Bài 1. Cho tập V các bộ hai số thực (v1, v2) và hai hằng số a, b. Ta định nghĩa hai phép tính (x1, x2) + (y1, y2) = (ax1 + by1, ax2 + by2), (x1,x2) = (x1, x2) với R. Xác định a và b để V là không gian véc tơ. Bài 2. Cho tập V các bộ hai số thực (v1, v2). Xác định các hằng số k1 và k2 để V là không gian véc tơ với hai phép tính được định nghĩa như sau (x1, x2) + (y1, y2) = (x1 + y1, x2 + y2), (x1,x2) = (k1x1, k2x2) với R. Bài 3. Chứng minh rằng tập W = {0} là không gian con của R. Bài 4. Chứng minh rằng tập tất cả các điểm trên đường thẳng bất kỳ đi qua điểm (0, 0) đều là không gian con của R2 . Bài 5. Cho W là tập tất cả các điểm trên đường thẳng bất kỳ không đi qua điểm (0, 0). Chứng minh rằng W không phải là không gian con của R2 . Bài 6. Chứng minh các phát biểu trong Định lý 2.1.1. Bài 7. Cho W là không gian con của không gian V, chứng minh rằng phần tử trung hoà của W chính là phần tử trung hoà của V. Bài 8. Chứng minh rằng nếu W1 và W2 là các không gian con của không gian V thì W1W2 cũng là không gian con của V. Bài 9. Cho W1 và W2 là các không gian con của không gian V và W1W2 = {}. Chứng minh rằng W1W2 là không gian con của V khi và chỉ khi W1 = {} hoặc W2 = {}. Bài 10. Chứng minh rằng ba véc tơ u1 = 1, u2 = 1 + x và u3 = 1 + x + x2 độc lập tuyến tính trong không gian các đa thức của x có bậc không quá 2.
Trang 1Bài tập chương 2
Bài 1 Cho tập V các bộ hai số thực (v1, v2) và hai hằng số a, b Ta định nghĩa hai
phép tính
(x1, x2) + (y1, y2) = (ax1 + by1, ax2 + by2), (x1,x2) = (x1, x2) với R Xác định a và b để V là không gian véc tơ
Bài 2 Cho tập V các bộ hai số thực (v1, v2) Xác định các hằng số k1 và k2 để V là không gian véc tơ với hai phép tính được định nghĩa như sau
(x1, x2) + (y1, y2) = (x1 + y1, x2 + y2), (x1,x2) = (k1x1, k2x2) với R
Bài 3 Chứng minh rằng tập W = {0} là không gian con của R
Bài 4 Chứng minh rằng tập tất cả các điểm trên đường thẳng bất kỳ đi qua điểm
(0, 0) đều là không gian con của R2
Bài 5 Cho W là tập tất cả các điểm trên đường thẳng bất kỳ không đi qua điểm (0,
0) Chứng minh rằng W không phải là không gian con của R2
Bài 6 Chứng minh các phát biểu trong Định lý 2.1.1
Bài 7 Cho W là không gian con của không gian V, chứng minh rằng phần tử trung
hoà của W chính là phần tử trung hoà của V
Bài 8 Chứng minh rằng nếu W1 và W2 là các không gian con của không gian V thì W1W2 cũng là không gian con của V
Bài 9 Cho W1 và W2 là các không gian con của không gian V và W1W2 = {} Chứng minh rằng W1W2 là không gian con của V khi và chỉ khi W1 = {} hoặc W2 = {}
