题目
四、(本题满分15分)熟知实数域R上的一元多项式集合R[x]在多项式加法和数乘下构成R上的一个线性空间.设f_(i)(x)in R[x]且次数为n_(i),1leq ileq2024,这里规定零多项式的次数为-∞,已知sum_(i=1)^2024n_(i)<2047276证明:f_(1)(x),f_(2)(x),...,f_(2024)(x)为空间R[x]中线性相关的向量组.
四、(本题满分15分)熟知实数域R上的一元多项式集合R[x]在多项式加法和数乘下构成R上的一
个线性空间.设$f_{i}(x)\in R[x]$且次数为$n_{i},1\leq i\leq2024$,这里规定零多项式的次数为-∞,已知
$\sum_{i=1}^{2024}n_{i}<2047276$
证明:$f_{1}(x),f_{2}(x),\cdots,f_{2024}(x)$为空间R[x]中线性相关的向量组.
题目解答
答案
为了证明 $ f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) $ 是空间 $ R[x] $ 中线性相关的向量组,我们需要使用多项式的次数和线性相关性的性质。
首先,回忆一下,多项式 $ f(x) $ 的次数,记作 $ \deg(f(x)) $,是 $ f(x) $ 中 $ x $ 的最高幂次。零多项式的次数被定义为 $ -\infty $。
已知 $ f_i(x) $ 的次数为 $ n_i $ 对于 $ 1 \leq i \leq 2024 $,且这些次数的和满足不等式:
\[
\sum_{i=1}^{2024} n_i < 2047276
\]
我们需要证明 $ f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) $ 是线性相关的。一个向量组是线性相关的,如果存在 $ f_i(x) $ 的非零线性组合等于零多项式。换句话说,存在不全为零的标量 $ a_1, a_2, \cdots, a_{2024} \in \mathbb{R} $ 使得:
\[
a_1 f_1(x) + a_2 f_2(x) + \cdots + a_{2024} f_{2024}(x) = 0
\]
考虑 $ f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) $ 中次数最高的多项式。设 $ f_k(x) $ 是次数最高的多项式,即 $ \deg(f_k(x)) = n_k \geq n_i $ 对于所有 $ i \neq k $。如果 $ f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) $ 是线性无关的,那么它们的任何非零线性组合的次数等于该线性组合中次数最高的多项式的次数。然而,由于 $ f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) $ 的次数之和小于2047276,且有2024个多项式,平均次数为:
\[
\frac{\sum_{i=1}^{2024} n_i}{2024} < \frac{2047276}{2024} = 1011.5
\]
这意味着至少有一个多项式的次数小于1011.5。由于次数是整数,至少有一个多项式的次数至多为1011。因此,多项式的最高可能次数为1011,而2024个次数至多为1011的多项式不能张成一个维度大于1012的空间。由于 $ R[x] $ 中由次数至多为1011的多项式构成的空间的维度为1012,2024个这样的多项式必须是线性相关的。
因此,$ f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) $ 是空间 $ R[x] $ 中线性相关的向量组。最终答案是:
\[
\boxed{f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x) \text{ 是线性相关的}}
\]
解析
本题考查线性空间中向量组线性相关性的判定,解题的关键思路是利用多项式次数的性质以及线性空间维度的概念来证明给定的多项式向量组线性相关。
- 明确线性相关的定义:
若存在不全为零的实数 $a_1, a_2, \cdots, a_{2024}$,使得 $a_1 f_1(x) + a_2 f_2(x) + \cdots + a_{2024} f_{2024}(x) = 0$,则称向量组 $f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x)$ 线性相关。 - 计算平均次数:
已知 $\sum_{i = 1}^{2024} n_i < 2047276$,根据平均数的计算公式,这 $2024$ 个多项式次数的平均值为 $\frac{\sum_{i = 1}^{2024} n_i}{2024}$。
因为 $\sum_{i = 1}^{2024} n_i < 2047276$,所以 $\frac{\sum_{i = 1}^{2024} n_i}{2024}<\frac{2047276}{2024}$。
计算 $\frac{2047276}{2024}$:
$\frac{2047276}{2024}=\frac{2024\times1011 + 2047276 - 2024\times1011}{2024}=1011+\frac{2047276 - 2046264}{2024}=1011+\frac{1012}{2024}=1011.5$
即 $\frac{\sum_{i = 1}^{2024} n_i}{2024}<1011.5$。 - 确定多项式的最高可能次数:
由于平均数小于 $1011.5$,根据平均数的性质,至少有一个多项式的次数小于 $1011.5$。
又因为多项式的次数是整数,所以至少有一个多项式的次数至多为 $1011$。
这意味着这 $2024$ 个多项式中,最高次数不会超过 $1011$。 - 利用线性空间维度判断线性相关性:
实数域 $\mathbb{R}$ 上次数不超过 $m$ 的一元多项式构成的线性空间 $\mathbb{R}_m[x]$ 的维数是 $m + 1$。
在这里 $m = 1011$,所以由次数至多为 $1011$ 的多项式构成的线性空间的维数为 $1011 + 1 = 1012$。
而现在有 $2024$ 个多项式,向量组中向量的个数 $2024$ 大于线性空间的维数 $1012$。
根据线性空间的性质,在一个 $n$ 维线性空间中,任意 $m(m>n)$ 个向量一定线性相关。
所以 $f_1(x), f_2(x), \cdots, f_{2024}(x)$ 是线性相关的。