예제 · Exercises
문제. 벡터공간 $V$에서 첫 번째 벡터가 나머지 두 벡터의 일차결합으로 나타낼 수 있는지 판정하라.
- $V = \mathbb{R}^3$일 때 $(-2, 0, 3)$, $(1, 3, 0)$, $(2, 4, -1)$
- $V = P_3(\mathbb{R})$일 때 $x^3 - 3x + 5$, $x^3 + 2x^2 - x + 1$, $x^3 + 3x^2 - 1$
풀이. (a) $(-2,0,3) = a(1,3,0) + b(2,4,-1)$이 되는 스칼라 $a, b$가 존재하는지 확인한다. 이는 다음 연립방정식과 동치이다.
$$a + 2b = -2, \quad 3a + 4b = 0, \quad -b = 3.$$세 번째 식에서 $b = -3$이고, 첫 번째 식에 대입하면 $a = -2 - 2(-3) = 4$이다. 이 값을 두 번째 식에 대입하면 $3(4) + 4(-3) = 12 - 12 = 0$으로 성립한다. 따라서 $a=4, b=-3$은 연립방정식의 해이며,
$$(-2,0,3) = 4(1,3,0) - 3(2,4,-1)$$이 성립한다. 즉 $(-2,0,3)$은 나머지 두 벡터의 일차결합으로 나타낼 수 있다.
(b) $x^3-3x+5 = a(x^3+2x^2-x+1) + b(x^3+3x^2-1)$이 되는 스칼라 $a,b$를 구하자. 각 차수의 계수를 비교하면 다음을 얻는다.
$$a+b=1, \quad 2a+3b=0, \quad -a=-3, \quad a-b=5.$$세 번째 식에서 $a=3$이고, 첫 번째 식에서 $b=1-3=-2$이다. 이를 두 번째, 네 번째 식에 대입하면 $2(3)+3(-2)=0$, $3-(-2)=5$로 모두 성립한다. 따라서
$$x^3-3x+5 = 3(x^3+2x^2-x+1) - 2(x^3+3x^2-1)$$이므로 $x^3-3x+5$ 역시 나머지 두 다항식의 일차결합으로 나타낼 수 있다.
Problem. Determine whether the first vector in a vector space $V$ can be expressed as a linear combination of the other two.
- $(-2, 0, 3)$, $(1, 3, 0)$, $(2, 4, -1)$ where $V = \mathbb{R}^3$
- $x^3 - 3x + 5$, $x^3 + 2x^2 - x + 1$, $x^3 + 3x^2 - 1$ where $V = P_3(\mathbb{R})$
Solution. (a) We seek scalars $a, b$ with $(-2,0,3) = a(1,3,0) + b(2,4,-1)$, equivalently
$$a + 2b = -2, \quad 3a + 4b = 0, \quad -b = 3.$$The third equation gives $b=-3$; substituting into the first gives $a = -2-2(-3) = 4$. Checking the second equation, $3(4)+4(-3) = 12-12=0$, so it is satisfied. Hence $a=4, b=-3$ solve the system, and
$$(-2,0,3) = 4(1,3,0) - 3(2,4,-1),$$so $(-2,0,3)$ can be written as a linear combination of the other two vectors.
(b) We seek scalars $a, b$ with $x^3-3x+5 = a(x^3+2x^2-x+1) + b(x^3+3x^2-1)$. Comparing coefficients of each power gives
$$a+b=1, \quad 2a+3b=0, \quad -a=-3, \quad a-b=5.$$From the third equation $a=3$, and the first gives $b=1-3=-2$. Substituting into the second and fourth equations, $2(3)+3(-2)=0$ and $3-(-2)=5$, both hold. Hence
$$x^3-3x+5 = 3(x^3+2x^2-x+1) - 2(x^3+3x^2-1),$$so $x^3-3x+5$ is also a linear combination of the other two polynomials.
문제. 벡터공간 $V$에서 첫 번째 벡터가 나머지 벡터들의 일차결합으로 나타낼 수 있는지 판정하라.
- $V = M_{2\times 2}(\mathbb{R})$일 때 $\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -3 & 4 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}$
- $V = \mathcal{F}(S, \mathbb{R})$, $S = \{0, 1\}$일 때 $f(t) = t^3 + t$, $g(t) = t + 1$, $h(t) = t^2 - 1$
풀이. (a) $\begin{pmatrix}1&2\\-3&4\end{pmatrix} = a\begin{pmatrix}1&0\\-1&0\end{pmatrix} + b\begin{pmatrix}0&1\\0&1\end{pmatrix} + c\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix}$이 되는 스칼라 $a,b,c$를 구하자. 각 성분을 비교하면
$$a+c=1,\quad b+c=2,\quad -a=-3,\quad b=4.$$세 번째 식에서 $a=3$, 네 번째 식에서 $b=4$이고, 첫 번째 식에서 $c=1-3=-2$이다. 이를 두 번째 식에 대입하면 $b+c = 4-2=2$로 성립한다. 따라서
$$\begin{pmatrix}1&2\\-3&4\end{pmatrix} = 3\begin{pmatrix}1&0\\-1&0\end{pmatrix} + 4\begin{pmatrix}0&1\\0&1\end{pmatrix} - 2\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix}$$이므로 첫 번째 행렬은 나머지 세 행렬의 일차결합으로 나타낼 수 있다.
(b) $S=\{0,1\}$이므로 $\mathcal{F}(S,\mathbb{R})$의 각 함수는 $(f(0), f(1)) \in \mathbb{R}^2$로 완전히 결정된다. 계산하면
$$f = (f(0), f(1)) = (0, 2), \quad g = (g(0), g(1)) = (1, 2), \quad h = (h(0), h(1)) = (-1, 0).$$$f = ag + bh$가 되는 $a, b$를 구하면
$$a - b = 0, \quad 2a = 2$$이므로 $a=1$, $b=1$이다. 실제로 $g+h = (1,2)+(-1,0) = (0,2) = f$이므로
$$f = g + h$$가 성립하고, $f$는 $g, h$의 일차결합으로 나타낼 수 있다.
Problem. Determine whether the first vector in a vector space $V$ can be expressed as a linear combination of the other vectors.
- $\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -3 & 4 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}$ where $V = M_{2\times 2}(\mathbb{R})$
- $f(t) = t^3 + t$, $g(t) = t + 1$, $h(t) = t^2 - 1$ where $V = \mathcal{F}(S, \mathbb{R})$, $S = \{0, 1\}$
Solution. (a) We seek scalars $a,b,c$ with $\begin{pmatrix}1&2\\-3&4\end{pmatrix} = a\begin{pmatrix}1&0\\-1&0\end{pmatrix} + b\begin{pmatrix}0&1\\0&1\end{pmatrix} + c\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix}$. Comparing entries gives
$$a+c=1,\quad b+c=2,\quad -a=-3,\quad b=4.$$The third equation gives $a=3$, the fourth gives $b=4$, and the first gives $c=1-3=-2$. Substituting into the second equation, $b+c=4-2=2$, which holds. Hence
$$\begin{pmatrix}1&2\\-3&4\end{pmatrix} = 3\begin{pmatrix}1&0\\-1&0\end{pmatrix} + 4\begin{pmatrix}0&1\\0&1\end{pmatrix} - 2\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix},$$so the first matrix is a linear combination of the other three.