Bài 10 Chứng minh rằng ba véc tơ u1 = 1, u2 = 1 + x và u3 = 1 + x + x2 độc lập tuyến tính trong không gian các đa thức của x có bậc không quá 2
Bài 11 Hãy biểu diễn véc tơ + x + x2 dưới dạng tổ hợp tuyến tính của ba véc
tơ u1, u2 và u3 được cho trong Bài 2.10
Bài 12 Gọi Q(x) là tập tất cả các phân thức hữu tỷ
a) Chứng minh rằng Q(x) là không gian véc tơ với phép cộng các phân thức hữu
tỷ và phép nhân một số với một phân thức hữu tỷ
Trang 2b) Chứng minh rằng ba véc tơ u1 = 1, u2 = 1
x, u3 =
2
1
x là độc lập tuyến tính
c) Chứng minh rằng Q(x) là không gian vô hạn chiều
Bài 13 Trong không gian Euclid R3, cho họ S = {e1, e2} với e1 = (1, 0, 0), e2 = (0,
1, 0)
Hãy xác định hình chiếu trực giao và thành phần trực giao của u = (x, y, z) lên span(S)
Bài 14 Tìm số chiều và một cơ sở trực chuẩn của không gian nghiệm của hệ
phương trình
2x
x
+
+
y 2y y
+ +
3z z
=
=
=
0 0 0
Bài 15 Tìm số chiều và hai cơ sở trực chuẩn của không gian nghiệm của hệ
phương trình
3x
5x
+
–
y y
+ +
z z
+ –
u u
= 0
= 0
Bài 16 Trong không gian R3, tìm một cơ sở trực chuẩn của không gian con sinh bởi hai véc tơ w1 = (1, –1, 0), w2 = (–1, 1, 0)
Bài 17 Trong không gian R3, tìm một cơ sở trực chuẩn của không gian con sinh bởi hai véc tơ w1 = (1, –1, 0), w2 = (–1, 2, 0)
Bài 18 Trong P2 – không gian các đa thức bậc không quá 2, xét tích vô hướng
<u, v> = 1
1
u(x)v(x)dx
Hãy xây dựng một cơ sở trực chuẩn từ cơ sở chính tắc 1, x, x2
Bài 19 Trong R2 xét các cơ sở B = u1, u2, B’ = v1, v2 với
u1 = (1, 0), u2 = (0, 1), v1 = (2, 1), v2 = (–3, 4)
a) Tìm ma trận P là ma trận chuyển cơ sở từ B sang B’
b) Cho u = (–3, 5), tìm [u]B và [u]B’
c) Dựa vào ma trận P, tìm ma trận chuyển cơ sở từ B’ sang B
Bài 20 Trong P1 là không gian các đa thức bậc không quá 1, cho B = {p1, p2}, B’ = {q1, q2} với p1 = 6 + 3x, p2 = 10 + 2x, q1 = 2, q2 = 3 + 2x, p = –4 + x
Trang 3a) Chứng minh rằng B và B’ là hai cơ sở của P1
b) Tìm ma trận chuyển cơ sở từ B’ sang B
c) Tìm ma trận chuyển cơ sở từ B sang B’
d) Tìm ma trận toạ độ của p trong B
Bài 21 Cho V là không gian sinh bởi B = f1, f2 với f1 = sinx, f2 = cosx Cho B’ = {g1, g2} với g1 = 2sinx + cosx, g2 = 3cosx, h = 2sinx – 5cosx
a) Chứng minh rằng B’ là cơ sở của V
b) Tìm ma trận P chuyển cơ sở từ B’ sang B
c) Tìm [h]B rồi thông qua P suy ra [h]B’
d) Tìm trực tiếp [h]B’
Bài 22 Cho P là ma trận chuyển cơ sở từ B = u1, u2, u3 sang B’= v1, v2, v3, với
P =
1 1 0
0 1 1
1 0 1
a) Tìm cơ sở B’ khi biết u1 = (1, 1, 0), u2 = (1, 0, 1), u3 = (0, 1, 1)
b) Tìm cơ sở B khi biết v1 = (1, 2, 1), v2 = (0, –1, 1), v3 = (–1, 1, 0)
Trang 4Hướng dẫn giải bài tập chương 2
Bài 1 Giả sử x = (x1, x2), y = (y1, y2), z = (z1, z2) Khi đó,
