رفتن به متن
باغ ریاضی
تمرین ۸ بخش ۳.۱ زیرمجموعه بسته تحت ضرب اسکالر ولی نه زیرفضا
تنظیمات مطالعه
تنظیمات مطالعه

تمرین ۸ بخش ۳.۱ زیرمجموعه بسته تحت ضرب اسکالر ولی نه زیرفضا

یادداشت شما ذخیره شد

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

تمرین ۸ بخش ۳.۱: زیرمجموعه بسته تحت ضرب اسکالر ولی نه زیرفضا

صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

مثالی از یک زیرمجموعه‌ی ناتهی UU از R2\mathbb{R}^2 بیاورید به طوری که UU تحت ضرب اسکالر بسته باشد، اما UU یک زیرفضا از R2\mathbb{R}^2 نباشد.


۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله

  • داده‌های مسئله:
    • فضای برداری R2\mathbb{R}^2.
  • حکم مسئله:
    • ساخت یک زیرمجموعه U⊆R2U \subseteq \mathbb{R}^2 به طوری که:
      1. U≠∅U \neq \emptyset
      2. ∀c∈R,∀u∈U  ⟹  cu∈U\forall c \in \mathbb{R}, \forall u \in U \implies cu \in U (بسته تحت ضرب اسکالر)
      3. UU زیرفضا نباشد (یعنی لزوماً تحت جمع بسته نباشد).
  • چک‌لیست ابزارهای مورد نیاز:

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 xx و yy.

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

ساخت مثال و بررسی ویژگی‌ها

گام اول: تعریف مجموعه مجموعه UU را اجتماع دو محور مختصات xx و yy در R2\mathbb{R}^2 تعریف می‌کنیم:

U={(x,y)∈R2:xy=0}={(x,0):x∈R}∪{(0,y):y∈R}U = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : xy = 0\} = \{(x, 0) : x \in \mathbb{R}\} \cup \{(0, y) : y \in \mathbb{R}\}

گام دوم: بررسی ناتهی بودن بردار صفر (0,0)∈U(0, 0) \in U است، بنابراین U≠∅U \neq \emptyset.

گام سوم: اثبات بسته بودن تحت ضرب اسکالر فرض کنید u=(x,y)∈Uu = (x, y) \in U و c∈Rc \in \mathbb{R} یک اسکالر دلخواه باشد. طبق تعریف UU، داریم xy=0xy = 0 (یعنی حداقل یکی از مؤلفه‌ها صفر است). بردار ضرب اسکالر برابر است با cu=(cx,cy)cu = (cx, cy). حاصل‌ضرب مؤلفه‌های آن را حساب می‌کنیم:

(cx)(cy)=c2(xy)=c2⋅0=0(cx)(cy) = c^2 (xy) = c^2 \cdot 0 = 0

بنابراین بردار cucu نیز در شرط صدق می‌کند و cu∈Ucu \in U. این نشان می‌دهد که UU 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 UU هستند:

u=(1,0)∈U(چون 1⋅0=0)u = (1, 0) \in U \quad (\text{چون } 1 \cdot 0 = 0)

v=(0,1)∈U(چون 0⋅1=0)v = (0, 1) \in U \quad (\text{چون } 0 \cdot 1 = 0)

حال حاصل‌جمع این دو بردار را محاسبه می‌کنیم:

u+v=(1,0)+(0,1)=(1,1)u + v = (1, 0) + (0, 1) = (1, 1)

آیا (1,1)∈U(1, 1) \in U است؟ حاصل‌ضرب مؤلفه‌ها: 1⋅1=1≠01 \cdot 1 = 1 \neq 0. بنابراین:

u+v=(1,1)∉Uu + v = (1, 1) \notin U

نتیجه‌گیری: مجموعه UU تحت جمع بسته نیست، بنابراین یک زیرفضای R2\mathbb{R}^2 نمی‌باشد. این مجموعه دقیقاً ویژگی‌های خواسته شده را داراست. ■\blacksquare


۴. دام‌های رایج در حل این تیپ مسئله

نکات باریک‌تر از مو

  • 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

پیوندهای این یادداشت ۴

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

  • تعریف ۳۱.۱ زیرفضا (Subspace)
    پیش‌نمایش

    تعریف ۳۱.۱: زیرفضا (Subspace)

    چکیده مفهومی

    یک زیرفضا، جهان ریاضی کوچکتری است که درون یک فضای برداری بزرگتر زندگی می‌کند؛ به شرطی که خودش با همان قوانین جمع و ضرب اسکالر فضای مادر، یک فضای برداری مستقل و خودکفا باشد و مبدا مختصات را در خود داشته باشد.


  • قضیه ۳۲.۱ شرایط سه‌گانه زیرفضا بودن
    پیش‌نمایش

    قضیه ۳۲.۱: شرایط سه‌گانه زیرفضا بودن (آزمون سریع زیرفضا)

    پیام کلیدی قضیه در یک جمله

    برای بررسی اینکه آیا یک زیرمجموعه یک زیرفضاست یا خیر، لازم نیست تمام ۱۰ اصل موضوعه فضای برداری را چک کنید؛ فقط کافی است سه شرط را بسنجید: داشتن بردار صفر، بسته بودن نسبت به جمع، و بسته بودن نسبت به ضرب اسکالر.


  • مثال ۳۳.۱ زیرفضاهای R2 و R3
    پیش‌نمایش

    مثال ۳۳.۱: زیرفضاهای R2\mathbb{R}^2 و R3\mathbb{R}^3

    هندسه کامل زیرفضاها در ابعاد ۲ و ۳

    در دنیای هندسی اقلیدسی، زیرفضاها تنها و تنها اشیای مسطحی هستند که از مبدا مختصات عبور می‌کنند:

    • در R2\mathbb{R}^2: فقط نقطه مبدا، خطوط راست گذرنده از مبدا، و کل صفحه R2\mathbb{R}^2.
    • در R3\mathbb{R}^3: فقط نقطه مبدا، خطوط راست گذرنده از مبدا، صفحات تخت گذرنده از مبدا، و کل فضا R3\mathbb{R}^3.

  • 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