(b) Since $S=\{0,1\}$, every function in $\mathcal{F}(S,\mathbb{R})$ is completely determined by the pair $(f(0), f(1)) \in \mathbb{R}^2$. Computing,
$$f = (f(0), f(1)) = (0, 2), \quad g = (g(0), g(1)) = (1, 2), \quad h = (h(0), h(1)) = (-1, 0).$$Seeking $a, b$ with $f = ag + bh$ gives
$$a - b = 0, \quad 2a = 2,$$so $a=1$ and $b=1$. Indeed $g+h = (1,2)+(-1,0) = (0,2) = f$, so
$$f = g + h,$$and $f$ is a linear combination of $g$ and $h$.
- $e_i$를 $F^n$에서 $i$번째 좌표가 1이고 나머지 좌표는 0인 벡터라 하자. $\{e_1, \cdots, e_n\}$이 $F^n$을 생성함을 증명하라.
- $P_n(F)$가 $\{1, x, \cdots, x^n\}$에 의해 생성됨을 증명하라.
증명. (a) 임의의 $(a_1, \cdots, a_n) \in F^n$에 대하여, $e_i$의 정의에 의해
$$a_1 e_1 + \cdots + a_n e_n = (a_1, \cdots, a_n)$$이다. 즉 $F^n$의 임의의 벡터가 $e_1, \cdots, e_n$의 일차결합으로 나타나므로 $F^n \subset \operatorname{span}(\{e_1, \cdots, e_n\})$이다. 또한 $\operatorname{span}(\{e_1, \cdots, e_n\}) \subset F^n$은 자명하므로 $\operatorname{span}(\{e_1, \cdots, e_n\}) = F^n$, 즉 $\{e_1, \cdots, e_n\}$은 $F^n$을 생성한다.
(b) 임의의 $p(x) \in P_n(F)$는 $\deg p(x) \leq n$이므로
$$p(x) = a_0 + a_1 x + \cdots + a_n x^n \quad (a_0, \cdots, a_n \in F)$$의 꼴로 유일하게 나타난다. 이는 $p(x)$가 $\{1, x, \cdots, x^n\}$의 일차결합임을 뜻하므로 $P_n(F) \subset \operatorname{span}(\{1, x, \cdots, x^n\})$이다. 반대의 포함관계는 자명하므로 $P_n(F) = \operatorname{span}(\{1, x, \cdots, x^n\})$, 즉 $P_n(F)$는 $\{1, x, \cdots, x^n\}$에 의해 생성된다.
- Let $e_i$ be the vector in $F^n$ whose $i$th coordinate is 1 and whose other coordinates are 0. Show that $\{e_1, \cdots, e_n\}$ generates $F^n$.
- Show that $P_n(F)$ is generated by $\{1, x, \cdots, x^n\}$.
Proof. (a) For any $(a_1, \cdots, a_n) \in F^n$, the definition of $e_i$ gives
$$a_1 e_1 + \cdots + a_n e_n = (a_1, \cdots, a_n).$$Thus every vector in $F^n$ is a linear combination of $e_1, \cdots, e_n$, so $F^n \subset \operatorname{span}(\{e_1, \cdots, e_n\})$. The reverse inclusion $\operatorname{span}(\{e_1, \cdots, e_n\}) \subset F^n$ is immediate, so $\operatorname{span}(\{e_1, \cdots, e_n\}) = F^n$; that is, $\{e_1, \cdots, e_n\}$ generates $F^n$.
(b) Any $p(x) \in P_n(F)$ has $\deg p(x) \leq n$, so it can be written uniquely as
$$p(x) = a_0 + a_1 x + \cdots + a_n x^n \quad (a_0, \cdots, a_n \in F).$$This shows $p(x)$ is a linear combination of $\{1, x, \cdots, x^n\}$, so $P_n(F) \subset \operatorname{span}(\{1, x, \cdots, x^n\})$. The reverse inclusion is immediate, so $P_n(F) = \operatorname{span}(\{1, x, \cdots, x^n\})$; that is, $P_n(F)$ is generated by $\{1, x, \cdots, x^n\}$.
문제. 다음 행렬들을 생각하자.
$$M_1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \quad M_2 = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad M_3 = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$$
$\{M_1, M_2, M_3\}$의 생성공간이 모든 대칭 $2 \times 2$ 행렬의 집합임을 증명하라.
증명. $W$를 모든 대칭 $2\times 2$ 행렬의 집합이라 하자. $\begin{pmatrix} a & b \\ b & d \end{pmatrix} \in W$가 임의로 주어졌을 때
$$a M_1 + d M_2 + b M_3 = a\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix} + d\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix} + b\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a & b \\ b & d \end{pmatrix}$$이므로 $W \subset \operatorname{span}(\{M_1, M_2, M_3\})$이다. 역으로 $\operatorname{span}(\{M_1,M_2,M_3\})$의 임의의 원소는 $xM_1+yM_2+zM_3 = \begin{pmatrix} x & z \\ z & y \end{pmatrix}$ ($x,y,z \in \mathbb{R}$)의 꼴이며, 이는 항상 대칭행렬이므로 $\operatorname{span}(\{M_1,M_2,M_3\}) \subset W$이다. 두 포함관계로부터 $\operatorname{span}(\{M_1,M_2,M_3\}) = W$이다.
Problem. Consider the following matrices.
$$M_1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \quad M_2 = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad M_3 = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$$
Show that the span of $\{M_1, M_2, M_3\}$ is the set of all symmetric $2 \times 2$ matrices.
Proof. Let $W$ denote the set of all symmetric $2\times 2$ matrices. Given any $\begin{pmatrix} a & b \\ b & d \end{pmatrix} \in W$,
$$a M_1 + d M_2 + b M_3 = a\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix} + d\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix} + b\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a & b \\ b & d \end{pmatrix},$$so $W \subset \operatorname{span}(\{M_1, M_2, M_3\})$. Conversely, any element of $\operatorname{span}(\{M_1,M_2,M_3\})$ has the form $xM_1+yM_2+zM_3 = \begin{pmatrix} x & z \\ z & y \end{pmatrix}$ for some $x,y,z \in \mathbb{R}$, which is always symmetric, so $\operatorname{span}(\{M_1,M_2,M_3\}) \subset W$. Combining both inclusions, $\operatorname{span}(\{M_1,M_2,M_3\}) = W$.
문제. $V$를 $F$ 위의 벡터공간이라 하자.
- $x \in V$에 대하여 $\operatorname{span}(\{x\})$를 구체적으로 구하라.
- $x_1, \cdots, x_n \in V$에 대하여 $\operatorname{span}(\{x_1, \cdots, x_n\})$를 구체적으로 구하라.
풀이. (a) $\operatorname{span}(\{x\}) = Fx = \{ax : a \in F\}$이다. 실제로 $Fx$는 $0 = 0x \in Fx$이고, $ax + bx = (a+b)x \in Fx$, $c(ax) = (ca)x \in Fx$이므로 $V$의 부분공간이며 $x = 1x \in Fx$를 만족한다. 한편 $x$를 포함하는 임의의 부분공간 $W$는 스칼라곱에 닫혀 있으므로 모든 $a \in F$에 대해 $ax \in W$, 즉 $Fx \subset W$이다. 따라서 $Fx$는 $x$를 포함하는 가장 작은 부분공간이므로 $\operatorname{span}(\{x\}) = Fx$이다.
