تمرین ۱ بخش ۱.۲: یافتن چهار بردار مولد برای زیرفضای دوبعدی در F3
یک لیست از چهار بردار متمایز در پیدا کنید که گستره (Span) آن برابر با زیرفضای زیر باشد:
۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله
- دادههای مسئله:
- فضای برداری روی میدان (مانند یا ).
- زیرفضای .
- حکم مسئله:
- یافتن یک لیست متشکل از ۴ بردار متمایز در به طوری که .
- چکلیست ابزارهای مورد نیاز:
۲. ایده و استراتژی حل (Problem-Solving Strategy)
زیرفضای با معادله خطی همگن تعریف شده است.
- ابتدا رابطه متغیر وابسته را استخراج میکنیم: .
- هر بردار متعلق به را بر حسب دو پارامتر آزاد و مینویسیم تا دو بردار مولد پایه به دست آیند.
- صورت مسئله پایه نخواسته است؛ بلکه لیستی به طول ۴ با بردارهای متمایز خواسته است.
- با تولید ترکیبهای خطی دلخواه از دو بردار مولد اولیه، دو بردار متمایز دیگر متعلق به میسازیم.
- طبق قضیه گستره، افزودن بردارهایی که خود در گستره قرار دارند، گستره را تغییر نمیدهد و شمول دوطرفه برقرار خواهد بود.
۳. حل تشریحی گامبهگام (Step-by-Step Solution)
گام اول (بیان پارامتری عناصر زیرفضا): هر بردار در شرط صدق میکند. بنابراین شکل کلی هر بردار در عبارت است از:
با تفکیک متغیرهای آزاد و :
این رابطه نشان میدهد که هر بردار از به صورت ترکیبی خطی از دو بردار زیر قابل نمایش است:
بنابراین .
گام دوم (ساخت دو بردار متمایز جدید در ): چون زیرفضا نسبت به ترکیب خطی بسته است، هر ترکیب خطی از و نیز عضوی از خواهد بود. دو بردار جدید و متمایز میسازیم:
- بردار سوم را برابر مجموع و قرار میدهیم: بررسی تعلق به : (صحیح است).
- بردار چهارم را برابر تفاضل و قرار میدهیم: بررسی تعلق به : (صحیح است).
گام سوم (بررسی متمایز بودن چهار بردار): چهار بردار به دست آمده عبارتند از:
با مقایسه مؤلفهای آشکار است که هیچ دو برداری از این چهار بردار با یکدیگر برابر نیستند، یعنی هر چهار بردار دوبهدو متمایزند.
گام چهارم (اثبات تساوی گستره با از طریق شمول دوطرفه): ۱. شمول : چون و زیرفضای طبق تعریف زیرفضا نسبت به جمع و ضرب اسکالر بسته است، هر ترکیب خطی از این چهار بردار نیز در قرار دارد.
۲. شمول : فرض کنید . در گام اول ثابت کردیم که هر عنصر از ترکیبی خطی از و است:
که مستقیماً ترکیبی خطی از کل لیست چهار عضوی است. پس .
بنابراین گستره لیست چهار بردار متمایز فوق دقیقاً برابر با است
۴. دامهای رایج در حل این تیپ مسئله
- خلط مبحث میان «مجموعه مولد» و «پایه»: برخی تصور میکنند چون بعد زیرفضا برابر ۲ است، لیست مولد حتماً باید دقیقاً ۲ عضو داشته باشد. اما گستره میتواند شامل هر تعداد بردار متناهی (یا نامتناهی) باشد، به شرط آنکه بردارهای اضافه خود درون فضا باشند و استقلال خطی از بین برود ولی گستره حفظ شود.
- فراموشی شرط متمایز بودن: تکرار یک بردار (مثلاً قرار دادن بردار دو بار در لیست) شرط صورت سوال مبنی بر «چهار بردار متمایز» را نقض میکند.
۵. پیوندها
- مفاهیم تئوری مرتبط: تعریف ۴.۲ گستره (Span) | تعریف ۷.۲ گسترش دادن فضا (مجموعه مولد) | قضیه ۶.۲ گستره کوچکترین زیرفضای شامل لیست بردارهاست
- فهرست تمرینهای این بخش: 00-MOCs/MOC حل تمرینات جبر خطی