تمرین ۸ بخش ۳.۱: زیرمجموعه بسته تحت ضرب اسکالر ولی نه زیرفضا
مثالی از یک زیرمجموعهی ناتهی از بیاورید به طوری که تحت ضرب اسکالر بسته باشد، اما یک زیرفضا از نباشد.
۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله
- دادههای مسئله:
- فضای برداری .
- حکم مسئله:
- ساخت یک زیرمجموعه به طوری که:
- (بسته تحت ضرب اسکالر)
- زیرفضا نباشد (یعنی لزوماً تحت جمع بسته نباشد).
- ساخت یک زیرمجموعه به طوری که:
- چکلیست ابزارهای مورد نیاز:
- تعریف ۳۱.۱ زیرفضا
- رفتار هندسی خطوط و اجتماع خطوط گذرنده از مبدا
۲. ایده و استراتژی حل (Problem-Solving Strategy)
- اگر مجموعهای از خطوط گذرنده از مبدا تشکیل شده باشد، ضرب هر بردار در هر اسکالر تنها آن بردار را روی همان خط منبسط یا منقبض میکند؛ بنابراین چنین مجموعهای همواره تحت ضرب اسکالر بسته است.
- اما اگر دو خط مختلف گذرنده از مبدا را با هم متحد کنیم (اجتماع دو خط)، جمع یک بردار از خط اول با یک بردار از خط دوم برداری تولید میکند که روی هیچیک از آن دو خط قرار ندارد!
- سادهترین انتخاب: اجتماع محورهای مختصات و .
۳. حل تشریحی گامبهگام (Step-by-Step Solution)
گام اول: تعریف مجموعه مجموعه را اجتماع دو محور مختصات و در تعریف میکنیم:
گام دوم: بررسی ناتهی بودن بردار صفر است، بنابراین .
گام سوم: اثبات بسته بودن تحت ضرب اسکالر فرض کنید و یک اسکالر دلخواه باشد. طبق تعریف ، داریم (یعنی حداقل یکی از مؤلفهها صفر است). بردار ضرب اسکالر برابر است با . حاصلضرب مؤلفههای آن را حساب میکنیم:
بنابراین بردار نیز در شرط صدق میکند و . این نشان میدهد که تحت ضرب اسکالر کاملاً بسته است.
گام چهارم: اثبات زیرفضا نبودن (شکست بستگی تحت جمع) دو بردار زیر را انتخاب میکنیم که هر دو عضو هستند:
حال حاصلجمع این دو بردار را محاسبه میکنیم:
آیا است؟ حاصلضرب مؤلفهها: . بنابراین:
نتیجهگیری: مجموعه تحت جمع بسته نیست، بنابراین یک زیرفضای نمیباشد. این مجموعه دقیقاً ویژگیهای خواسته شده را داراست.
۴. دامهای رایج در حل این تیپ مسئله
- توجه به استقلال شروط سهگانه: این تمرین و تمرین ۷ نشان میدهند که شروط «بستگی تحت جمع» و «بستگی تحت ضرب اسکالر» از نظر منطقی کاملاً مستقل از یکدیگرند؛ برقراری یکی هرگز دیگری را تضمین نمیکند.
۵. پیوندها
- مفاهیم تئوری مرتبط: تعریف ۳۱.۱ زیرفضا | قضیه ۳۲.۱ شرایط سهگانه | مثال ۳۳.۱
- فهرست تمرینهای این بخش: 00-MOCs/MOC حل تمرینات جبر خطی