رفتن به متن
باغ ریاضی
تمرین ۲۱ بخش ۳.۱ یافتن متمم جمع مستقیم برای زیرفضایی در F5
تنظیمات مطالعه
تنظیمات مطالعه

تمرین ۲۱ بخش ۳.۱ یافتن متمم جمع مستقیم برای زیرفضایی در F5

یادداشت شما ذخیره شد

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

تمرین ۲۱ بخش ۳.۱: یافتن متمم جمع مستقیم برای زیرفضایی در F5\mathbb{F}^5

صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

فرض کنید

U={(x,y,x+y,x−y,2x)∈F5:x,y∈F}U = \{(x, y, x + y, x - y, 2x) \in \mathbb{F}^5 : x, y \in \mathbb{F}\}

یک زیرفضا WW از F5\mathbb{F}^5 پیدا کنید به طوری که

F5=U⊕W\mathbb{F}^5 = U \oplus W

۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله

  • داده‌های مسئله:
    • فضای مادر F5\mathbb{F}^5.
    • زیرفضای دو‌بعدی UU که تمام بردارهای آن توسط دو پارامتر آزاد xx و yy (مؤلفه‌های اول و دوم) کنترل می‌شوند.
  • حکم مسئله:
    • معرفی یک زیرفضای W≤F5W \le \mathbb{F}^5 و اثبات مستقیم برقراری شرایط جمع مستقیم:
      1. U∩W={0}U \cap W = \{\mathbf{0}\}
      2. U+W=F5U + W = \mathbb{F}^5
  • چک‌لیست ابزارهای مورد نیاز:

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

  • در تعریف زیرفضای UU، دو مؤلفه اول و دوم (xx و yy) کاملاً تعیین‌کننده مؤلفه‌های بعدی (سوم، چهارم و پنجم) هستند.
  • بنابراین، اگر مؤلفه‌های اول و دوم را در زیرفضای WW برابر با صفر قرار دهیم و به سه مؤلفه آخر آزادی کامل بدهیم، اشتراک U∩WU \cap W مجبور خواهد شد صفر شود (چون x=0x=0 و y=0y=0 کل بردار UU را صفر می‌کند) و آزادی سه مؤلفه آخر نیز کل فضا را پوشش خواهد داد.
  • انتخاب طبیعی: W={(0,0,a,b,c)∈F5:a,b,c∈F}W = \{(0, 0, a, b, c) \in \mathbb{F}^5 : a, b, c \in \mathbb{F}\}

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

ساخت زیرفضا و اثبات گام‌به‌گام

گام اول: تعریف زیرفضای WW مجموعه WW را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:

W={(0,0,a,b,c)∈F5:a,b,c∈F}W = \{(0, 0, a, b, c) \in \mathbb{F}^5 : a, b, c \in \mathbb{F}\}

به سادگی مشاهده می‌شود که WW شامل بردار صفر است و تحت جمع و ضرب اسکالر بسته است؛ بنابراین WW یک زیرفضای F5\mathbb{F}^5 است (در واقع W=span⁡(e3,e4,e5)W = \operatorname{span}(e_3, e_4, e_5)).

**گام دوم: بررسی شرط اشتراک صفر (U∩W={0})∗∗فرضکنیدبردارU \cap W = \{\mathbf{0}\})** فرض کنید بردار v = (v_1, v_2, v_3, v_4, v_5) \in U \cap W$.

  • از یک سو چون v∈Uv \in U، مقادیر x,y∈Fx, y \in \mathbb{F} وجود دارند به طوری که: v=(x,y,x+y,x−y,2x)v = (x, y, x + y, x - y, 2x)
  • از سوی دیگر چون v∈Wv \in W، دو مؤلفه اول باید صفر باشند: v1=0وv2=0v_1 = 0 \quad \text{و} \quad v_2 = 0 بنابراین: x=v1=0وy=v2=0x = v_1 = 0 \quad \text{و} \quad y = v_2 = 0 با قرار دادن x=0x = 0 و y=0y = 0 در فرمول بردار UU: v=(0,0,0+0,0−0,2(0))=(0,0,0,0,0)=0v = (0, 0, 0 + 0, 0 - 0, 2(0)) = (0, 0, 0, 0, 0) = \mathbf{0} پس تنها بردار مشترک در UU و WW بردار صفر است: U∩W={0}U \cap W = \{\mathbf{0}\}

