رفتن به متن
باغ ریاضی
تمرین ۱۴ بخش ۱.۲ استقلال خطی مجموع‌های جزئی یک لیست برداری
تنظیمات مطالعه
تنظیمات مطالعه

تمرین ۱۴ بخش ۱.۲ استقلال خطی مجموع‌های جزئی یک لیست برداری

یادداشت شما ذخیره شد

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

تمرین ۱۴ بخش ۱.۲: استقلال خطی مجموع‌های جزئی یک لیست برداری

صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

فرض کنید v1,…,vmv_1, \dots, v_m یک لیست از بردارها در VV است. برای هر k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\}، فرض کنید

wk=v1+⋯+vkw_k = v_1 + \dots + v_k

نشان دهید لیست v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی است اگر و فقط اگر لیست w1,…,wmw_1, \dots, w_m مستقل خطی باشد.


۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله

  • داده‌های مسئله:
    • فضای برداری VV.
    • لیست v1,…,vm∈Vv_1, \dots, v_m \in V.
    • مجموع‌های جزئی wk=∑j=1kvjw_k = \sum_{j=1}^k v_j.
  • حکم مسئله:
    • اثبات هم‌ارزی دوطرفه: (v1,…,vm) مستقل خطی است   ⟺  (w1,…,wm) مستقل خطی است(v_1, \dots, v_m) \text{ مستقل خطی است } \iff (w_1, \dots, w_m) \text{ مستقل خطی است}
  • چک‌لیست ابزارهای مورد نیاز:

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

در تمرین ۳ نشان دادیم که گستره این دو مجموعه با هم برابر است. اکنون می‌خواهیم هم‌ارزی استقلال خطی آن‌ها را ثابت کنیم:

  • جهت اول (  ⟹  \implies): فرض می‌کنیم v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل است. معادله ∑ckwk=0\sum c_k w_k = 0 را تشکیل می‌دهیم، آن را بر حسب بردارهای vjv_j بازآرایی می‌کنیم و با استفاده از استقلال خطی vjv_jها، ضرایب را از انتها (cmc_m) تا ابتدا (c1c_1) گام‌به‌گام صفر می‌کنیم.
  • جهت دوم (  ⟸  \impliedby): فرض می‌کنیم w1,…,wmw_1, \dots, w_m مستقل است. معادله ∑akvk=0\sum a_k v_k = 0 را تشکیل می‌دهیم، رابطه تفاضلی vk=wk−wk−1v_k = w_k - w_{k-1} را جایگذاری کرده و مجدداً با حل یک دستگاه ساده ضرایب را صفر می‌یابیم.

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

حل دقیق و بدون پرش محاسباتی

جهت اول (  ⟹  \implies): اگر v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی باشد، آنگاه w1,…,wmw_1, \dots, w_m مستقل خطی است:

فرض کنید اسکالرهایی مانند c1,…,cm∈Fc_1, \dots, c_m \in \mathbb{F} وجود دارند به طوری که:

c1w1+c2w2+⋯+cmwm=0c_1 w_1 + c_2 w_2 + \dots + c_m w_m = 0

گام اول: جایگذاری تعاریف wkw_k:

c1(v1)+c2(v1+v2)+c3(v1+v2+v3)+⋯+cm(v1+⋯+vm)=0c_1 (v_1) + c_2 (v_1 + v_2) + c_3 (v_1 + v_2 + v_3) + \dots + c_m (v_1 + \dots + v_m) = 0

گام دوم: فاکتورگیری بر حسب بردارهای vjv_j: هر بردار vjv_j در تمام wkw_kهایی با k≥jk \ge j ظاهر می‌شود. بنابراین:

(c1+c2+⋯+cm)v1+(c2+c3+⋯+cm)v2+⋯+(cm−1+cm)vm−1+cmvm=0(c_1 + c_2 + \dots + c_m) v_1 + (c_2 + c_3 + \dots + c_m) v_2 + \dots + (c_{m-1} + c_m) v_{m-1} + c_m v_m = 0

گام سوم: اعمال فرض استقلال خطی v1,…,vmv_1, \dots, v_m: چون v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی است، تمام ضرایب بالا باید صفر شوند:

{c1+c2+⋯+cm=0c2+⋯+cm=0⋮cm−1+cm=0cm=0\begin{cases} c_1 + c_2 + \dots + c_m = 0 \\ c_2 + \dots + c_m = 0 \\ \vdots \\ c_{m-1} + c_m = 0 \\ c_m = 0 \end{cases}

گام چهارم: حل رو به عقب (Back-substitution):

  • از آخرین رابطه: cm=0c_m = 0.
  • جایگذاری در رابطه یکی مانده به آخر: cm−1+0=0  ⟹  cm−1=0c_{m-1} + 0 = 0 \implies c_{m-1} = 0.
  • با تکرار این فرآیند رو به عقب، به دست می‌آید: cm=cm−1=⋯=c2=c1=0c_m = c_{m-1} = \dots = c_2 = c_1 = 0 بنابراین لیست w1,…,wmw_1, \dots, w_m مستقل خطی است.