(b) $\operatorname{span}(\{x_1, \cdots, x_n\}) = \{a_1x_1 + \cdots + a_nx_n : a_1, \cdots, a_n \in F\}$이다. 이 집합을 $U$라 하면, $U$는 $0 = 0x_1+\cdots+0x_n \in U$이고 두 원소의 합과 스칼라배가 다시 같은 꼴이 되므로 $V$의 부분공간이며 각 $x_i = 0x_1+\cdots+1x_i+\cdots+0x_n \in U$이다. 한편 $x_1, \cdots, x_n$을 모두 포함하는 임의의 부분공간은 합과 스칼라곱에 닫혀 있으므로 이들의 모든 일차결합을 포함해야 하며, 즉 $U$를 포함한다. 따라서 $U$는 $x_1, \cdots, x_n$을 포함하는 가장 작은 부분공간이므로 $\operatorname{span}(\{x_1, \cdots, x_n\}) = U$이다.
Problem. Let $V$ be a vector space over $F$.
- For $x \in V$, find $\operatorname{span}(\{x\})$ explicitly.
- For $x_1, \cdots, x_n \in V$, find $\operatorname{span}(\{x_1, \cdots, x_n\})$ explicitly.
Solution. (a) $\operatorname{span}(\{x\}) = Fx = \{ax : a \in F\}$. Indeed $Fx$ contains $0 = 0x$, is closed under addition ($ax+bx=(a+b)x$) and scalar multiplication ($c(ax)=(ca)x$), so it is a subspace of $V$, and it contains $x = 1x$. Moreover, any subspace $W$ containing $x$ is closed under scalar multiplication, so $ax \in W$ for every $a \in F$, i.e., $Fx \subset W$. Hence $Fx$ is the smallest subspace containing $x$, so $\operatorname{span}(\{x\}) = Fx$.
(b) $\operatorname{span}(\{x_1, \cdots, x_n\}) = \{a_1x_1 + \cdots + a_nx_n : a_1, \cdots, a_n \in F\}$. Denote this set by $U$. Then $U$ contains $0 = 0x_1+\cdots+0x_n$, is closed under addition and scalar multiplication (sums and scalar multiples of elements of $U$ again have this form), so $U$ is a subspace of $V$, and each $x_i = 0x_1+\cdots+1x_i+\cdots+0x_n \in U$. On the other hand, any subspace containing $x_1, \cdots, x_n$ is closed under addition and scalar multiplication, so it must contain every linear combination of them, i.e., it contains $U$. Hence $U$ is the smallest subspace containing $x_1, \cdots, x_n$, so $\operatorname{span}(\{x_1, \cdots, x_n\}) = U$.
문제. $S$를 벡터공간 $V$의 부분집합이라 하자. $\operatorname{span}(S)$가 $S$를 포함하는 $V$의 모든 부분공간의 교집합임을 증명하라.
증명. $W$를 $S$를 포함하는 $V$의 모든 부분공간들의 교집합이라 하자, 즉 $W = \bigcap \{U : U \text{는 } V\text{의 부분공간이고 } S \subset U\}$. $\operatorname{span}(S) = W$임을 양방향 포함관계로 보이자.
($\operatorname{span}(S) \subset W$) $S$를 포함하는 임의의 부분공간 $U$를 생각하자. $U$는 합과 스칼라곱에 닫혀 있으므로 $S$의 원소들의 임의의 일차결합 역시 $U$에 속한다. 즉 $\operatorname{span}(S) \subset U$이다. 이는 교집합에 참여하는 모든 $U$에 대해 성립하므로 $\operatorname{span}(S) \subset W$이다.
($W \subset \operatorname{span}(S)$) $\operatorname{span}(S)$ 자신이 $S$를 포함하는 $V$의 부분공간이므로(합과 스칼라곱에 닫혀 있고 $0 \in \operatorname{span}(S)$, $S \subset \operatorname{span}(S)$), $\operatorname{span}(S)$는 교집합의 대상이 되는 부분공간 중 하나이다. 따라서 $W$는 $\operatorname{span}(S)$를 포함한 모든 그러한 부분공간의 교집합이므로 $W \subset \operatorname{span}(S)$이다.
두 포함관계를 종합하면 $\operatorname{span}(S) = W$이다.
Problem. Let $S$ be a subset of a vector space $V$. Show that $\operatorname{span}(S)$ is the intersection of all subspaces of $V$ containing $S$.
Proof. Let $W = \bigcap \{U : U \text{ is a subspace of } V \text{ with } S \subset U\}$, the intersection of all subspaces of $V$ containing $S$. We show $\operatorname{span}(S) = W$ by proving both inclusions.
($\operatorname{span}(S) \subset W$) Let $U$ be any subspace of $V$ containing $S$. Since $U$ is closed under addition and scalar multiplication, every linear combination of elements of $S$ also lies in $U$, so $\operatorname{span}(S) \subset U$. As this holds for every subspace $U$ in the intersection, $\operatorname{span}(S) \subset W$.
($W \subset \operatorname{span}(S)$) The set $\operatorname{span}(S)$ is itself a subspace of $V$ containing $S$ (it is closed under addition and scalar multiplication, contains $0 \in \operatorname{span}(S)$, and $S \subset \operatorname{span}(S)$), so it is one of the subspaces $U$ over which the intersection is taken. Hence $W$, being the intersection of $\operatorname{span}(S)$ together with the other such subspaces, satisfies $W \subset \operatorname{span}(S)$.
Combining both inclusions, $\operatorname{span}(S) = W$.
문제. $W$를 벡터공간 $V$의 부분집합이라 하자. $W$가 $V$의 부분공간인 것과 $\operatorname{span}(W) = W$인 것이 동치임을 증명하라.
증명. ($\Rightarrow$) $W$가 $V$의 부분공간이라 하자. $W \subset \operatorname{span}(W)$는 각 $w \in W$가 $w = 1w$로 자기 자신의 일차결합이므로 성립한다. 역으로 $W$는 합과 스칼라곱에 닫혀 있으므로 $W$의 원소들의 임의의 일차결합은 다시 $W$에 속하며, 이는 $\operatorname{span}(W) \subset W$를 의미한다. 두 포함관계로부터 $\operatorname{span}(W) = W$이다.
($\Leftarrow$) $\operatorname{span}(W) = W$라 하자. $\operatorname{span}(W)$는 (EX 2.2, EX 3에서 보였듯이) 항상 $V$의 부분공간이므로, $W = \operatorname{span}(W)$ 역시 $V$의 부분공간이다.
Problem. Let $W$ be a subset of a vector space $V$. Show that $W$ is a subspace of $V$ if and only if $\operatorname{span}(W) = W$.
