رفتن به متن
باغ ریاضی
تمرین ۳ بخش ۱.۲ برابری گستره بردارها با مجموع‌های جزئی آن‌ها
تنظیمات مطالعه
تنظیمات مطالعه

تمرین ۳ بخش ۱.۲ برابری گستره بردارها با مجموع‌های جزئی آن‌ها

یادداشت شما ذخیره شد

می‌خواهید این تغییرات برای مدیر وب‌سایت هم ارسال شوند؟ نسخهٔ رسمی تنها پس از تأیید تغییر می‌کند.

تمرین ۳ بخش ۱.۲: برابری گستره بردارها با مجموع‌های جزئی آن‌ها

صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

فرض کنید v1,…,vmv_1, \dots, v_m یک لیست از بردارها در VV است. برای هر k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\}، فرض کنید

wk=v1+⋯+vkw_k = v_1 + \dots + v_k

نشان دهید:

span⁡(v1,…,vm)=span⁡(w1,…,wm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) = \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m)

۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله

  • داده‌های مسئله:
    • لیست دلخواه از بردارها v1,…,vm∈Vv_1, \dots, v_m \in V.
    • بردارهای wkw_k به عنوان مجموع جزئی تعریف شده‌اند: w1=v1,w2=v1+v2,…,wm=v1+⋯+vmw_1 = v_1, \quad w_2 = v_1 + v_2, \quad \dots, \quad w_m = v_1 + \dots + v_m
  • حکم مسئله:
    • اثبات برابری گستره دو مجموعه: span⁡(v1,…,vm)=span⁡(w1,…,wm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) = \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m).
  • چک‌لیست ابزارهای مورد نیاز:

۲. ایده و استراتژی حل (Problem-Solving Strategy)

برای اثبات برابری دو گستره span⁡(S1)=span⁡(S2)\operatorname{span}(S_1) = \operatorname{span}(S_2)، استراتژی استاندارد ریاضی اثبات دو شمول متقابل است:

  1. نشان دهیم هر بردار از لیست دوم ترکیبی خطی از لیست اول است، پس span⁡(w1,…,wm)⊆span⁡(v1,…,vm)\operatorname{span}(w_1, \dots, w_m) \subseteq \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m).
  2. نشان دهیم هر بردار از لیست اول ترکیبی خطی از لیست دوم است (با تبدیل تفاضلی vk=wk−wk−1v_k = w_k - w_{k-1})، پس span⁡(v1,…,vm)⊆span⁡(w1,…,wm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) \subseteq \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m).

۳. حل تشریحی گام‌به‌گام (Step-by-Step Solution)

حل دقیق و بدون پرش محاسباتی

گام اول (اثبات شمول اول: span⁡(w1,…,wm)⊆span⁡(v1,…,vm)\operatorname{span}(w_1, \dots, w_m) \subseteq \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m)): طبق تعریف مسئله، برای هر k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\} داریم:

wk=1v1+1v2+⋯+1vk+0vk+1+⋯+0vmw_k = 1 v_1 + 1 v_2 + \dots + 1 v_k + 0 v_{k+1} + \dots + 0 v_m

بنابراین هر بردار wkw_k صراحتاً یک ترکیب خطی از بردارهای v1,…,vmv_1, \dots, v_m است. نتیجه می‌شود که:

wk∈span⁡(v1,…,vm)(∀k∈{1,…,m})w_k \in \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) \quad (\forall k \in \{1, \dots, m\})

از آنجا که span⁡(v1,…,vm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) یک زیرفضا است (طبق قضیه ۶.۲ آکسلر) و نسبت به تمام ترکیب‌های خطی بسته است، گستره هر زیرمجموعه‌ای از آن نیز در آن قرار می‌گیرد:

span⁡(w1,…,wm)⊆span⁡(v1,…,vm)\operatorname{span}(w_1, \dots, w_m) \subseteq \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m)

گام دوم (اثبات شمول معکوس: span⁡(v1,…,vm)⊆span⁡(w1,…,wm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) \subseteq \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m)): اکنون باید نشان دهیم که هر بردار vkv_k را می‌توان به صورت ترکیبی خطی از w1,…,wmw_1, \dots, w_m بیان کرد:

