9. | (1) 代入 Dvf=⟨∇f(P),v⟩ 即可. (2) Du(g⋅h)=⟨∇(g⋅h)(P),u⟩=⟨g(P)⋅∇h(P),u⟩+⟨h(P)⋅∇g(P),u⟩=g(P)⋅Duh+h(P)⋅Dug. |
11. | (1) Jf~=(∂x~j∂f~i)n×m=(∂xk∂f~i∂x~j∂xk)n×m=(∂xk∂(alifl)∂(bsjxs)∂xk)n×m=(aji∂xj∂fi(bkj)−1)n×m=AJfB−1. (2) 由 A,B 均可逆得 rkJf′=rkJf. (3) 完全同理. 将曲纹坐标系看成坐标变换即可, 此时的坐标变换函数为曲纹坐标变换所对应的 Jacobi 矩阵. |
12. | 只需证明在所给区域 ∂(u1,⋯,un)∂(x1,⋯,xn)=0 即可. 写出行列式并消去第一行并使用数学归纳法能够证明 (具体过程可参考大多数数学分析教材) ∂(u1,⋯,un)∂(x1,⋯,xn)=r1r2⋯rn(un)n−1(cosu1)n−2(cosu2)n−3⋯cosun−2,由 x1=0 得 un,cosu1,⋯,cosun−2=0, 所以 ∂(u1,⋯,un)∂(x1,⋯,xn)=0. |
17. | f 是线性变换是显然的. 要证明与基底选取无关, 只需取另一组基底 δi~, 验证这两组基底下的计算结果一致即可. 设另一组基底为 δi~=aijδj, 则 δi~=a~jiδj, 其中 a~ijajk=δik, 那么 (已省略对 i 求和) f~(u,δ~i)δ~i=f~(u,a~jiδj)aikδk=a~jiaikf~(u,δj)δk=δjkf~(u,δj)δk=f~(u,δi)δi. |
18. | 一方面, 对于每一个 r 重线性映射 t, 可以定义 F(α,v1,⋯,vn):=αt(v1,⋯,vn); 另一方面, 对于每一个 (1,r) 型张量 F(α,v1,⋯,vn), 可以定义 t(v1,⋯,vn)=i=1∑mF(δi,v1,⋯,vn)δi. 类似于上一题, 由 F 的线性型可知 t 的定义与基底选取无关. |
20. | 取 V 的两个线性无关的向量 v1,v2, W 的两个线性无关的向量 w1,w2, v1⊗w1,v2⊗w2 均在此集合中, 但 v1⊗w1+v2⊗w2 并不在其中. 这是因为对于 v=i=1∑maivi 和 w=j=1∑nbjwj, v⊗w=i=1∑mj=1∑naibjvi⊗wj 的系数构成的矩阵 (aibj)1≤i≤m,1≤j≤n 的秩为 1, 而 v1⊗w1+v2⊗w2 的系数的矩阵 ⎝⎛1001⎠⎞ 的秩为 2. |
21. | 若 ei=aikδk 为另一组基底, 且在 ei 基底下, f 的表示矩阵为 cmjailblm, 其中 (cji) 是 (aji) 的逆矩阵, 则bij~bki~bjk~=cmjailcjiakhcnkajmblmbhlbmn.=blmbhlbmh=B3 只需对 (3,3) 型张量 F(α1,α2,α3,v1,v2,v3):=α1(f(v2))α2(f(v3))α3(f(v1)) 缩并三次即可表示出 B3. |
22. | 是 F(α,v)=α(v), 因为 F(δj,δi)=δj(δi)=δij. |
23. | 不存在. 因为该张量无法缩并. 事实上, 任取一个基变换, 容易发现该张量一定与基选取有关. |
24. | σ(f)(v1,⋯,vq)=α1⊗⋯⊗αq(vσ(1),⋯,vσ(q))=α1(vσ(1))⋯αq(vσ(q))=ατ(1)(v1)⋯ατ(q)(vq)=ατ(1)⊗⋯⊗ατ(q)(v1,⋯,vq). |
25. | (1) 由 ξ=Sq(ξ) 容易得到 ξ 对称; 另一方面, 当 ξ 对称时, 有 Sq(ξ)=q!∑σ∈Sσ(ξ)=q!∑σ∈Sξ=q!∣S(q)∣ξ=ξ.