Proof. ($\Rightarrow$) Suppose $W$ is a subspace of $V$. Since each $w \in W$ is the linear combination $w = 1w$ of itself, $W \subset \operatorname{span}(W)$. Conversely, since $W$ is closed under addition and scalar multiplication, every linear combination of elements of $W$ again lies in $W$, so $\operatorname{span}(W) \subset W$. Combining both inclusions, $\operatorname{span}(W) = W$.
($\Leftarrow$) Suppose $\operatorname{span}(W) = W$. Since $\operatorname{span}(W)$ is always a subspace of $V$ (as shown in EX 2.2 and EX 3), $W = \operatorname{span}(W)$ is also a subspace of $V$.
문제. $S_1, S_2$를 벡터공간 $V$의 부분집합이라 하자. 다음을 증명하라.
- $S_1 \subset S_2$이면 $\operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$이다.
- $S_1 \subset S_2$이고 $\operatorname{span}(S_1) = V$이면 $\operatorname{span}(S_2) = V$이다.
증명. (a) $S_1 \subset S_2$라 하자. $S_1$의 원소들의 임의의 일차결합은 $S_1 \subset S_2$이므로 동시에 $S_2$의 원소들의 일차결합이기도 하다. 따라서 $\operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$이다.
(b) $S_1 \subset S_2$이고 $\operatorname{span}(S_1) = V$라 하자. (a)에 의해 $\operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$이므로 $V = \operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$이다. 또한 $\operatorname{span}(S_2)$는 $V$의 부분공간이므로 $\operatorname{span}(S_2) \subset V$이다. 두 포함관계로부터 $\operatorname{span}(S_2) = V$이다.
Problem. Let $S_1, S_2$ be subsets of a vector space $V$. Show the following statements.
- If $S_1 \subset S_2$, then $\operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$.
- If $S_1 \subset S_2$ and $\operatorname{span}(S_1) = V$, then $\operatorname{span}(S_2) = V$.
Proof. (a) Suppose $S_1 \subset S_2$. Any linear combination of elements of $S_1$ is also a linear combination of elements of $S_2$, since $S_1 \subset S_2$. Hence $\operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$.
(b) Suppose $S_1 \subset S_2$ and $\operatorname{span}(S_1) = V$. By part (a), $\operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$, so $V = \operatorname{span}(S_1) \subset \operatorname{span}(S_2)$. Also $\operatorname{span}(S_2)$ is a subspace of $V$, so $\operatorname{span}(S_2) \subset V$. Combining both inclusions, $\operatorname{span}(S_2) = V$.
문제. 다음 집합들이 일차종속인지 일차독립인지 판정하라.
- $\mathbb{R}^3$에서 $\{(1, -1, 2), (1, -2, 1), (1, 1, 4)\}$
- $P_3(\mathbb{R})$에서 $\{x^3 + 2x^2, -x^2 + 3x + 1, x^3 - x^2 + 2x - 1\}$
풀이. (a) $c_1(1,-1,2) + c_2(1,-2,1) + c_3(1,1,4) = 0$이 되는 스칼라 $c_1,c_2,c_3$을 구하자. 성분별로 비교하면
$$c_1+c_2+c_3=0, \quad -c_1-2c_2+c_3=0, \quad 2c_1+c_2+4c_3=0.$$첫 번째 식에서 $c_1 = -c_2-c_3$이다. 이를 두 번째 식에 대입하면 $(c_2+c_3) - 2c_2 + c_3 = -c_2+2c_3=0$, 즉 $c_2=2c_3$이고, 따라서 $c_1 = -2c_3-c_3=-3c_3$이다. 세 번째 식에 대입하면 $2(-3c_3)+2c_3+4c_3 = 0$으로 $c_3$의 값에 관계없이 항상 성립한다. 즉 $c_3=1$을 택하면 $c_1=-3, c_2=2, c_3=1$은 자명하지 않은 해이며,
$$-3(1,-1,2) + 2(1,-2,1) + (1,1,4) = (0,0,0)$$이 성립한다. 따라서 이 집합은 일차종속이다.
(b) $c_1(x^3+2x^2) + c_2(-x^2+3x+1) + c_3(x^3-x^2+2x-1) = 0$이 되는 스칼라를 구하자. 각 차수의 계수를 비교하면
$$c_1+c_3=0, \quad 2c_1-c_2-c_3=0, \quad 3c_2+2c_3=0, \quad c_2-c_3=0.$$네 번째 식에서 $c_2=c_3$이고, 이를 세 번째 식에 대입하면 $3c_3+2c_3=5c_3=0$이므로 $c_3=0$, 따라서 $c_2=0$이다. 첫 번째 식에서 $c_1=-c_3=0$이며, 두 번째 식 $2(0)-0-0=0$도 성립한다. 즉 유일한 해는 $c_1=c_2=c_3=0$뿐이므로 이 집합은 일차독립이다.
Problem. Determine whether the following sets are linearly dependent or linearly independent.
- $\{(1, -1, 2), (1, -2, 1), (1, 1, 4)\}$ in $\mathbb{R}^3$
- $\{x^3 + 2x^2, -x^2 + 3x + 1, x^3 - x^2 + 2x - 1\}$ in $P_3(\mathbb{R})$
Solution. (a) We seek scalars $c_1,c_2,c_3$ with $c_1(1,-1,2) + c_2(1,-2,1) + c_3(1,1,4) = 0$. Comparing components gives
$$c_1+c_2+c_3=0, \quad -c_1-2c_2+c_3=0, \quad 2c_1+c_2+4c_3=0.$$The first equation gives $c_1 = -c_2-c_3$. Substituting into the second, $(c_2+c_3) - 2c_2 + c_3 = -c_2+2c_3=0$, so $c_2=2c_3$, and hence $c_1 = -2c_3-c_3=-3c_3$. Substituting into the third, $2(-3c_3)+2c_3+4c_3 = 0$ holds for every value of $c_3$. Taking $c_3=1$ gives the nontrivial solution $c_1=-3, c_2=2, c_3=1$, and
$$-3(1,-1,2) + 2(1,-2,1) + (1,1,4) = (0,0,0).$$Hence this set is linearly dependent.
(b) We seek scalars with $c_1(x^3+2x^2) + c_2(-x^2+3x+1) + c_3(x^3-x^2+2x-1) = 0$. Comparing coefficients of each power gives
$$c_1+c_3=0, \quad 2c_1-c_2-c_3=0, \quad 3c_2+2c_3=0, \quad c_2-c_3=0.$$The fourth equation gives $c_2=c_3$; substituting into the third, $3c_3+2c_3=5c_3=0$, so $c_3=0$, hence $c_2=0$. The first equation gives $c_1=-c_3=0$, and the second, $2(0)-0-0=0$, also holds. Thus the only solution is $c_1=c_2=c_3=0$, so this set is linearly independent.
문제. 다음 집합들이 일차종속인지 일차독립인지 판정하라.
- $M_{2\times 2}(\mathbb{R})$에서 $\left\{ \begin{pmatrix} 1 & -3 \\ -2 & 4 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} -2 & 6 \\ 4 & -8 \end{pmatrix} \right\}$
- $M_{3\times 2}(\mathbb{R})$에서 $\left\{ \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \right\}$
풀이. (a) $\begin{pmatrix}-2&6\\4&-8\end{pmatrix} = -2\begin{pmatrix}1&-3\\-2&4\end{pmatrix}$이므로 두 행렬은 서로 스칼라배 관계에 있다. 실제로
$$2\begin{pmatrix}1&-3\\-2&4\end{pmatrix} + \begin{pmatrix}-2&6\\4&-8\end{pmatrix} = O$$는 계수 $(2,1)$이 모두 0이 아닌 자명하지 않은 일차결합이므로 이 집합은 일차종속이다.
