf)^{(n)}=cf^{(n)}$ is a constant multiple of a continuous function, hence continuous. Thus $f+g,cf\in C^n(\mathbb{R})$, and $C^n(\mathbb{R})$ is a subspace of $\mathcal{F}(\mathbb{R},\mathbb{R})$.

EX 5.2 짝함수와 홀함수는 부분공간
한국어

문제. $F_1, F_2$를 체라 하자. 짝함수 전체의 집합과 홀함수 전체의 집합이 $\mathcal{F}(F_1, F_2)$의 부분공간임을 증명하라.

증명. $F_1$이 체이므로 모든 $x\in F_1$에 대하여 $-x\in F_1$이고, 짝함수와 홀함수는 각각 $f(-x)=f(x)$, $f(-x)=-f(x)$ (모든 $x\in F_1$)를 만족하는 함수 $f\in\mathcal{F}(F_1,F_2)$로 정의된다. $W_e$를 짝함수 전체의 집합, $W_o$를 홀함수 전체의 집합이라 하자.

영함수 $0$은 모든 $x$에 대하여 $0(-x)=0=0(x)$이고 $0(-x)=0=-0(x)$이므로 $0\in W_e$이고 $0\in W_o$이다.

$f,g\in W_e$, $c\in F_2$라 하면, 모든 $x\in F_1$에 대하여

$$(f+g)(-x) = f(-x)+g(-x) = f(x)+g(x) = (f+g)(x), \quad (cf)(-x)=cf(-x)=cf(x)=(cf)(x)$$

이므로 $f+g\in W_e$, $cf\in W_e$이다. 따라서 $W_e$는 $\mathcal{F}(F_1,F_2)$의 부분공간이다.

$f,g\in W_o$, $c\in F_2$라 하면, 모든 $x\in F_1$에 대하여

$$(f+g)(-x) = f(-x)+g(-x) = -f(x)-g(x) = -(f+g)(x), \quad (cf)(-x)=cf(-x)=-cf(x)=-(cf)(x)$$

이므로 $f+g\in W_o$, $cf\in W_o$이다. 따라서 $W_o$ 역시 $\mathcal{F}(F_1,F_2)$의 부분공간이다.

$\square$
English

Problem. Let $F_1, F_2$ be fields. Show that the set of even functions and the set of odd functions are subspaces of $\mathcal{F}(F_1, F_2)$.

Proof. Since $F_1$ is a field, $-x\in F_1$ for every $x\in F_1$, and an even (resp. odd) function is a function $f\in\mathcal{F}(F_1,F_2)$ satisfying $f(-x)=f(x)$ (resp. $f(-x)=-f(x)$) for all $x\in F_1$. Let $W_e$ denote the set of even functions and $W_o$ the set of odd functions.

The zero function $0$ satisfies $0(-x)=0=0(x)$ and $0(-x)=0=-0(x)$ for all $x$, so $0\in W_e$ and $0\in W_o$.

Let $f,g\in W_e$ and $c\in F_2$. For all $x\in F_1$,

$$(f+g)(-x) = f(-x)+g(-x) = f(x)+g(x) = (f+g)(x), \quad (cf)(-x)=cf(-x)=cf(x)=(cf)(x),$$

so $f+g\in W_e$ and $cf\in W_e$. Hence $W_e$ is a subspace of $\mathcal{F}(F_1,F_2)$.

Let $f,g\in W_o$ and $c\in F_2$. For all $x\in F_1$,

$$(f+g)(-x) = f(-x)+g(-x) = -f(x)-g(x) = -(f+g)(x), \quad (cf)(-x)=cf(-x)=-cf(x)=-(cf)(x),$$

so $f+g\in W_o$ and $cf\in W_o$. Hence $W_o$ is also a subspace of $\mathcal{F}(F_1,F_2)$.