  • برای k=1k = 1: v1=w1v_1 = w_1
  • برای هر k∈{2,…,m}k \in \{2, \dots, m\}: wk−wk−1=(v1+⋯+vk−1+vk)−(v1+⋯+vk−1)=vkw_k - w_{k-1} = (v_1 + \dots + v_{k-1} + v_k) - (v_1 + \dots + v_{k-1}) = v_k یعنی: vk=wk−wk−1=1⋅wk+(−1)⋅wk−1v_k = w_k - w_{k-1} = 1 \cdot w_k + (-1) \cdot w_{k-1} بنابراین به ازای هر k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\}، بردار vkv_k ترکیبی خطی از بردارهای w1,…,wmw_1, \dots, w_m است. در نتیجه: vk∈span⁡(w1,…,wm)(∀k∈{1,…,m})v_k \in \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m) \quad (\forall k \in \{1, \dots, m\}) چون تمام مولدهای گستره سمت چپ در گستره سمت راست قرار دارند، هر ترکیب خطی از آن‌ها نیز در گستره سمت راست خواهد بود: span⁡(v1,…,vm)⊆span⁡(w1,…,wm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) \subseteq \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m)

گام سوم (نتیجه‌گیری): از برقراری همزمان دو شمول گام اول و دوم، تساوی دقیق مجموعه‌ها حاصل می‌شود:

span⁡(v1,…,vm)=span⁡(w1,…,wm)■\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) = \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m) \quad \blacksquare

۴. دام‌های رایج در حل این تیپ مسئله

نکات باریک‌تر از مو

  • تک‌بعدی دیدن اثبات: اثبات اینکه wkw_k ترکیبی از viv_iها است تنها نیمی از نمره را دارد! برای اثبات تساوی دو فضا همیشه باید بازگشت‌پذیری رابطه جبری را با صراحت نشان دهید.
  • استفاده غیرضروری از ماتریس‌ها: برخی دانشجویان ماتریس تبدیل بالا‌مثلثی با درایه‌های ۱ روی قطر تشکیل داده و از دترمینان آن استفاده می‌کنند. رویکرد آکسلر کاملاً ماتریس‌پرهیز (Matrix-free) است؛ بیان صریح رابطه vk=wk−wk−1v_k = w_k - w_{k-1} خالص‌ترین و اصیل‌ترین برهان جبری است.

۵. پیوندها

پیوندهای این یادداشت ۴

یادداشت‌هایی که از این صفحه به آن‌ها پیوند داده شده است.

  • تعریف ۲.۲ ترکیب خطی
    پیش‌نمایش

    تعریف ۲.۲: ترکیب خطی (Linear Combination)

    چکیده مفهومی

    ترکیب خطی یعنی ساختن یک بردار جدید از یک لیست از بردارها، تنها با استفاده از دو عمل مجاز جبر خطی: «ضرب هر بردار در یک اسکالر» و سپس «جمع کردن همه آن‌ها با هم».


  • تعریف ۴.۲ گستره (Span)
    پیش‌نمایش

    تعریف ۴.۲: گستره (Span)

    چکیده مفهومی

    گستره یا اسپن (Span) یک لیست از بردارها، «قلمرو نفوذ» یا «تمام بردارهایی» است که می‌توان با ایجاد هرگونه ترکیب خطی از آن بردارها ساخت.


  • قضیه ۶.۲ گستره کوچکترین زیرفضای شامل لیست بردارهاست
    پیش‌نمایش

    قضیه ۶.۲: گستره کوچکترین زیرفضای شامل لیست بردارهاست

    پیام کلیدی قضیه در یک جمله

    گستره هر لیست از بردارها، خود یک زیرفضای برداری معتبر است؛ و نه یک زیرفضای تصادفی، بلکه «کوچک‌ترین» زیرفضایی از کل فضا است که تک‌تک آن بردارها را در بر می‌گیرد (بستار خطی بردارها).


  • MOC حل تمرینات جبر خطی
    پیش‌نمایش

    ✍️ نقشه راه و بانک جامع حل تمرینات جبر خطی آکسلر (فصل ۱ و ۲)

    حل تشریحی ۱۰۰٪ تمرینات کتاب بدون پرش محاسباتی

    تمام ۹۸ تمرین پایان بخش‌های فصول اول و دوم کتاب جبر خطی آکسلر (ویرایش چهارم ترجمه فارسی) با جزئیات کامل، تحلیل استراتژی حل، اثبات گام‌به‌گام و هشدارهای امتحانی نوشته و طبقه‌بندی شده‌اند.


ارجاعات به این یادداشت ۲

یادداشت‌هایی که به این صفحه پیوند داده‌اند.

حالت ارائه