(b) $A_1 = \begin{pmatrix}1&1\\0&0\\0&0\end{pmatrix}, A_2=\begin{pmatrix}0&0\\1&1\\0&0\end{pmatrix}, A_3=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\\1&1\end{pmatrix}, A_4=\begin{pmatrix}1&0\\1&0\\1&0\end{pmatrix}, A_5=\begin{pmatrix}0&1\\0&1\\0&1\end{pmatrix}$라 하고 $c_1A_1+\cdots+c_5A_5=O$을 놓으면, 각 행의 두 열을 비교하여
$$c_1+c_4=0,\ \ c_1+c_5=0,\ \ c_2+c_4=0,\ \ c_2+c_5=0,\ \ c_3+c_4=0,\ \ c_3+c_5=0$$을 얻는다. 앞의 세 식(열 1)에서 $c_1=c_2=c_3=-c_4$이고, 나머지 세 식(열 2)에서 $c_1=c_2=c_3=-c_5$이므로 $c_4=c_5$이다. 즉 $c_4=c_5=t$로 두면 $c_1=c_2=c_3=-t$가 임의의 $t$에 대해 해가 된다. $t=1$을 택하면
$$-A_1-A_2-A_3+A_4+A_5 = O$$이 자명하지 않은 일차결합이 되므로(계수 $(-1,-1,-1,1,1)$이 모두 0이 아님) 이 집합은 일차종속이다.
Problem. Determine whether the following sets are linearly dependent or linearly independent.
- $\left\{ \begin{pmatrix} 1 & -3 \\ -2 & 4 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} -2 & 6 \\ 4 & -8 \end{pmatrix} \right\}$ in $M_{2\times 2}(\mathbb{R})$
- $\left\{ \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \right\}$ in $M_{3\times 2}(\mathbb{R})$
Solution. (a) Since $\begin{pmatrix}-2&6\\4&-8\end{pmatrix} = -2\begin{pmatrix}1&-3\\-2&4\end{pmatrix}$, the two matrices are scalar multiples of each other. Indeed
$$2\begin{pmatrix}1&-3\\-2&4\end{pmatrix} + \begin{pmatrix}-2&6\\4&-8\end{pmatrix} = O$$is a nontrivial linear combination (the coefficients $(2,1)$ are not both zero), so this set is linearly dependent.
(b) Let $A_1 = \begin{pmatrix}1&1\\0&0\\0&0\end{pmatrix}, A_2=\begin{pmatrix}0&0\\1&1\\0&0\end{pmatrix}, A_3=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\\1&1\end{pmatrix}, A_4=\begin{pmatrix}1&0\\1&0\\1&0\end{pmatrix}, A_5=\begin{pmatrix}0&1\\0&1\\0&1\end{pmatrix}$. Setting $c_1A_1+\cdots+c_5A_5=O$ and comparing the two columns of each row gives
$$c_1+c_4=0,\ \ c_1+c_5=0,\ \ c_2+c_4=0,\ \ c_2+c_5=0,\ \ c_3+c_4=0,\ \ c_3+c_5=0.$$The first three equations (column 1) give $c_1=c_2=c_3=-c_4$, and the last three (column 2) give $c_1=c_2=c_3=-c_5$, so $c_4=c_5$. Writing $c_4=c_5=t$, the values $c_1=c_2=c_3=-t$ solve the system for every $t$. Taking $t=1$,
$$-A_1-A_2-A_3+A_4+A_5 = O$$is a nontrivial linear combination (the coefficients $(-1,-1,-1,1,1)$ are not all zero), so this set is linearly dependent.
문제. $f(t) = e^{rt}$, $g(t) = e^{st}$로 정의된 함수 $f, g \in \mathcal{F}(\mathbb{R}, \mathbb{R})$를 생각하자. $\{f, g\}$가 일차독립인 것과 $r \neq s$인 것이 동치임을 증명하라.
증명. ($\Rightarrow$, 대우) $r = s$라 하면 $f = g$이므로
$$1\cdot f + (-1)\cdot g = f - g = 0$$은 계수 $(1,-1)$이 모두 0이 아닌 자명하지 않은 일차결합이다. 따라서 $\{f,g\}$는 일차종속이다.
($\Leftarrow$) $r \neq s$라 하고 $af + bg = 0$, 즉 모든 $t \in \mathbb{R}$에 대하여 $ae^{rt} + be^{st} = 0$이라 하자. $t=0$을 대입하면
$$a+b=0 \quad \Rightarrow \quad b=-a.$$한편 양변을 $t$에 대해 미분하면 $ar e^{rt} + bs e^{st} = 0$이 모든 $t$에서 성립하고, $t=0$을 대입하면
$$ar+bs=0.$$$b=-a$를 대입하면 $ar - as = a(r-s) = 0$이고, $r \neq s$이므로 $a=0$이다. 따라서 $b=-a=0$이며, 자명한 해만 존재하므로 $\{f,g\}$는 일차독립이다.
두 방향을 종합하면 $\{f,g\}$가 일차독립인 것과 $r \neq s$인 것은 동치이다.
Problem. Consider functions $f, g \in \mathcal{F}(\mathbb{R}, \mathbb{R})$ defined by $f(t) = e^{rt}$ and $g(t) = e^{st}$. Show that $\{f, g\}$ are linearly independent if and only if $r \neq s$.
Proof. ($\Rightarrow$, contrapositive) If $r = s$, then $f = g$, so
$$1\cdot f + (-1)\cdot g = f - g = 0$$is a nontrivial linear combination (the coefficients $(1,-1)$ are not both zero). Hence $\{f,g\}$ is linearly dependent.
($\Leftarrow$) Suppose $r \neq s$, and suppose $af + bg = 0$, i.e., $ae^{rt} + be^{st} = 0$ for all $t \in \mathbb{R}$. Setting $t=0$ gives
$$a+b=0 \quad \Rightarrow \quad b=-a.$$Differentiating both sides with respect to $t$ gives $ar e^{rt} + bs e^{st} = 0$ for all $t$; setting $t=0$ gives
$$ar+bs=0.$$Substituting $b=-a$, we get $ar - as = a(r-s) = 0$, and since $r \neq s$, $a=0$. Hence $b=-a=0$ as well, so only the trivial solution exists, and $\{f,g\}$ is linearly independent.
Combining both directions, $\{f,g\}$ is linearly independent if and only if $r \neq s$.
- $e_i$를 $F^n$에서 $i$번째 좌표가 1이고 나머지 좌표는 0인 벡터라 하자. $\{e_1, \cdots, e_n\}$이 일차독립임을 증명하라.
- $\{1, x, \cdots, x^n\}$이 $P_n(F)$에서 일차독립임을 증명하라.
