如何證明線性空間V不能被其有限個真子空間覆蓋?

時間 2021-06-05 03:24:10

1樓:格羅卜學數學

首先這裡得注意一下,這個結果只在基域 是無限域的時候成立.

如果 是有限域,很容易給出反例.

[填不滿定理]是無限域, 是有限維 -向量空間, 是 的真子空間,那麼 .

[證明]對 用數學歸納法.

當 , 結論顯然成立.

假如當 , 結論成立.

當 時,

由於 ,故存在 , .

情形1.. 此時已經得證.

情形2.. 此時由於 ,故存在 , .

情形2-1.. 此時已經得證.

情形2-2..

考察形如 的向量. 當 時有

如果 和 同時成立,那麼 , 由此

所以我們得到了最多有乙個 使得 .

由於 是無限域,證畢.

填不滿定理的乙個應用是證明有限可分擴張必然為單擴張.參見

格羅卜:域論和Galois理論(4): 可分擴張

2樓:拼勃向上

我的想法就是用不完全歸納法,但是證明有誤。問題的核心在於證明存在乙個元素x,x不屬於有限的真子空間的並集。為此,我們先證明兩個真子空間的並集的情況。

設A為線性空間,B1,B2為A線性真子空間。

若B1包含於B2,則存在x2,x2屬於A,x2不屬於B2,且x2不屬於B1,故x2不屬於B1並B2。因此B1並B2為A的真子空間。

若B1不包含B2,但是B2包含B1,我們同理可知B1並B2也為A的真子空間。

若B1既不包含B2,也不被B2包含。我們有:

存在x1屬於B1,x1不屬於B2。存在x2屬於B2,x2不屬於B1。於是x1+x2不屬於B1並B2。反之則矛盾。因而B1與B2的並還是真子集。(注意此時不是真子空間)

用歸納法即可推理出有限個的情況。要點是構造乙個不屬於真子空間的並的元素。

設n=k-1時,無法覆蓋。

則n=k時,若{Ni}能覆蓋空間V,則存在xi,xi不屬於Ni。則對於∑xi而言,∑xi屬於V,必然屬於某個真子集Nj。此時∑xi屬於Nj,xj不屬於Nj,則必有∑xi-xj不屬於Nj。

則∑xi-yj屬於{Ni}-Nj。此時必有n=k-1時,可以覆蓋,矛盾。故n=k時,也無法覆蓋。證畢。

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