(2) 由 ξ=Aq(ξ) 容易得到 ξ 反对称; 另一方面, 当 ξ 对称时, 有 Aq(ξ)=q!∑σ∈Ssign(σ)σ(ξ)=q!∑σ∈Ssign(σ)2ξ=q!∣S(q)∣ξ=ξ. |
26. | 设 σ 为二阶张量上的对换, 取 ξ1=2ξ+σ(ξ) 与 ξ2=2ξ−σ(ξ). 则 ξ=ξ1+ξ2 且 ξ1 与 ξ2 分别为对称与反对称张量. |
27. | 通过列举 S 中元素并利用 φ 给定性质, 可计算得 A3(φ)=61σ∈S∑sign(σ)σ(φ)=61(2−4)φ=−31φ. 由 A3(φ) 的反对称性可推知 φ 反对称. 同时, 取任意 v1,v2,v3∈V, 由 φ(v2,v1,v3)=φ(v1,v2,v3)=−φ(v2,v1,v3) 得到 φ=0. |
28. | 任取 u,v∈V, 由条件知 a(u+v,u+v)−a(u,u)−a(v,v)=0, 化简即得 a(u,v)+a(v,u)=0, 即 S2(a)=0. |
29. | 取定一组基 {δi}. 根据题目条件, 取 a=Eij+Eji 可得 bij+bji=0, 从而可得 b 反对称. |
30. | 令 g:=f−f~, 则对任意 x∈V 有 g(x,x)=0, 从第 28 题可得 g 反对称, 但 g 又对称, 因而 g=0, 从而 f=f~. |
31. | 仅需依据行列式的逆序数定义对于 i1…ir 是不是 j1…jr 的置换分别进行讨论即可, 此不赘述. |
32. | (1) r!1δj1…jrk1…krδk1…krjr+1…jr+si1…ir+s=r!1δj1…jrk1…krδk1…kri1…irδjr+1…jr+sir+1…ir+s=r!∣S(r)∣δj1…jri1…irδjr+1…jr+sir+1…ir+s=δj1…jr+si1…ir+s. (2) 所求即为 n 个数中任取 r 个的排列, 从而 δi1…iri1…ir=Prn=(n−r)!n!. |
33. | 对于任意的 σ∈S 有deta=sign(σ)ai1σ(i1)⋯ainσ(in),因此deta=n!1σ∈S∑sign(σ)ai1σ(i1)⋯ainσ(in)=n!1δj1⋯jni1⋯inai1j1⋯ainjn. |
34. | 构造 (r,r) 型张量 f(α1,⋯,αr,v1,⋯,vr):=∑σ∈S(r)sign(σ)α1(vσ(1)))⋯αr(vσ(r)) 取定 V 的一组基 {ei} 和对偶基 {ei}, 则 f 在这组基下的分量fj1⋯jri1⋯ir=f(ei1,⋯,eir,ej1,⋯,ejr)=σ∈S(r)∑sign(σ)ei1(ejσ(1)))⋯eir(ejσ(r))=σ∈S(r)∑sign(σ)δjσ(1)i1⋯δjσ(r)ir=δj1⋯jri1⋯ir. |
35. | 不能, 因为该分量不是协变的. 事实上, 任取一个基变换, 容易发现该张量一定与基选取有关. |
36. | 设 {ei} 是另一组基, 满足 ei=aijδj. 设 (bˉij) 是 f 在基 {ei} 下的表示矩阵, 则 bˉij=aimcnjbmn. 其中 (cij) 是 (aij) 的逆矩阵. 在基底 {ei} 下计算得B~r′=δj1⋯jri1⋯irbˉi1j1⋯bˉirjr=δj1⋯jri1⋯ir(ai1m1cn1j1bm1n1)⋯(airmrcnrjrbmrnr)=σ∈S(r)∑δiσ(1)⋯iσ(r)i1⋯ir(ai1m1cn1iσ(1)bm1n1)⋯(airmrcnriσ(r)bmrnr)=σ∈S(r)∑sign(σ)(ai1m1cnσ−1(1)i1)⋯(airmrcnσ−1(r)ir)bm1n1⋯bmrnr=σ∈S(r)∑sign(σ)δnσ−1(1)m1⋯δnσ−1(r)mrbm1n1⋯bmrnr=det(δnjmi)bm1n1⋯bmrnr=δn1⋯nrm1⋯mrbm1n1⋯bmrnr=B~r. |