Để x + y = y + x thì (ax1 + by1, ax2 + by2) = (ay1 + bx1, ay2 + bx2), tức là
2 2
(a b)(x y ) 0 (a b)(x y ) 0
Khi đó x + y = (ax1 + ay1, ax2 + ay2) = (a(x1 + y1), a(x2 + y2))
Vì vậy x + (y + z) = (x1, x2) + (a(y1 + z1), a(y2 + z2)) =
= (a(x1 + a(y1 + z1)), a(x2 + a(y2 + z2))) =
= (ax1 + a2y1 + a2z1, ax2 + a2y2 + a2z2)
Mặt khác, (x + y) + z = (a(x1 + y1), a(x2 + y2)) + (z1, z2) =
= (a(a(x1 + y1) + z1), a(a(x2 + y2) + z2)) =
= (a2x1 + a2y1 + az1, a2x2 + a2y2 + az2)
So sánh (2.10.1) và (2.10.2), dễ thấy rằng để tiên đề 3 thoả mãn thì a phải bằng
1
Với a = b = 1, theo Ví dụ 2.1.1, thì V là không gian véc tơ với hai phép toán đó
Bài 2 Xét x = (x1, x2) V, còn , R Do x = (k1x1, k2x2) nên
(x) = (k1x1, k2x2) = (k1k1x1, k2k2x2) = ( 2
1
k x1, 2
2
k x2)
Mặt khác, ()x = (k1x1, k2x2) nên để (x) =()x thì
( 2 1
k x1, 2
2
k x2) = (k1x1, k2x2)P
Dễ thấy các hằng số k1 và k2 chỉ có thể bằng 0 hoặc 1 Để tiên đề 10 được thoả mãn thì các hằng số k1 và k2 chỉ có thể bằng 1, tức là x = (x1, x2)
Với k1 = k2 = 1, theo Ví dụ 2.1.1, thì V là không gian véc tơ với hai phép toán
đó.
Bài 3 Vì W chỉ gồm duy nhất phần tử 0 nên với mọi x, y, z W, ta đều có x = y =
z = 0
Khi đó x + y = 0 + 0 = 0 W nên W = {0} là không gian con của R
Bài 4 Mọi đường thẳng bất kỳ đi qua điểm (0, 0) đều có dạng Ax1 + Bx2 = 0 với A
và B không đồng thời bằng 0 Gọi W là tập tất cả các điểm thuộc đường thẳng đó
(0.1)
(0.2)
Trang 5Nếu B = 0 thì A 0 nên x1 = 0, do đó W = {(0, x2): x2 R}
Giả sử x = (0, x2), y = (0, y2), R, ta có
x + y = (0, x2) + (0, y2) = (0, x2 + y2) x + y W
Nếu B 0 ta có x2 = kx1 với k = –A
B , vì vậy W = {(x1, kx1): x1 R}
Giả sử x, y W, cụ thể x =(x1, kx1), y = (y1, ky1), R, ta có
x + y = (x1, kx1) + (y1, ky1) = (x1 + y1, kx1 + ky1) = (z1, kz1) với z1 =
x1 + y1
Do đó x + y W
Trong mọi trường hợp ta đều có x + y W, vậy W là không gian con của R2.
Bài 5 Mọi đường thẳng bất kỳ không đi qua điểm (0, 0) đều có dạng Ax1 + Bx2 +
C = 0 với A và B không đồng thời bằng 0, còn C khác 0
Nếu B = 0 thì A 0 nên x1 = –C
B Đặt k = –C
B 0, khi đó W = {(k, x2): x2 R} Giả sử x = (k, x2), y = (k, y2), R, ta có
x + y = (k, x2) + (k, y2) = (k + k, x2 + y2)
Ta thấy x + y W với 0, tức W không phải là không gian con của R2 trong trường hợp này
Nếu B 0 ta có x2 = kx1 + b với k = –A
B và b = –C
B, vì vậy W = {(x1, kx1 + b): x1 R}
Giả sử x, y W, cụ thể x =(x1, kx1 + b), y = (y1, ky1 + b), R, ta có
x + y = (x1, kx1 + b) + (y1, ky1 + b) = (x1 + y1, kx1 + ky1 + b + b) =
= (z1, kz1 + b + b) với z1 = x1 + y1
Với = 1, vì b 0 nên kz1 + b + b = kz1 + 2b kz1, tức x + y W
Trong mọi trường hợp ta đều có x + y W, nên W không là không gian con của R2
.