- $E^{ij}$를 $i$행 $j$열의 성분만 1이고 나머지 성분은 0인 $m \times n$ 행렬이라 하자. $\{E^{ij} : 1 \leq i \leq m, 1 \leq j \leq n\}$이 일차독립이고 $M_{m\times n}(F)$를 생성함을 증명하라.
증명. (a) $c_1e_1+\cdots+c_ne_n=0$이라 하자. $e_i$의 정의에 의해 좌변은 $i$번째 좌표가 $c_i$인 벡터 $(c_1, \cdots, c_n)$이므로, 이 식은 $(c_1,\cdots,c_n)=(0,\cdots,0)$을 뜻한다. 즉 모든 $i$에 대해 $c_i=0$이므로 $\{e_1,\cdots,e_n\}$은 일차독립이다.
(b) $c_0\cdot 1+c_1x+\cdots+c_nx^n = 0$ ($0$은 영다항식)이라 하자. 다항식의 상등은 각 차수의 계수가 모두 일치함을 뜻하므로, $c_0=c_1=\cdots=c_n=0$이다. 따라서 $\{1,x,\cdots,x^n\}$은 $P_n(F)$에서 일차독립이다.
(c) $\sum_{i,j} c_{ij}E^{ij} = O$이라 하자. $E^{ij}$의 정의에 의해 좌변 행렬의 $(i,j)$ 성분은 정확히 $c_{ij}$이므로(다른 $E^{i'j'}$은 $(i,j)$ 성분에 기여하지 않음), 이는 모든 $i,j$에 대해 $c_{ij}=0$을 뜻한다. 따라서 $\{E^{ij} : 1\leq i \leq m, 1\leq j \leq n\}$은 일차독립이다.
또한 임의의 $A=(a_{ij}) \in M_{m\times n}(F)$에 대하여, $\sum_{i,j}a_{ij}E^{ij}$의 $(i,j)$ 성분 역시 $a_{ij}$이므로
$$A = \sum_{i,j} a_{ij}E^{ij}$$이다. 즉 $A$는 $\{E^{ij}\}$의 일차결합이므로 $\{E^{ij} : 1\leq i \leq m, 1\leq j \leq n\}$은 $M_{m\times n}(F)$를 생성한다.
- Let $e_i$ be the vector in $F^n$ whose $i$th coordinate is 1 and whose other coordinates are 0. Show that $\{e_1, \cdots, e_n\}$ is linearly independent.
- Show that $\{1, x, \cdots, x^n\}$ is linearly independent in $P_n(F)$.
- Let $E^{ij}$ be the $m \times n$ matrix whose only nonzero entry is 1 in the $i$th row and $j$th column. Show that $\{E^{ij} : 1 \leq i \leq m, 1 \leq j \leq n\}$ is linearly independent and spans $M_{m\times n}(F)$.
Proof. (a) Suppose $c_1e_1+\cdots+c_ne_n=0$. By the definition of $e_i$, the left side is the vector $(c_1, \cdots, c_n)$ whose $i$th coordinate is $c_i$, so this equation means $(c_1,\cdots,c_n)=(0,\cdots,0)$. Hence $c_i=0$ for every $i$, so $\{e_1,\cdots,e_n\}$ is linearly independent.
(b) Suppose $c_0\cdot 1+c_1x+\cdots+c_nx^n = 0$ (the zero polynomial). Equality of polynomials means the coefficients of every power agree, so $c_0=c_1=\cdots=c_n=0$. Hence $\{1,x,\cdots,x^n\}$ is linearly independent in $P_n(F)$.
(c) Suppose $\sum_{i,j} c_{ij}E^{ij} = O$. By the definition of $E^{ij}$, the $(i,j)$ entry of the left-hand matrix is exactly $c_{ij}$ (every other $E^{i'j'}$ contributes $0$ to the $(i,j)$ entry), so this means $c_{ij}=0$ for all $i,j$. Hence $\{E^{ij} : 1\leq i \leq m, 1\leq j \leq n\}$ is linearly independent.
Moreover, for any $A=(a_{ij}) \in M_{m\times n}(F)$, the $(i,j)$ entry of $\sum_{i,j}a_{ij}E^{ij}$ is likewise $a_{ij}$, so
$$A = \sum_{i,j} a_{ij}E^{ij}.$$Hence $A$ is a linear combination of $\{E^{ij}\}$, so $\{E^{ij} : 1\leq i \leq m, 1\leq j \leq n\}$ spans $M_{m\times n}(F)$.
- $u, v$를 벡터공간 $V$의 서로 다른 벡터라 하자. $\{u, v\}$가 일차종속인 것과 $u$ 또는 $v$가 다른 하나의 스칼라배인 것이 동치임을 증명하라.
- $\mathbb{R}^3$에서 일차종속인 세 벡터로서, 그중 어느 것도 다른 것의 스칼라배가 아닌 예를 구하라.
증명. (a) ($\Rightarrow$) $\{u,v\}$가 일차종속이라 하면, 모두 0은 아닌 스칼라 $a,b$가 존재하여 $au+bv=0$이다. $a\neq 0$이면 $u = -(b/a)v$이므로 $u$는 $v$의 스칼라배이다. $a=0$이면 $b\neq 0$이고 $bv=0$에서 $v=0$이며, 이는 $v=0\cdot u$이므로 $v$가 $u$의 스칼라배임을 뜻한다. 어느 경우든 $u$ 또는 $v$가 다른 하나의 스칼라배이다.
($\Leftarrow$) $u$가 $v$의 스칼라배, 즉 $u=cv$라 하자(반대의 경우도 동일하게 논증된다). 그러면 $1\cdot u + (-c)\cdot v = 0$이고 계수 $(1,-c)$에서 $u$의 계수가 $1\neq 0$이므로 자명하지 않은 일차결합이다. 따라서 $\{u,v\}$는 일차종속이다.
두 방향을 종합하면 $\{u,v\}$가 일차종속인 것과 $u$ 또는 $v$가 다른 하나의 스칼라배인 것은 동치이다.
(b) $\mathbb{R}^3$에서 $u=(1,0,0)$, $v=(0,1,0)$, $w=(1,1,0)$을 생각하자. $w=u+v$이므로
$$u+v-w=0$$은 자명하지 않은 일차결합이며, 따라서 $\{u,v,w\}$는 일차종속이다. 한편 $v=cu$라면 첫째 성분에서 $0=c$이고 둘째 성분에서 $1=c\cdot 0=0$이 되어 모순이므로 $v$는 $u$의 스칼라배가 아니다. 같은 방식으로 $u$도 $v$의 스칼라배가 아니다. 또한 $w=cu$라면 첫째 성분에서 $c=1$인데 둘째 성분에서 $1=c\cdot 0=0$이 되어 모순이고, $w=cv$라면 첫째 성분에서 $1=c\cdot 0=0$이 되어 모순이므로 $w$ 역시 $u,v$ 어느 것의 스칼라배도 아니다. 따라서 $\{u,v,w\}$는 일차종속이지만 어느 것도 다른 것의 스칼라배가 아닌 예이다.
- Let $u$ and $v$ be distinct vectors of a vector space $V$. Show that $\{u, v\}$ is linearly dependent if and only if $u$ or $v$ is a multiple of the other.