گام سوم: بررسی شرط مجموع (F5=U+W\mathbb{F}^5 = U + W) فرض کنید v=(v1,v2,v3,v4,v5)∈F5v = (v_1, v_2, v_3, v_4, v_5) \in \mathbb{F}^5 یک بردار دلخواه باشد. می‌خواهیم بردار vv را به صورت حاصل‌جمع v=u+wv = u + w بنویسیم که در آن u∈Uu \in U و w∈Ww \in W. برای عضویت در UU، دو مؤلفه اول باید برابر با v1v_1 و v2v_2 باشند:

x=v1,y=v2x = v_1, \quad y = v_2

بردار متناظر در UU را تشکیل می‌دهیم:

u=(v1,v2,v1+v2,v1−v2,2v1)∈Uu = (v_1, v_2, v_1 + v_2, v_1 - v_2, 2v_1) \in U

حال بردار تفاضل w=v−uw = v - u را محاسبه می‌کنیم:

w=(v1−v1,v2−v2,v3−(v1+v2),v4−(v1−v2),v5−2v1)w = (v_1 - v_1, v_2 - v_2, v_3 - (v_1 + v_2), v_4 - (v_1 - v_2), v_5 - 2v_1)

w=(0,0,v3−v1−v2,v4−v1+v2,v5−2v1)w = (0, 0, v_3 - v_1 - v_2, v_4 - v_1 + v_2, v_5 - 2v_1)

دو مؤلفه اول ww صفر هستند، بنابراین w∈Ww \in W. در نتیجه:

v=u+w∈U+Wv = u + w \in U + W

این نشان می‌دهد که هر بردار از F5\mathbb{F}^5 در U+WU + W قرار دارد، پس:

F5=U+W\mathbb{F}^5 = U + W

نتیجه‌گیری: طبق قضیه ۴۲.۱ آکسلر، چون F5=U+W\mathbb{F}^5 = U + W و U∩W={0}U \cap W = \{\mathbf{0}\}، جمع مستقیم برقرار است:

F5=U⊕W\mathbb{F}^5 = U \oplus W

■\blacksquare


۴. دام‌های رایج در حل این تیپ مسئله

نکات باریک‌تر از مو

  • توجه به بعد فضاها: بعد فضای مادر ۵ و بعد زیرفضای UU برابر ۲ است. بنابراین متمم جمع مستقیم WW حتماً باید زیرفضایی ۳ بعدی باشد. انتخاب ۳ متغیر آزاد در WW تضمین‌کننده پوشش ۳ بعد باقی‌مانده است.

۵. پیوندها

پیوندهای این یادداشت ۴

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

  • تعریف ۳۹.۱ جمع مستقیم (Direct Sum)
    پیش‌نمایش

    تعریف ۳۹.۱: جمع مستقیم (Direct Sum)

    چکیده مفهومی

    جمع مستقیم، کامل‌ترین و تمیزترین حالت جمع چند زیرفضا است؛ حالتی که در آن هیچ‌گونه همپوشانی و اتلاف بُعد وجود ندارد و هر بردار فضا را می‌توان دقیقاً و فقط به یک شیوه یکتا به صورت مجموع عناصری از آن زیرفضاها تجزیه کرد. نماد آن ⊕\oplus (علامت جمع احاطه‌شده با دایره) است.


  • قضیه ۴۲.۱ آزمون جمع مستقیم برای دو زیرفضا (اشتراک صفر)
    پیش‌نمایش

    قضیه ۴۲.۱: آزمون جمع مستقیم برای دو زیرفضا (معیار طلایی اشتراک صفر)

    پیام کلیدی قضیه در یک جمله

    برای دقیقاً دو زیرفضا UU و WW، جمع آنها جمع مستقیم است اگر و تنها اگر اشتراک آنها فقط و فقط شامل بردار صفر باشد (U∩W={0}U \cap W = \{\mathbf{0}\}).


  • تمرین ۲۰ بخش ۳.۱ یافتن متمم جمع مستقیم برای زیرفضایی در F4
    پیش‌نمایش

    تمرین ۲۰ بخش ۳.۱: یافتن متمم جمع مستقیم برای زیرفضایی در F4\mathbb{F}^4

    صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

    فرض کنید

    U={(x,x,y,y)∈F4:x,y∈F}U = \{(x, x, y, y) \in \mathbb{F}^4 : x, y \in \mathbb{F}\}

    یک زیرفضا WW از F4\mathbb{F}^4 پیدا کنید به طوری که

    F4=U⊕W\mathbb{F}^4 = U \oplus W

  • 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