Bài 6
1 Giả sử B1B và B2B là hai phần tử trung hoà
Vì 1 là phần tử trung hoà nên theo tiên đề 4 ta có 1 + 2 = 2
Trang 6Theo tiên đề 2 ta có 1 + 2 = 2 + 1
Vì 2 cũng là phần tử trung hoà nên theo tiên đề 4 ta có 2 + 1 = 1
Vậy 2 = 1, tức phần tử trung hoà là duy nhất
2 Theo tiên đề 10 và tiên đề 8 ta có x + (–1)x = 1.x + (–1)x = (1 + (–1))x = (1 – 1)x =
Chứng tỏ (–1)x chính là phần tử đối của x, tức là –x = (–1)x
3 Giả sử y1 và y2 là hai phần tử đối của x
Theo tiên đề 2 và tiên đề 5 ta có x + y1 = y1 + x = , chứng tỏ x là phần tử đối của y1, tức là x = –y1 Tương tự ta cũng có x là phần tử đối của y2, tức là x = – y2, vì vậy –y1 = –y2
Theo chứng minh trên thì (–1)y1 = (–1)y2, theo tiên đề 9 ta có y1 = y2
Vậy với mọi x, phần tử đối xứng –x là duy nhất
4 Theo tiên đề 8 và tiên đề 10, ta có 0x + x = (0 + 1)x = 1x = x Theo tiên đề 4 thì 0x là phần tử trung hoà, tức 0x =
5 Theo tiên đề 10 và tiên đề 4, ta có + x = ( + x) = x Lại theo tiên đề 4 thì là phần tử trung hoà, tức =
6 Giả sử x = Nếu = 0 thì theo chứng minh trên, x =
Nếu 0: y = y + x = (y + x) y = y + x x =
Bài 7 Gọi và 1 tương ứng là các phần tử trung hoà của V và W Khi đó với mọi
x W ta đều có –x + x = 1 Nhưng x cũng thuộc V nên –x + x = , vì vậy 1 =
Bài 8 Đặt W = W1W2 Giả sử x, y W và R Rõ ràng x, y W1 và x, y
WB2B, khi đó
x + y W1 và x + y W2, tức là x + y W Vậy W là không gian con của
V
Bài 9 Giả sử W = W1W2 là không gian con của V và W1W2 = {}
Ta chứng minh điều kiện cần: Giả sử ngược lại, W1 {} và W2 {}
Trang 7Lấy hai véctơ khác là x W1 và y W2, khi đó x và y cùng thuộc W
Do W là không gian con nên x + y W, suy ra hoặc x + y W1, hoặc x + y
W2
Nếu x + y W1 thì y W1, mâu thuẫn với giả thiết W1W2 = {}
Nếu x + y W2 thì x W2, mâu thuẫn với giả thiết W1W2 = {}
Vậy W1 hoặc W2 bằng {}
Ta chứng minh điều kiện đủ: Nếu W1 hoặc W2 bằng {} thì W = W1W2 chính
là W2 hoặc W1, tức là W là không gian con của V.
Bài 10 Gọi P2(x) là không gian các đa thức của x có bậc không quá 2 Phần tử trung hoà trong P2(x) chính là 0 Ta có
au1 + bu2 + cu3 = 0 a.1 + b(1 + x) + c(1 + x + x2) = 0 (a + b + c) + (b + c)x + cx2 = 0
Từ đó nhận được hệ {a + b + c = 0, b + c = 0, c = 0} Dễ thấy a = b = c = 0 Vậy ba véc tơ đó độc lập tuyến tính
Bài 11 Giả sử + x + x2 = au1 + bu2 + cu3, khi đó
+ x + x2 = (a + b + c) + (b + c)x + cx2 Từ đây giải ra được c = , b = – , a =
–
Vậy + x + x2 = ( – ) + ( – )(1 + x) + (1 + x + x2)
Bài 12 a) Phần tử trung hoà chính là 0