$\square$

심화 문제 · Problems

PR 1 두 원소 집합 위의 함수
한국어

문제. $S = \{0, 1\}$, $F = \mathbb{R}$이라 하자. $\mathcal{F}(S, \mathbb{R})$의 다음 원소들을 생각하자.

$$f(t) = 2t + 1, \ \ g(t) = 1 + 4t - 2t^2, \ \ h(t) = 5^t + 1$$

$f = g$이고 $f + g = h$임을 증명하라.

English

Problem. Let $S = \{0, 1\}$ and $F = \mathbb{R}$. Consider the following elements in $\mathcal{F}(S, \mathbb{R})$.

$$f(t) = 2t + 1, \ \ g(t) = 1 + 4t - 2t^2, \ \ h(t) = 5^t + 1$$

Show that $f = g$ and $f + g = h$.

PR 2 유한체 위 행렬의 개수
한국어

문제. $p$가 소수일 때 $M_{m\times n}(\mathbb{F}_p)$의 원소의 개수를 구하라.

English

Problem. Find the number of elements in $M_{m\times n}(\mathbb{F}_p)$ where $p$ is a prime number.

PR 3 양의 실수의 벡터공간 구조
한국어

문제. $V$를 양의 실수 전체의 집합이라 하자. $x, y \in V$와 $c \in \mathbb{R}$에 대하여 $x + y := xy$, $cx := x^c$로 정의하되, 우변은 $\mathbb{R}$에서의 통상적인 연산으로 주어진다. $V$가 $\mathbb{R}$ 위의 벡터공간임을 증명하라.

English

Problem. Let $V$ be the set of positive real numbers. For $x, y \in V$ and $c \in \mathbb{R}$, define $x + y := xy$ and $cx := x^c$ where the right hand sides are given by the usual operations in $\mathbb{R}$. Show that $V$ is a vector space over $\mathbb{R}$.

PR 4 두 부분공간의 합집합
한국어

문제. $V$를 벡터공간이라 하고 $W_1, W_2$를 $V$의 두 부분공간이라 하자. $W_1 \cup W_2$가 $V$의 부분공간일 필요충분조건은 $W_1 \subset W_2$ 또는 $W_2 \subset W_1$임을 증명하라.

English

Problem. Let $V$ be a vector space and $W_1, W_2$ be two subspaces of $V$. Show that $W_1 \cup W_2$ is a subspace of $V$ if and only if $W_1 \subset W_2$ or $W_2 \subset W_1$.

PR 5 부분공간의 합과 몫공간
한국어

문제. $V$를 벡터공간이라 하자. $V$의 공집합이 아닌 부분집합 $S_1, S_2$에 대하여 이들의 (sum)을 $S_1 + S_2 = \{ x_1 + x_2 : x_1 \in S_1, \ x_2 \in S_2 \}$로 정의한다.

  1. $W_1, W_2$를 $V$의 부분공간이라 하자. $W_1 + W_2$가 $W_1$과 $W_2$를 모두 포함하는 $V$의 부분공간임을 증명하라. 나아가 $V$의 부분공간 $W$가 $W_1$과 $W_2$를 모두 포함하면, $W$가 $W_1 + W_2$를 포함함을 증명하라.
  2. $W$를 $V$의 부분공간이라 하자. $v \in V$에 대하여 $v + W := \{v\} + W$를 $v$를 포함하는 $W$의 잉여류(coset)라 한다. 집합 $S = \{ v + W : v \in V \}$를 생각하고 다음과 같이 덧셈과 스칼라곱을 정의하자. (여기서 $v_1, v_2 \in W$, $a \in F$이다.)

    $$(v_1 + W) + (v_2 + W) = (v_1 + v_2) + W, \quad a(v + W) = av + W$$

    이 연산이 잘 정의되어 있음을 보이고, 이 연산에 대하여 $S$가 벡터공간이 됨을 증명하라. 이 벡터공간을 $W$에 대한 $V$의 몫공간(quotient space)이라 하고 $V/W$로 나타낸다.
English

Problem. Let $V$ be a vector space. For nonempty subsets $S_1, S_2$ of $V$, we define their sum by $S_1 + S_2 = \{ x_1 + x_2 : x_1 \in S_1, \ x_2 \in S_2 \}$.

