线性代数-向量空间

Fragment 1 数域

/Define/

定义1 设 KKCC 的子集且至少包含两个不同元素。若 KK 中任意两个元素加减乘除(除数非0)仍属于 KK ,则称 KK 为数域。加减乘封闭为数环。

例1 Q(2)={a+b2a,bQ}\mathbb{Q}(\sqrt{2}) = \{ a + b\sqrt{2} \mid a, b \in \mathbb{Q} \} 是数域。

/proof/

先证明 a+b2=0a=b=0a + b\sqrt{2} = 0 \Rightarrow a = b = 0

(a+b2)±(c+d2)=(a±c)±(b±d)2Q(2)(a+b2)(c+d2)=(ac+2bd)+(ad+bc)2Q(2)c+d20c0 or d0cd20a+b2c+d2=(a+b2)(cd2)(c+d2)(cd2)=ac2bdc22d2+bcadc22d22Q(2)(a + b\sqrt{2}) \pm (c + d\sqrt{2}) = (a \pm c) \pm (b \pm d)\sqrt{2} \in \mathbb{Q}(\sqrt{2}) \\ (a + b\sqrt{2}) \cdot (c + d\sqrt{2}) = (ac + 2bd) + (ad + bc)\sqrt{2} \in \mathbb{Q}(\sqrt{2}) \\ c + d\sqrt{2} \neq 0 \Rightarrow c \neq 0 \text{ or } d \neq 0 \Rightarrow c - d\sqrt{2} \neq 0 \\ \frac{a + b\sqrt{2}}{c + d\sqrt{2}} = \frac{(a + b\sqrt{2})(c - d\sqrt{2})}{(c + d\sqrt{2})(c - d\sqrt{2})} = \frac{ac - 2bd}{c^2 - 2d^2} + \frac{bc - ad}{c^2 - 2d^2}\sqrt{2} \in \mathbb{Q}(\sqrt{2})

例2 $ \mathbb{Q}(\sqrt{3}) = { a + b\sqrt{3} + c\sqrt{4} \mid a, b, c \in \mathbb{Q} } $ 是数域。

/proof/

先证明 a+b3+c4=0a2+2b2+4c22abc=0a + b\sqrt{3} + c\sqrt{4} = 0 \Rightarrow a^2 + 2b^2 + 4c^2 - 2abc = 0

a=b=c=0\Rightarrow a = b = c = 0

  • 推广1: Q(2)={a0+a12++an2naiQ,0in}\mathbb{Q}(\sqrt{2}) = \{ a_0 + a_1\sqrt{2} + \cdots + a_n\sqrt{2^n} \mid a_i \in \mathbb{Q}, 0 \leq i \leq n \} 是数域。

  • 推广2: PP 为素数,则 Q(p)={a+bpa,bQ}\mathbb{Q}(\sqrt{p}) = \{ a + b\sqrt{p} \mid a, b \in \mathbb{Q} \} 是数域。

例3 {a0+a1π++anπnaiQ}\left\{ a_0 + a_1\pi + \cdots + a_n\pi^n \mid a_i \in \mathbb{Q} \right\} 是数域。

/proof/

π\pi 是超越数     def\overset{def}\iff 若 $b_0\pi^m + b_1\pi^{m+1} + \cdots + b_m = 0 $ $ b_j \in \mathbb{Q}$

b0=b1==bm=0b_0 = b_1 = \cdots = b_m = 0 (否则不为0 加减乘除仍封闭)

αC\alpha \in \mathbb{C}α\alpha 为代数数     deff(x)=anxn+an1xn1++a1x+a0\overset{def}\iff \exist f(x) = a_nx^n + a_{n-1}x^{n-1} + \cdots + a_1x + a_0

st.f(α)=0st. f(\alpha) = 0α\alphaf(x)f(x) 的根。

例4 S={a+b2a,bZ}S = \{ a + b\sqrt{2} \mid a, b \in \mathbb{Z} \} 不是数域。

/proof/

用反证法。设 SS 是数域, ZS\mathbb{Z} \subseteq S

1S2S12S1 \in S \Rightarrow 2 \in S \Rightarrow \frac{1}{2} \in S ,即 12=a+b2\frac{1}{2} = a + b\sqrt{2} a,bZa, b \in \mathbb{Z}

若 $b \neq 0 $ ,则 $ \sqrt{2} = \frac{a - \frac{1}{2}}{b} \in \mathbb{Q}$ 矛盾!

例5 S={a2aR}S = \{ a\sqrt{2} \mid a \in \mathbb{R} \} 不是数环。

/proof/

反证法。设 SS 为数环, 2S2=22S\sqrt{2} \in S \Rightarrow 2 = \sqrt{2} \cdot \sqrt{2} \in S

2=a2aQa=2Q2 = a\sqrt{2}\quad a \in \mathbb{Q} \Rightarrow a = \sqrt{2} \notin \mathbb{Q} 矛盾。

/Theorem/ 定理2:任一数域 KK 必包含有理数域 Q\mathbb{Q}Q\mathbb{Q} 是最小数域。

/proof/

aK0=aaK\forall a \in K \Rightarrow 0 = a - a \in K

由定义(数域至少有2个不同元素)再取 KK 的非零元素 bb1=bbK1 = \frac{b}{b} \in K

{mZ+,m=(1++1)K,m=0mK}ZK\left\{ \forall m \in \mathbb{Z}^+ ,\quad m = (1 + \cdots + 1) \in K,\quad -m = 0 - m \in K \right\} \Rightarrow \mathbb{Z} \subseteq K\\

任取 mnQ\frac{m}{n} \in \mathbb{Q} nZ+n \in \mathbb{Z}^+ mZ+m \in \mathbb{Z}^+ nKn \in K mKmnKm \in K \Rightarrow \frac{m}{n} \in KQK\mathbb{Q} \subseteq K