- Find an example of three linearly dependent vectors in $\mathbb{R}^3$ such that none of the three is a multiple of another.
Proof. (a) ($\Rightarrow$) Suppose $\{u,v\}$ is linearly dependent, so there exist scalars $a,b$, not both zero, with $au+bv=0$. If $a\neq 0$, then $u = -(b/a)v$, so $u$ is a multiple of $v$. If $a=0$, then $b\neq 0$ and $bv=0$ forces $v=0$, which is $v=0\cdot u$, so $v$ is a multiple of $u$. In either case, $u$ or $v$ is a multiple of the other.
($\Leftarrow$) Suppose $u$ is a multiple of $v$, say $u=cv$ (the other case is symmetric). Then $1\cdot u + (-c)\cdot v = 0$, and since the coefficient of $u$ is $1\neq 0$, this is a nontrivial linear combination. Hence $\{u,v\}$ is linearly dependent.
Combining both directions, $\{u,v\}$ is linearly dependent if and only if $u$ or $v$ is a multiple of the other.
(b) In $\mathbb{R}^3$, consider $u=(1,0,0)$, $v=(0,1,0)$, $w=(1,1,0)$. Since $w=u+v$,
$$u+v-w=0$$is a nontrivial linear combination, so $\{u,v,w\}$ is linearly dependent. If $v=cu$, the first coordinate gives $0=c$ and the second gives $1=c\cdot 0=0$, a contradiction, so $v$ is not a multiple of $u$; by the same argument $u$ is not a multiple of $v$. If $w=cu$, the first coordinate gives $c=1$ but the second gives $1=c\cdot 0=0$, a contradiction, and if $w=cv$, the first coordinate gives $1=c\cdot 0=0$, also a contradiction, so $w$ is a multiple of neither $u$ nor $v$. Hence $\{u,v,w\}$ is an example of three linearly dependent vectors, none of which is a multiple of another.
문제. $S = \{u_1, \cdots, u_n\}$을 벡터공간 $V$의 부분집합이라 하자. $S$가 일차종속인 것과 $u_1 = 0$이거나 어떤 $k$ $(1 \leq k < n)$에 대해 $u_{k+1} \in \operatorname{span}(\{u_1, \cdots, u_k\})$인 것이 동치임을 증명하라.
증명. ($\Leftarrow$) $u_1=0$이라 하면 $1\cdot u_1+0\cdot u_2+\cdots+0\cdot u_n=0$은 계수 $1\neq 0$을 가지는 자명하지 않은 일차결합이므로 $S$는 일차종속이다. 어떤 $k$ $(1\leq k \lt n)$에 대해 $u_{k+1}\in\operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_k\})$라 하면 $u_{k+1}=a_1u_1+\cdots+a_ku_k$인 스칼라들이 존재하고,
$$a_1u_1+\cdots+a_ku_k+(-1)u_{k+1}+0\cdot u_{k+2}+\cdots+0\cdot u_n=0$$은 $u_{k+1}$의 계수가 $-1\neq 0$인 자명하지 않은 일차결합이므로 이 경우에도 $S$는 일차종속이다.
($\Rightarrow$) $S$가 일차종속이라 하면, 모두 0은 아닌 스칼라 $c_1,\cdots,c_n$이 존재하여 $c_1u_1+\cdots+c_nu_n=0$이다. $k$를 $c_k\neq 0$인 가장 큰 첨자라 하자(그러한 $k$는 계수들이 모두 0은 아니므로 존재한다). 첨자의 최대성에 의해 $c_{k+1}=\cdots=c_n=0$이므로
$$c_1u_1+\cdots+c_ku_k=0.$$$k=1$이면 $c_1u_1=0$이고 $c_1\neq 0$이므로 $c_1^{-1}$을 곱하여 $u_1=0$을 얻는다. 이는 첫 번째 조건을 만족한다.
$k>1$이면 $c_k\neq 0$이므로 양변에 $c_k^{-1}$을 곱하고 정리하면
$$u_k = -\frac{c_1}{c_k}u_1-\cdots-\frac{c_{k-1}}{c_k}u_{k-1} \in \operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_{k-1}\}).$$$m=k-1$로 두면 $1\leq m \lt n$이고 $u_{m+1}=u_k\in\operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_m\})$이므로 두 번째 조건을 만족한다.
두 경우를 종합하면, $S$가 일차종속일 때 $u_1=0$이거나 어떤 $k$ $(1\leq k \lt n)$에 대해 $u_{k+1}\in\operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_k\})$이다. 이로써 동치가 증명되었다.
Problem. Let $S = \{u_1, \cdots, u_n\}$ be a subset of a vector space $V$. Prove that $S$ is linearly dependent if and only if $u_1 = 0$ or $u_{k+1} \in \operatorname{span}(\{u_1, \cdots, u_k\})$ for some $k$ $(1 \leq k < n)$.
Proof. ($\Leftarrow$) If $u_1=0$, then $1\cdot u_1+0\cdot u_2+\cdots+0\cdot u_n=0$ is a nontrivial linear combination (the coefficient $1\neq 0$), so $S$ is linearly dependent. If $u_{k+1}\in\operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_k\})$ for some $k$ $(1\leq k \lt n)$, then $u_{k+1}=a_1u_1+\cdots+a_ku_k$ for some scalars, and
$$a_1u_1+\cdots+a_ku_k+(-1)u_{k+1}+0\cdot u_{k+2}+\cdots+0\cdot u_n=0$$is a nontrivial linear combination (the coefficient of $u_{k+1}$ is $-1\neq 0$), so $S$ is again linearly dependent.
($\Rightarrow$) Suppose $S$ is linearly dependent, so there exist scalars $c_1,\cdots,c_n$, not all zero, with $c_1u_1+\cdots+c_nu_n=0$. Let $k$ be the largest index with $c_k\neq 0$ (such $k$ exists since not all coefficients vanish). By maximality of $k$, $c_{k+1}=\cdots=c_n=0$, so
$$c_1u_1+\cdots+c_ku_k=0.$$If $k=1$, then $c_1u_1=0$ with $c_1\neq 0$, so multiplying by $c_1^{-1}$ gives $u_1=0$, satisfying the first alternative.
If $k>1$, then $c_k\neq 0$, so multiplying by $c_k^{-1}$ and rearranging gives
$$u_k = -\frac{c_1}{c_k}u_1-\cdots-\frac{c_{k-1}}{c_k}u_{k-1} \in \operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_{k-1}\}).$$Setting $m=k-1$, we have $1\leq m \lt n$ and $u_{m+1}=u_k\in\operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_m\})$, satisfying the second alternative.
In either case, whenever $S$ is linearly dependent, either $u_1=0$ or $u_{k+1}\in\operatorname{span}(\{u_1,\cdots,u_k\})$ for some $k$ $(1\leq k \lt n)$. This proves the equivalence.
문제. $S$를 벡터공간 $V$의 부분집합이라 하자. $S$가 일차독립인 것과 $S$의 모든 유한부분집합이 일차독립인 것이 동치임을 증명하라.
증명. 일차독립은 유한한 일차결합에 대한 조건으로 정의되므로, $S$의 임의의 유한부분집합에서의 일차관계는 곧 $S$ 자체에서의 유한 일차관계이다. 이 점에 유의하여 양방향을 보이자.