  1. Let $W_1, W_2$ be subspaces of $V$. Show that $W_1 + W_2$ is a subspace of $V$ that contains both $W_1$ and $W_2$. Furthermore, show that if a subspace $W$ of $V$ contains both $W_1$ and $W_2$, then $W$ contains $W_1 + W_2$.
  2. Let $W$ be a subspace of $V$. For $v \in V$, $v + W := \{v\} + W$ is called the coset of $W$ containing $v$. Consider the set $S = \{ v + W : v \in V \}$ and define the addition and scalar multiplication as follows. (Here, $v_1, v_2 \in W$ and $a \in F$.)

    $$(v_1 + W) + (v_2 + W) = (v_1 + v_2) + W, \quad a(v + W) = av + W$$

    Show that the operations are well-defined and $S$ becomes a vector space with respect to the operations. The vector space is called the quotient space $V$ modulo $W$ and denoted by $V/W$.
PR 6 직합 분해
한국어

문제. 벡터공간 $V$의 부분공간 $W_1, W_2$가 $W_1 \cap W_2 = 0$이고 $W_1 + W_2 = V$를 만족하면, $V$를 $W_1$과 $W_2$의 직합(direct sum)이라 한다. 이 경우 $V = W_1 \oplus W_2$로 나타낸다.

  1. $M_{m\times n}(F)$의 다음 부분집합을 생각하자.

    $$W_1 = \{ A \in M_{m\times n}(F) : A_{ij} = 0 \text{ for all } i > j \}$$

    $$W_2 = \{ A \in M_{m\times n}(F) : A_{ij} = 0 \text{ for all } i \leq j \}$$

    $M_{m\times n}(F) = W_1 \oplus W_2$임을 증명하라.
  2. 행렬 $A$가 $A^t = -A$를 만족하면 $A$를 반대칭행렬(skew symmetric)이라 한다. $W_1$을 $\mathbb{R}$ 위의 $n \times n$ 반대칭행렬 전체의 집합, $W_2$를 $\mathbb{R}$ 위의 $n \times n$ 대칭행렬 전체의 집합이라 하자. $M_{n\times n}(F) = W_1 \oplus W_2$임을 증명하라.
  3. $W_1, W_2$를 벡터공간 $V$의 부분공간이라 하자. $V = W_1 \oplus W_2$일 필요충분조건은 각 $v \in V$가 $x_1 \in W_1$, $x_2 \in W_2$인 $x_1 + x_2$의 꼴로 유일하게 표현되는 것임을 증명하라.
English

Problem. A vector space $V$ is called the direct sum of $W_1$ and $W_2$ if $W_1, W_2$ are subspaces of $V$ such that $W_1 \cap W_2 = 0$ and $W_1 + W_2 = V$. In this case, we write $V = W_1 \oplus W_2$.

  1. Consider the following subsets of $M_{m\times n}(F)$.

    $$W_1 = \{ A \in M_{m\times n}(F) : A_{ij} = 0 \text{ for all } i > j \}$$

    $$W_2 = \{ A \in M_{m\times n}(F) : A_{ij} = 0 \text{ for all } i \leq j \}$$

    Show that $M_{m\times n}(F) = W_1 \oplus W_2$.
  2. A matrix $A$ is called skew symmetric if $A^t = -A$. Let $W_1$ be the set of $n \times n$ skew-symmetric matrices over $\mathbb{R}$ and let $W_2$ be the set of $n \times n$ symmetric matrices over $\mathbb{R}$. Show that $M_{n\times n}(F) = W_1 \oplus W_2$.
  3. Let $W_1, W_2$ be subspaces of a vector space $V$. Show that $V = W_1 \oplus W_2$ if and only if each $v \in V$ can be uniquely written as $x_1 + x_2$ where $x_1 \in W_1$ and $x_2 \in W_2$.