رفتن به متن
باغ ریاضی
تمرین ۱ بخش ۱.۲ یافتن چهار بردار مولد برای زیرفضای دوبعدی در F3
تنظیمات مطالعه
تنظیمات مطالعه

تمرین ۱ بخش ۱.۲ یافتن چهار بردار مولد برای زیرفضای دوبعدی در F3

یادداشت شما ذخیره شد

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

تمرین ۱ بخش ۱.۲: یافتن چهار بردار مولد برای زیرفضای دوبعدی در F3

صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

یک لیست از چهار بردار متمایز در F3\mathbb{F}^3 پیدا کنید که گستره (Span) آن برابر با زیرفضای زیر باشد:

U={(x,y,z)∈F3:x+y+z=0}U = \big\{ (x, y, z) \in \mathbb{F}^3 : x + y + z = 0 \big\}

۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله


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

زیرفضای UU با معادله خطی همگن x+y+z=0x + y + z = 0 تعریف شده است.

  1. ابتدا رابطه متغیر وابسته را استخراج می‌کنیم: z=−x−yz = -x - y.
  2. هر بردار متعلق به UU را بر حسب دو پارامتر آزاد xx و yy می‌نویسیم تا دو بردار مولد پایه به دست آیند.
  3. صورت مسئله پایه نخواسته است؛ بلکه لیستی به طول ۴ با بردارهای متمایز خواسته است.
  4. با تولید ترکیب‌های خطی دلخواه از دو بردار مولد اولیه، دو بردار متمایز دیگر متعلق به UU می‌سازیم.
  5. 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)

حل دقیق و بدون پرش محاسباتی

گام اول (بیان پارامتری عناصر زیرفضا): هر بردار (x,y,z)∈U(x, y, z) \in U در شرط z=−x−yz = -x - y صدق می‌کند. بنابراین شکل کلی هر بردار در UU عبارت است از:

(x,y,z)=(x,y,−x−y)(x, y, z) = (x, y, -x - y)

با تفکیک متغیرهای آزاد xx و yy:

(x,y,−x−y)=(x,0,−x)+(0,y,−y)=x(1,0,−1)+y(0,1,−1)(x, y, -x - y) = (x, 0, -x) + (0, y, -y) = x(1, 0, -1) + y(0, 1, -1)

این رابطه نشان می‌دهد که هر بردار از UU به صورت ترکیبی خطی از دو بردار زیر قابل نمایش است:

u1=(1,0,−1),u2=(0,1,−1)u_1 = (1, 0, -1), \quad u_2 = (0, 1, -1)

بنابراین span⁡(u1,u2)=U\operatorname{span}(u_1, u_2) = U.

گام دوم (ساخت دو بردار متمایز جدید در UU): چون زیرفضا نسبت به ترکیب خطی بسته است، هر ترکیب خطی از u1u_1 و u2u_2 نیز عضوی از UU خواهد بود. دو بردار جدید و متمایز می‌سازیم:

  • بردار سوم را برابر مجموع u1u_1 و u2u_2 قرار می‌دهیم: u3=u1+u2=(1,0,−1)+(0,1,−1)=(1,1,−2)u_3 = u_1 + u_2 = (1, 0, -1) + (0, 1, -1) = (1, 1, -2) بررسی تعلق به UU: 1+1+(−2)=01 + 1 + (-2) = 0 (صحیح است).
  • بردار چهارم را برابر تفاضل u1u_1 و u2u_2 قرار می‌دهیم: u4=u1−u2=(1,0,−1)−(0,1,−1)=(1,−1,0)u_4 = u_1 - u_2 = (1, 0, -1) - (0, 1, -1) = (1, -1, 0) بررسی تعلق به UU: 1+(−1)+0=01 + (-1) + 0 = 0 (صحیح است).

گام سوم (بررسی متمایز بودن چهار بردار): چهار بردار به دست آمده عبارتند از:

v1=(1,0,−1),v2=(0,1,−1),v3=(1,1,−2),v4=(1,−1,0)v_1 = (1, 0, -1), \quad v_2 = (0, 1, -1), \quad v_3 = (1, 1, -2), \quad v_4 = (1, -1, 0)

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 UU از طریق شمول دوطرفه): ۱. شمول span⁡(v1,v2,v3,v4)⊆U\operatorname{span}(v_1, v_2, v_3, v_4) \subseteq U: چون v1,v2,v3,v4∈Uv_1, v_2, v_3, v_4 \in U و زیرفضای UU طبق تعریف زیرفضا نسبت به جمع و ضرب اسکالر بسته است، هر ترکیب خطی از این چهار بردار نیز در UU قرار دارد.

۲. شمول U⊆span⁡(v1,v2,v3,v4)U \subseteq \operatorname{span}(v_1, v_2, v_3, v_4): فرض کنید u∈Uu \in U. در گام اول ثابت کردیم که هر عنصر از UU ترکیبی خطی از v1v_1 و v2v_2 است:

u=xv1+yv2=xv1+yv2+0v3+0v4u = x v_1 + y v_2 = x v_1 + y v_2 + 0 v_3 + 0 v_4

که مستقیماً ترکیبی خطی از کل لیست چهار عضوی است. پس u∈span⁡(v1,v2,v3,v4)u \in \operatorname{span}(v_1, v_2, v_3, v_4).

بنابراین گستره لیست چهار بردار متمایز فوق دقیقاً برابر با UU است ■\blacksquare


۴. دام‌های رایج در حل این تیپ مسئله

نکات باریک‌تر از مو

  • 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 (1,0,−1)(1, 0, -1) دو بار در لیست) شرط صورت سوال مبنی بر «چهار بردار متمایز» را نقض می‌کند.

۵. پیوندها

پیوندهای این یادداشت ۴

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

  • 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.


  • تعریف ۷.۲ گسترش دادن فضا (مجموعه مولد)
    پیش‌نمایش

    تعریف ۷.۲: گسترش دادن فضا (مجموعه مولد / Spanning Set)

    چکیده مفهومی

    اگر با ترکیب‌های خطی یک لیست از بردارها بتوان «تمام» بردارهای یک فضای برداری را بدون کم‌وکاست ساخت، می‌گوییم آن لیست فضا را «گسترش می‌دهد» یا «مولد» آن فضا است.


  • 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 ۱

یادداشت‌هایی که به این صفحه پیوند داده‌اند.

حالت ارائه