($\Rightarrow$) $S$가 일차독립이라 하고, $T=\{u_1,\cdots,u_k\}$를 $S$의 임의의 유한부분집합이라 하자. $c_1u_1+\cdots+c_ku_k=0$이라 하면, $u_1,\cdots,u_k\in S$이므로 이는 $S$의 원소들의 일차관계이고, $S$가 일차독립이므로 $c_1=\cdots=c_k=0$이다. 따라서 $T$는 일차독립이며, $T$는 임의로 택하였으므로 $S$의 모든 유한부분집합이 일차독립이다.
($\Leftarrow$) $S$의 모든 유한부분집합이 일차독립이라 하자. $S$가 일차독립임을 보이려면, $S$의 서로 다른 원소 $u_1,\cdots,u_n$과 스칼라 $c_1,\cdots,c_n$에 대하여 $c_1u_1+\cdots+c_nu_n=0$일 때 $c_1=\cdots=c_n=0$임을 보여야 한다. $u_1,\cdots,u_n$이 서로 다르므로 $T=\{u_1,\cdots,u_n\}$은 원소 개수가 $n$인 $S$의 유한부분집합이고, 가정에 의해 $T$는 일차독립이다. 따라서 $c_1u_1+\cdots+c_nu_n=0$으로부터 $c_1=\cdots=c_n=0$을 얻는다. 이는 $S$의 원소들에 대한 임의의 유한 일차관계가 자명해야 함을 뜻하므로 $S$는 일차독립이다.
(참고로 $S=\emptyset$인 경우, $S$는 공허하게 일차독립이며 $S$의 유일한 유한부분집합인 $\emptyset$ 역시 공허하게 일차독립이므로 위 논증과 모순이 없다.)
두 방향을 종합하면 $S$가 일차독립인 것과 $S$의 모든 유한부분집합이 일차독립인 것은 동치이다.
Problem. Let $S$ be a subset of a vector space $V$. Show that $S$ is linearly independent if and only if every finite subset of $S$ is linearly independent.
Proof. Since linear independence is a condition about finite linear combinations, any linear relation among elements of a finite subset of $S$ is precisely a finite linear relation among elements of $S$ itself. Keeping this in mind, we prove both directions.
($\Rightarrow$) Suppose $S$ is linearly independent, and let $T=\{u_1,\cdots,u_k\}$ be any finite subset of $S$. If $c_1u_1+\cdots+c_ku_k=0$, then since $u_1,\cdots,u_k\in S$, this is a linear relation among elements of $S$, and since $S$ is linearly independent, $c_1=\cdots=c_k=0$. Hence $T$ is linearly independent, and since $T$ was arbitrary, every finite subset of $S$ is linearly independent.
($\Leftarrow$) Suppose every finite subset of $S$ is linearly independent. To show $S$ is linearly independent, we must show that for distinct elements $u_1,\cdots,u_n$ of $S$ and scalars $c_1,\cdots,c_n$, $c_1u_1+\cdots+c_nu_n=0$ implies $c_1=\cdots=c_n=0$. Since $u_1,\cdots,u_n$ are distinct, $T=\{u_1,\cdots,u_n\}$ is a finite subset of $S$ with $n$ elements, and by hypothesis $T$ is linearly independent. Hence $c_1u_1+\cdots+c_nu_n=0$ forces $c_1=\cdots=c_n=0$. Since this holds for every finite linear relation among elements of $S$, $S$ is linearly independent.
(For $S=\emptyset$: $S$ is vacuously linearly independent, and its only finite subset $\emptyset$ is likewise vacuously linearly independent, so this case is consistent with the argument above.)
Combining both directions, $S$ is linearly independent if and only if every finite subset of $S$ is linearly independent.
심화 문제 · Problems
문제. $S_1, S_2$를 벡터공간 $V$의 부분집합이라 하자. 다음을 증명하라.
- $\operatorname{span}(S_1 \cup S_2) = \operatorname{span}(S_1) + \operatorname{span}(S_2)$
- $\operatorname{span}(S_1 \cap S_2) \subset \operatorname{span}(S_1) \cap \operatorname{span}(S_2)$
Problem. Let $S_1, S_2$ be subsets of a vector space $V$. Show the following.
- $\operatorname{span}(S_1 \cup S_2) = \operatorname{span}(S_1) + \operatorname{span}(S_2)$
- $\operatorname{span}(S_1 \cap S_2) \subset \operatorname{span}(S_1) \cap \operatorname{span}(S_2)$
문제. $S = \{(1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1)\}$을 벡터공간 $F^3$의 부분집합이라 하자. 다음을 증명하라.
- $F = \mathbb{R}$이면 $S$는 일차독립이다.
- $F = \mathbb{F}_2$이면 $S$는 일차종속이다.
Problem. Let $S = \{(1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1)\}$ be a subset of the vector space $F^3$. Prove the following.
- If $F = \mathbb{R}$, then $S$ is linearly independent.
- If $F = \mathbb{F}_2$, then $S$ is linearly dependent.
문제. $V$를 $\mathbb{R}$ 위의 벡터공간이라 하자.
- $V$의 서로 다른 벡터 $u, v$에 대하여 $\{u, v\}$가 일차독립인 것과 $\{u + v, u - v\}$가 일차독립인 것이 동치임을 증명하라.
- $V$의 서로 다른 벡터 $u, v, w$에 대하여 $\{u, v, w\}$가 일차독립인 것과 $\{u + v, v + w, w + u\}$가 일차독립인 것이 동치임을 증명하라.
Problem. Let $V$ be a vector space over $\mathbb{R}$.
- For distinct vectors $u, v$ in $V$, show that $\{u, v\}$ is linearly independent if and only if $\{u + v, u - v\}$ is linearly independent.
- For distinct vectors $u, v, w$ in $V$, show that $\{u, v, w\}$ is linearly independent if and only if $\{u + v, v + w, w + u\}$ is linearly independent.
문제. $S_1, S_2$를 $V$의 서로소인 일차독립 부분집합이라 하자. $S_1 \cup S_2$가 일차독립인 것과 $\operatorname{span}(S_1) \cap \operatorname{span}(S_2) = \{0\}$인 것이 동치임을 증명하라.
Problem. Let $S_1, S_2$ be disjoint linearly independent subsets of $V$. Show that $S_1 \cup S_2$ is linearly independent if and only if $\operatorname{span}(S_1) \cap \operatorname{span}(S_2) = \{0\}$.
문제. $\{A_1, \cdots, A_k\}$를 $M_{n\times n}(F)$의 일차독립인 부분집합이라 하자. $\{A_1^t, \cdots, A_k^t\}$가 일차독립임을 증명하라.
Problem. Let $\{A_1, \cdots, A_k\}$ be a linearly independent subset of $M_{n\times n}(F)$. Prove that $\{A_1^t, \cdots, A_k^t\}$ is linearly independent.
문제. $M$을 대각성분이 모두 0이 아닌 정사각 상삼각행렬이라 하자. $M$의 열들이 일차독립임을 증명하라.
Problem. Let $M$ be a square upper triangular matrix with nonzero diagonal entries. Prove that the columns of $M$ are linearly independent.