Với Pm(x), Qn(x) là các đa thức của x và u = m
n
P (x)
Q (x)thì –u = m
n
P (x)
Q (x)
Dễ thấy rằng các tiên đề còn lại đều được thoả mãn Vậy Q(x) là không gian véc tơ
b) auB1B + buB2B + cuB3B = 0 ax2 + bx + c = 0 x a = b = c = 0 {u1, u2, u3} độc lập tuyến tính
c) Giả sử n là số tự nhiên bất kỳ Xét các véc tơ uBkB = 1k 1
x , k = 1, 2, ., n Tương tự như phần b) ta chứng minh được họ {uk, k = 1, , n} là độc lập tuyến tính Điều đó chứng tỏ rằng số véc tơ độc lập tuyến tính của Q(x) là không hạn chế, tức Q(x) là không gian vô hạn chiều
Trang 8Bài 13 Với a và b bất kỳ ta có ae1 + be2 = (a, b, 0), do đó
W = span(S) = {(a, b, 0): a, b R} W chính là mặt phẳng chứa e1 và e2 Với u = (x, y, z) ta có w1 = <u, e1>e1 + <u, e2>e2 = x(1, 0, 0) + y(0, 1, 0) = (x, y, 0) W
Vậy chWu chính là hình chiếu vuông góc của u lên mặt phẳng W
w2 = u – w1 = (x, y, z) – (x, y, 0) = (0, 0, z), do đó, thành phần trực giao của
u chính là chiếu vuông góc của u lên span({e3}) với e3 = (0, 0, 1)
Bài 14 Định thức của hệ là
D =
2 1 3
1 2 0
0 1 1
= 6 0, nên hệ chỉ có nghiệm tầm thường (x, y, z) = (0, 0, 0)
Vậy số chiều của không gian nghiệm là bằng 0 và tất nhiên là không có cơ sở
Bài 15 Ma trận của hệ là
A = 3 1 1 1
5 1 1 1
Định thức con
1 1
1 1
= –2 nên rank(A) = 2
Cho x = s, y = t z 4s
u s t
, nghiệm của hệ là
x y z u
=
s t 4s
s t
=
1 0 s 4 1
+
0 1 t 0 1
= su1
+ tu2
Số chiều của không gian nghiệm bằng 2 Để nhận được một cơ sở trực chuẩn {v1, v2}, ta áp dụng quá trình trực chuẩn Gram-Schmidt với u1 và u2 Ta có
v1 = 1
1
u
u = 1
3 2
1 0 4 1
, a2 =
0 1 0 1
– 1
3 2
3 2
1 0 4 1
= 1
18
1 18 4 17
v2 = 1
3 70
1 18 4 17
Nếu cho x = s, u = t, ta nhận được y = s – t, z = –4s Làm tương tự như trên ta nhận được một cơ sở trực chuẩn nữa là
w1 = 1
3 2
1 1 4 0
, w2 = 1
3 70
1 17 4 18
Trang 9
Bài 16 Với a, b bất kỳ ta có aw1 + bw2 = (a – b, –a + b, 0)
Do đó không gian con sinh bởi w1 và w2 là tập tất cả các điểm (x, y, z) trong R3 sao cho
x = a – b, y = –a + b, z = 0, hay là x + y = 0, z = 0
Đây chính là phương trình đường thẳng đi qua điểm (0, 0, 0) Vì vậy số chiều của không gian con sinh bởi w1 và w2 bằng 1, đồng thời bất kỳ giá trị thực khác 0 nào cũng là một cơ sở của nó
Bài 17 Với a, b bất kỳ ta có aw1 + bw2 = (a – b, –a + 2b, 0)
Do đó không gian con sinh bởi wB1B và wB2B là tập tất cả các w = (x, y, z) trong R3 sao cho
x = a – b, y = –a + 2b, z = 0, hay là
(x, y, z) = (a – b, –a + 2b, 0) = a(1, –1, 0) + b(–1, 2, 0) = au1 + bu2
Áp dụng quá trình trực chuẩn,