37. | 见 P40,41. |
38. | 设 {ei},{ei} 是另一组基和对偶基. 设 ei=aijδj, 则 ei=cijδj, 其中 (cij) 是 (aij) 的逆矩阵. 那么1≤i1<⋯<ir≤n∑(ei1∧⋯∧eir)⊗(ei1∧⋯∧eir)=r!1(ei1∧⋯∧eir)⊗(ei1∧⋯∧eir)=r!1ai1j1⋯airjrck1i1⋯ckrir(δj1∧⋯∧δjr)⊗(δk1∧⋯∧δkr)=r!1δk1j1⋯δkrjr(δj1∧⋯∧δjr)⊗(δk1∧⋯∧δkr)=r!1(δj1∧⋯∧δjr)⊗(δj1∧⋯∧δjr)=1≤j1<⋯<jr≤n∑(δj1∧⋯∧δjr)⊗(δj1∧⋯∧δjr). |
39. | 这是第 43 题的特殊情况. |
41. | 由第 37 题, δi1∧⋯δir(u1,⋯,ur)=det(ulik). 设 αk=αikδi, 则α1∧⋯αr(u1,⋯,ur)=i1,⋯,ir∑αi11⋯αirrδi1∧δir(u1,⋯,ur)=i1,⋯,ir∑αi11⋯αirrdet(ulik)=i1,⋯,ir∑det(αikkulik)=det((i=1∑nαikδi)ul)=det(αk(ul)). |
42. | x1∧⋯∧xr=i1,⋯,ir∑a1i1⋯arirei1∧⋯∧eir=i1<⋯<ir∑σ∑a1iσ(1)⋯ariσ(r)eiσ(1)∧⋯∧eiσ(r)=i1<⋯<ir∑σ∑sign(σ)a1iσ(1)⋯ariσ(r)ei1∧⋯∧eir=i1<⋯<ir∑det(alik)ei1∧⋯∧eir. |
43. | φ∧ψ(v1,⋯,vr+s)=r!s!1σ∑sign(σ)φ⊗ψ(vσ(1),⋯,vσ(r+s))=r!s!1i1,⋯,ir∑φ(vi1,⋯,vir)σ(k)=ik∑sign(σ)ψ(vσ(r+1),⋯,vσ(r+s))=i1<⋯<irir+1<⋯<ir+s∑sign(σi1,⋯,ir)φ(vi1,⋯,vir)ψ(vir+1,⋯,vir+s),其中 σi1,⋯,ir(1,2,⋯,r+s)=(i1,⋯,ir,ir+1,⋯,ir+s), 故 sign(σi1,⋯,ir)=δ1,⋯,r+si1,⋯,ir+s, 代入即证. |
44. | (1) | 易证. | (2) | i(u1)(φ∧ψ)(u2,⋯,ur+s)=i1<⋯<irir+1<⋯<ir+s∑δ1,⋯,r+si1,⋯,ir+sφ(ui1,⋯,uir)ψ(uir+1,⋯,uir+s)=i1<⋯<irir+1<⋯<ir+s∑[1∈{i1,⋯,ir}∑δ1,2,⋯,r+s1,i2,⋯,ir+sφ(u1,ui2,⋯,uir)ψ(uir+1,⋯,uir+s) +1∈/{i1,⋯,ir}∑δ1,⋯,r,r+1,r+2,⋯,r+si1,⋯,ir,1,ir+2,⋯,ir+sφ(ui1,⋯,uir)ψ(u1,uir+2,⋯,uir+s)]=i2<⋯<irir+1<⋯<ir+s∑δ2,⋯,r+si2,⋯,ir+s(i(u1)φ)(ui2,⋯,uir)ψ(uir+1,⋯,uir+s) +(−1)ri1<⋯<irir+2<⋯<ir+s∑δ2,⋯,r+1,r+2,⋯,r+si1,⋯,ir,ir+2,⋯,ir+sφ(ui1,⋯,uir)(i(u1)ψ)(uir+2,⋯,uir+s)=((i(u1)φ)∧ψ+(−1)rφ∧(i(u1)ψ))(u2,⋯,ur+s). |