جهت دوم (  ⟸  \impliedby): اگر w1,…,wmw_1, \dots, w_m مستقل خطی باشد، آنگاه v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی است:

فرض کنید اسکالرهایی مانند a1,…,am∈Fa_1, \dots, a_m \in \mathbb{F} وجود دارند به گونه‌ای که:

a1v1+a2v2+⋯+amvm=0a_1 v_1 + a_2 v_2 + \dots + a_m v_m = 0

گام اول: بیان vkv_k بر حسب wkw_k: طبق تمرین ۳ داریم:

v1=w1,و برای هر k≥2:  vk=wk−wk−1v_1 = w_1, \quad \text{و برای هر } k \ge 2: \; v_k = w_k - w_{k-1}

گام دوم: جایگذاری در معادله و بازآرایی:

a1w1+a2(w2−w1)+a3(w3−w2)+⋯+am(wm−wm−1)=0a_1 w_1 + a_2 (w_2 - w_1) + a_3 (w_3 - w_2) + \dots + a_m (w_m - w_{m-1}) = 0

گروه‌بندی بر حسب بردارهای wkw_k:

(a1−a2)w1+(a2−a3)w2+⋯+(am−1−am)wm−1+amwm=0(a_1 - a_2) w_1 + (a_2 - a_3) w_2 + \dots + (a_{m-1} - a_m) w_{m-1} + a_m w_m = 0

گام سوم: اعمال فرض استقلال خطی w1,…,wmw_1, \dots, w_m: چون لیست w1,…,wmw_1, \dots, w_m مستقل خطی است، تمامی ضرایب ترکیب خطی فوق باید صفر باشند:

{a1−a2=0a2−a3=0⋮am−1−am=0am=0\begin{cases} a_1 - a_2 = 0 \\ a_2 - a_3 = 0 \\ \vdots \\ a_{m-1} - a_m = 0 \\ a_m = 0 \end{cases}

گام چهارم: نتیجه‌گیری:

  • از آخرین معادله: am=0a_m = 0.
  • از معادله قبلی: am−1=am=0a_{m-1} = a_m = 0.
  • با ادامه زنجیره: a1=a2=⋯=am=0a_1 = a_2 = \dots = a_m = 0 بنابراین لیست v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی است.

با اثبات هر دو جهت، شرط لازم و کافی به طور کامل اثبات شد ■\blacksquare


۴. دام‌های رایج در حل این تیپ مسئله

نکات باریک‌تر از مو

  • حل بدون استفاده از ماتریس: دستگاه حاصل در هر دو جهت مثلثی است (یکی بالا‌مثلثی و دیگری پایین‌مثلثی). در این حل تشریحی، روش جایگذاری بازگشتی (Back-substitution) بدون ارجاع به دترمینان ماتریس انجام شده که دقیقاً منطبق بر رویکرد ناب جبری آکسلر است.

۵. پیوندها

پیوندهای این یادداشت ۳

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

  • تعریف ۱۵.۲ استقلال خطی
    پیش‌نمایش

    تعریف ۱۵.۲: استقلال خطی (Linear Independence)

    چکیده مفهومی

    استقلال خطی یعنی هیچ برداری در لیست زاید نیست و هر بردار جهت جدیدی را به ارمغان می‌آورد؛ این ویژگی معادل آن است که بردار صفر را تنها و تنها با ضرایب کاملاً صفر بتوان ساخت، و هر بردار دیگر در گستره دارای نمایش «یکتا» باشد.


  • تمرین ۳ بخش ۱.۲ برابری گستره بردارها با مجموع‌های جزئی آن‌ها
    پیش‌نمایش

    تمرین ۳ بخش ۱.۲: برابری گستره بردارها با مجموع‌های جزئی آن‌ها

    صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

    فرض کنید v1,…,vmv_1, \dots, v_m یک لیست از بردارها در VV است. برای هر k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\}، فرض کنید

    wk=v1+⋯+vkw_k = v_1 + \dots + v_k

    نشان دهید:

    span⁡(v1,…,vm)=span⁡(w1,…,wm)\operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) = \operatorname{span}(w_1, \dots, w_m)

  • 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