تمرین ۳ بخش ۱.۲: برابری گستره بردارها با مجموعهای جزئی آنها
فرض کنید یک لیست از بردارها در است. برای هر ، فرض کنید
نشان دهید:
۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله
- دادههای مسئله:
- لیست دلخواه از بردارها .
- بردارهای به عنوان مجموع جزئی تعریف شدهاند:
- حکم مسئله:
- اثبات برابری گستره دو مجموعه: .
- چکلیست ابزارهای مورد نیاز:
۲. ایده و استراتژی حل (Problem-Solving Strategy)
برای اثبات برابری دو گستره ، استراتژی استاندارد ریاضی اثبات دو شمول متقابل است:
- نشان دهیم هر بردار از لیست دوم ترکیبی خطی از لیست اول است، پس .
- نشان دهیم هر بردار از لیست اول ترکیبی خطی از لیست دوم است (با تبدیل تفاضلی )، پس .
۳. حل تشریحی گامبهگام (Step-by-Step Solution)
گام اول (اثبات شمول اول: ): طبق تعریف مسئله، برای هر داریم:
بنابراین هر بردار صراحتاً یک ترکیب خطی از بردارهای است. نتیجه میشود که:
از آنجا که 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:
گام دوم (اثبات شمول معکوس: ): اکنون باید نشان دهیم که هر بردار را میتوان به صورت ترکیبی خطی از بیان کرد:
- برای :
- برای هر : یعنی: بنابراین به ازای هر ، بردار ترکیبی خطی از بردارهای است. در نتیجه: چون تمام مولدهای گستره سمت چپ در گستره سمت راست قرار دارند، هر ترکیب خطی از آنها نیز در گستره سمت راست خواهد بود:
گام سوم (نتیجهگیری): از برقراری همزمان دو شمول گام اول و دوم، تساوی دقیق مجموعهها حاصل میشود:
۴. دامهای رایج در حل این تیپ مسئله
- تکبعدی دیدن اثبات: اثبات اینکه ترکیبی از ها 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 خالصترین و اصیلترین برهان جبری است.
۵. پیوندها
- مفاهیم تئوری مرتبط: تعریف ۲.۲ ترکیب خطی | تعریف ۴.۲ گستره (Span) | قضیه ۶.۲ گستره کوچکترین زیرفضای شامل لیست بردارهاست
- فهرست تمرینهای این بخش: 00-MOCs/MOC حل تمرینات جبر خطی