|
45. | (1) | 易证. | (2) | e(α)(φ∧ψ)=α∧(φ∧ψ)=(α∧φ)∧ψ=(e(α)φ)∧ψ, (α∧φ∧ψ)(u1,⋯,ur+s+1)s=(φ∧α∧ψ)(u2,⋯,ur+1,u1,ur+2,⋯,ur+s+1)=(−1)r(φ∧α∧ψ)(u1,⋯,ur+s+1),故 e(α)(φ∧ψ)=(−1)rφ∧(α∧ψ)=(−1)rφ∧(e(α)(ψ)). |
|
46. | 由第 44、45 题, i(u)∘e(α)φ+e(α)∘i(u)φ=(i(u)α)∧φ−α∧(i(u)φ)+α∧(i(u)φ)=α(u)φ.即证. |
47. | (1)(2) 我们直接证明 (2) 的 n≥1 的情形. n=1 显然成立. 对 n 归纳: 假设 n 已成立, 对于 dimV=n+1 中的 n 次外形式Ω=i=1∑n+1aiδ1∧⋯∧δi^∧⋯∧δn+1,ai 不全为 0, {δi} 为 V 的一组基. 考虑 ψ=∑biδi, 则 ψ∧Ω=(∑aibi(−1)i+1)δ1∧⋯∧δn+1, 易见存在 {bi} 使得 ∑aibi(−1)i+1=0. 即存在 ψ 使得 ψ∧Ω=0. 由定理 5.8 (P43) , 存在 φ 使得 Ω=ψ∧φ. 注意到存在 W,dimW=n 使得 V∗=Rψ⊕W∗, 考虑 φ 在 W∗ 的投影 φ~, 可见 Ω=ψ∧φ~. 由归纳假设, φ~ 可分解, 于是 Ω 可分解.
(3) 当 dimV=4 时 δ1∧δ2+δ3∧δ4 不可分解, 否则存在 i=1∑4aiδi=0 使得 (i=1∑4aiδi)∧(δ1∧δ2+δ3∧δ4)=0, 展开得 a1=a2=a3=a4=0, 矛盾. |
48. | 设 V∗ 的基底为 {δi}, 2 次外形式 α 可表为 α=i<j∑αijδi∧δj. 假定 αij 不全为 0 , 不妨设 α12=0 , 于是 α=(α12δ1+α32δ3+⋯+αn2δn)∧(δ2+α12α13δ3+⋯+α12α1nδn)+3≤i<j≤n∑αij′δi∧δj=σ1∧σ2+3≤i<j≤n∑αij′δi∧δj,其中 σ1=α12δ1+α32δ3+⋯+αn2δn,σ2=δ2+α12α13δ3+⋯+α12α1nδn. 若 αij′ 不全为零, 不妨设 α34′=0, 继续上面的过程. 因 n 是有限数, 故上述步骤必在有限步之后终止, 即 α 可表成α=σ1∧σ2+⋯+σ2r−1∧σ2r,易见 σ1,⋯,σ2r 是线性无关的 1 次形式. 由 σ2i−1∧σ2i∧σ2j−1∧σ2j=σ2j−1∧σ2j∧σ2i−1∧σ2i 可得 αr=r!σ1∧σ2∧⋯∧σ2r−1∧σ2r=0, 由 αr+1 为高于 2r 次的外形式得 αr+1=0, 所以 2r 只与 α 有关. Remark: 可以直接通过反对称二次型的合同标准型说明. |
49. | (1) 对称性和双线性是显然的. 由于 (⟨vα,vβ⟩)α,β 为内积的 Gram 矩阵, 于是正定性成立. (2)⟨δi1∧⋯∧δip,δj1∧⋯∧δjp⟩=det(δiαjβ)=δj1⋯jpi1⋯ip.
|
50. | (1) 注意到映射 ∧pA:i=1∏pV→W 为交错多线性映射, 由 ∧pV 的泛性质, ∧pA:i=1∏pV→W 诱导了 ∧pA:∧pV→W.
(2)∧pA(δi1∧⋯∧δip)=δα1⋯αpi1⋯ipai1α1⋯aipαp.
(3)∧p(AB)(z1,⋯,zp)=(ABz1)∧⋯∧(ABzp)=∧pA(Bz1,⋯,Bzp)=∧pA∘∧pB(z1,⋯,zp). |