v1 = 1
1
u
u = 1
2 (1, –1, 0), a2 = (–1, 2, 0) – 3
2
2 (1, –1, 0) = 1
2(1, 1, 0)
v2 = 1
2 (1, 1, 0)
Bài 18 Đặt u1 = 1, u2 = x, u3 = x2 Ta xây dựng cơ sở trực chuẩn v1, v2, v3 như sau
||u1||2 = 1 2
1
1 dx
= 2 v1 = 1
1
u
|| u || = 1
2 Ta có <u2, v1> = 1
1
1
2
= 0 nên
a2 = u2 – <u2, v1>v1 = x ||a2||2 = 1 2
1
x dx
3 v2 = 2
2
a
|| a ||= 2
3 x
Vì <u3, v2> = 1 2
1
2
x xdx 3
= 0 và <u3, v1> =1 2
1
1
x dx 2
3 2 nên
a3 = u3 – <u3, v2>v2 – <u3, v1>v1 = x2 – 2
3 2
1
2 = x2 – 1
3 ||a3||2 = 1 2 2
1
1
3
= 8
45
Ta có v3 = 3
3
a
|| a ||= 3 5
8 (x2 – 1
3) Vậy cơ sở trực chuẩn cần tìm là
Trang 10, x, (x )
Bài 19
a) Ta luôn có au1 + bu2 = (a, b) nên v1 = (2, 1) = 2u1 + u2, v2 = (–3, 4) = –3u1 + 4u2
Do đó [v1]B = 2
1
, [v2]B =
3 4
P = 2 3
1 4
b) u = (–3, 5) = av1 + bv2 = (2a – 3b, a + 4b)
2a 3b 3
a 4b 5
3 a 11 13 b 11
[u]B’ =
3 11 13 11
[u]B = P[u]B’ = 2 3
1 4
3 11 13 11
=
3
5
c) det(P) = 11, d11 = 4, d12 = 1, d21 = –3, d22 = 2
Vậy ma trận chuyển cơ sở từ B’ sang B là P–1 = 1 4 3
1 2 11
Bài 20 a) ap1 + bp2 = 0 (6a + 10b) + (3a + 2b)x = 0 6a + 10b = 0 và 3a + 2b
= 0
3a + 5b = 0 và 3a + 2b = 0 a = b = 0 B là cơ sở của P1
aq1 + bq2 = 0 (2a + 3b) + (2b)x = 0 2a + 3b và 2b = 0 a = b = 0
Vậy B’ là cơ sở của P1
b) Ta biểu diễn các véc tơ của B qua các véc tơ của B’
Vì aq1 + bq2 = (2a + 3b) + (2b)x nên
p1 = 6 + 3x = aq1 + bq2 6 + 3x = (2a + 3b) + (2b)x a = 3
4, b = 3
2
p2 = 10 + 2x = aq1 + bq2 10 + 2x = (2a + 3b) + (2b)x a = 7
2, b = 1
Vậy ma trận chuyển cơ sở từ B’ sang B là P =
3 7
4 2 3 1 2
= 1
4
3 14
6 4
Trang 11c) Ma trận ngược của ma trận P là P–1 = 1
18
6 3
và đó chính là ma trận chuyển cơ sở từ B sang B’
d) p = –4 + x = ap1 + bp2 = (6a + 10b) + (3a + 2b)x 6a + 10b = –4 và 3a + 2b =
1
a = 1 và b = –1 [p]B = 1
1
Bài 21 a) ag1 + bg2 = 0 (2a)sinx + (a + 3b)cosx = 0 a = b = 0 Vậy B’ là cơ
sở của V
b) Ta biểu diễn các véc tơ của B qua cơ sở B’
fB1B = sinx = ag1 + bg2 = (2a)sinx + (a + 3b)cosx a = 1
2, b = –1
6 [f1]B’ = f2 = cosx = ag1 + bg2 = (2a)sinx + (a + 3b)cosx a = 0, b = 1
3 [f1]B’ =
P =
1 0 2
1 1
6 3
= 1
6
3 0
1 2
Đây là ma trận chuyển cơ sở từ B’ sang B
c) h = 2sinx – 5cosx = afB1B + bfB2B = acosx + bsinx a = 2, b = –5 [h]B =
2
5
[h]B’ = P[h]B = 1
6
3 0
1 2
2 5
=
1 2
d) h = 2sinx – 5cosx = ag1 + bg2 = (2a)sinx + (a + 3b)cosx
a = 1, b = –2 [h]B’ = 1
2
Bài 22
a) Theo định nghĩa, P = [[v1]B, [v2]B, [v3]B] nên
[v1]B =
1 0 1
, [v2]B =
1 1 0
, [v3]B =
0 1 1
Do đó v1 = u1 + u3 = (1, 1, 0) + (0, 1, 1) = (1, 2, 1)