تمرین ۵ بخش ۱.۲: یافتن مقدار پارامتر برای وابستگی خطی سه بردار در R3
عدد را پیدا کنید به طوری که لیست بردارها
در مستقل خطی نباشد (یعنی وابسته خطی باشد).
۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله
- دادههای مسئله:
- سه بردار در :
- حکم مسئله:
- تعیین مقدار دقیق به گونهای که لیست وابسته خطی شود.
- چکلیست ابزارهای مورد نیاز:
۲. ایده و استراتژی حل (Problem-Solving Strategy)
روشهای دترمینان و ماتریس در فصلهای نخست کتاب آکسلر وجود ندارند. ما از رویکرد ناب جبری با استفاده از لم وابستگی خطی (۱۹.۲ آکسلر) مسئله را حل میکنیم:
- ابتدا بررسی میکنیم که آیا دو بردار اول مستقل خطی هستند؟ طبق تمرین ۴، دو بردار مستقلند اگر هیچکدام مضرب دیگری نباشد.
- با اثبات استقلال خطی ، طبق لم وابستگی خطی، لیست سه عضوی وابسته خطی خواهد بود اگر و تنها اگر بردار سوم در گستره دو بردار اول قرار گیرد:
- معادله را تشکیل داده و با استفاده از دو مؤلفه اول، مقادیر یکتای ضرایب و را مییابیم.
- با جایگذاری در مؤلفه سوم، مقدار پارامتر را به دست میآوریم.
۳. حل تشریحی گامبهگام (Step-by-Step Solution)
گام اول (بررسی استقلال خطی دو بردار نخست): دو بردار اول را در نظر بگیرید:
اگر برای اسکلاری چون ، آنگاه از مؤلفه دوم باید داشته باشیم . اما در مؤلفه اول: . پس مضرب اسکالر نیست و هیچیک نیز صفر نیستند. طبق تمرین ۴(ب)، لیست مستقل خطی است.
گام دوم (اعمال لم وابستگی خطی آکسلر): طبق لم وابستگی خطی (لم ۱۹.۲)، اگر لیستی وابسته خطی باشد و اولین بردار آن صفر نباشد، عنصری در لیست وجود دارد که در گستره بردارهای قبل از خود قرار دارد. چون مستقل است و نیز مستقل است، تنها عنصری که میتواند در گستره عناصر ماقبل خود قرار گیرد بردار سوم یعنی است. بنابراین لیست وابسته خطی است اگر و فقط اگر:
یعنی اسکالرهایی مانند وجود داشته باشند به طوری که:
گام سوم (حل دستگاه روابط جبری): معادله برداری فوق به دستگاه معادلات زیر برای هر مؤلفه تجزیه میشود:
از معادله مؤلفه دوم، را بر حسب به دست میآوریم:
این مقدار را در معادله مؤلفه اول جایگذاری میکنیم:
حال مقدار را محاسبه میکنیم:
گام چهارم (محاسبه مقدار و اعتبارسنجی): با داشتن مقادیر یکتای ضرایب و ، آنها را در معادله مؤلفه سوم قرار میدهیم:
بررسی صحت نتیجه: اگر باشد، ترکیب خطی زیر را تشکیل میدهیم:
ضرایب ترکیب خطی عبارتند از که هیچکدام صفر نیستند؛ بنابراین بردارها وابسته خطی هستند.
مقدار مورد نظر برابر است با:
۴. دامهای رایج در حل این تیپ مسئله
- استفاده از روش دترمینان: استفاده از دترمینان برای صفر کردن ماتریس گرچه جواب عددی را میدهد، اما خارج از ساختار آموزشی فصل دوم کتاب آکسلر است که بر پایه مفهوم گستره و لم وابستگی خطی بنا شده است.
- اشتباهات علامتی در حل دستگاه: دقت در منفی بودن ضرایب (مانند در مؤلفه دوم) از بروز خطاهای رایج محاسباتی جلوگیری میکند.
۵. پیوندها
- مفاهیم تئوری مرتبط: تعریف ۱۵.۲ استقلال خطی | تعریف ۱۷.۲ وابستگی خطی | لم ۱۹.۲ لم وابستگی خطی (Linear Dependence Lemma)
- فهرست تمرینهای این بخش: 00-MOCs/MOC حل تمرینات جبر خطی