تمرین ۱۲ بخش ۱.۲: وابستگی خطی جمع بردارها با بردار ثابت
فرض کنید در فضای برداری مستقل خطی است و . ثابت کنید اگر لیست
وابسته خطی باشد، آنگاه:
۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله
- دادههای مسئله:
- لیست مستقل خطی است.
- بردار .
- لیست جدید وابسته خطی است.
- حکم مسئله:
- اثبات اینکه باید ترکیبی خطی از باشد؛ یعنی .
- چکلیست ابزارهای مورد نیاز:
۲. ایده و استراتژی حل (Problem-Solving Strategy)
- از فرض وابستگی خطی شروع میکنیم: ضرایبی ناصفر وجود دارند به طوری که .
- این رابطه را به صورت مرتب میکنیم.
- نکته کلیدی اثبات این است که نشان دهیم مجموع ضرایب یعنی نمیتواند صفر باشد!
- اگر این مجموع صفر بود، جمله شامل حذف میشد و به میرسیدیم که به دلیل استقلال خطی ها به صفر بودن تکتک ضرایب منجر میشد که تناقض با فرض وابستگی است.
- چون است، میتوان طرفین را بر تقسیم کرد و را به صورت صریح بر حسب به دست آورد.
۳. حل تشریحی گامبهگام (Step-by-Step Solution)
گام اول (بیان فرض وابستگی خطی به زبان ریاضی): طبق فرض مسئله، لیست وابسته خطی است. بنا به تعریف ۱۷.۲ آکسلر، اسکالرهایی مانند وجود دارند که همگی همزمان صفر نیستند (حداقل یکی ناصفر است) به طوری که:
گام دوم (تفکیک و مرتبسازی جملات): با استفاده از ویژگیهای توزیعپذیری و شرکتپذیری در فضای برداری:
با فاکتورگیری از بردار :
گام سوم (اثبات ناصفر بودن مجموع ضرایب ): فرض خلف: فرض کنید باشد. در این صورت، ضریب بردار در معادله صفر میشود:
اما طبق فرض اولیه مسئله، لیست مستقل خطی است. طبق تعریف ۱۵.۲، تنها راه برقراری رابطه فوق این است که:
این نتیجه با فرض اولیه در گام اول (که حداقل یکی از ها مخالف صفر است) در تناقض آشکار است! بنابراین فرض خلف باطل است و لزوماً داریم:
گام چهارم (استخراج بردار بر حسب بردارهای ): چون و است، عدد وارونپذیر است. از معادله داریم:
با ضرب طرفین در :
گام پنجم (نتیجهگیری نهایی): ضرایب همگی اسکالرهایی در میدان هستند. رابطه بالا نشان میدهد که بردار ترکیبی خطی از بردارهای است. طبق تعریف ۴.۲ آکسلر:
۴. دامهای رایج در حل این تیپ مسئله
- تقسیم نسنجیده بر مجموع ضرایب: بزرگترین خطای رایج در حل این تمرین، فرض ضمنی و تقسیم بر آن بدون اثبات برهان خلف است. اگر این بخش نوشته نشود، بخش عمده استدلال ریاضی مفقود است.
- عدم توجه به تناقض: تناقض گام سوم دقیقاً ناشی از استقلال خطی است. بدون استقلال خطی لیست اصلی، حکم مسئله لزوماً برقرار نخواهد بود.
۵. پیوندها
- مفاهیم تئوری مرتبط: تعریف ۴.۲ گستره (Span) | تعریف ۱۵.۲ استقلال خطی | تعریف ۱۷.۲ وابستگی خطی
- فهرست تمرینهای این بخش: 00-MOCs/MOC حل تمرینات جبر خطی