رفتن به متن
باغ ریاضی
تمرین ۱۲ بخش ۱.۲ وابستگی خطی جمع بردارها با بردار ثابت
تنظیمات مطالعه
تنظیمات مطالعه

تمرین ۱۲ بخش ۱.۲ وابستگی خطی جمع بردارها با بردار ثابت

یادداشت شما ذخیره شد

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

تمرین ۱۲ بخش ۱.۲: وابستگی خطی جمع بردارها با بردار ثابت

صورت دقیق مسئله (کتاب آکسلر)

فرض کنید v1,…,vmv_1, \dots, v_m در فضای برداری VV مستقل خطی است و w∈Vw \in V. ثابت کنید اگر لیست

v1+w,  …,  vm+wv_1 + w, \; \dots, \; v_m + w

وابسته خطی باشد، آنگاه:

w∈span⁡(v1,…,vm)w \in \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m)

۱. تحلیل اولیه و باز کردن خواسته مسئله

  • داده‌های مسئله:
    • لیست v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی است.
    • بردار w∈Vw \in V.
    • لیست جدید v1+w,…,vm+wv_1 + w, \dots, v_m + w وابسته خطی است.
  • حکم مسئله:
    • اثبات اینکه ww باید ترکیبی خطی از v1,…,vmv_1, \dots, v_m باشد؛ یعنی w∈span⁡(v1,…,vm)w \in \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m).
  • چک‌لیست ابزارهای مورد نیاز:

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

  1. از فرض وابستگی خطی v1+w,…,vm+wv_1 + w, \dots, v_m + w شروع می‌کنیم: ضرایبی ناصفر c1,…,cm∈Fc_1, \dots, c_m \in \mathbb{F} وجود دارند به طوری که ∑ck(vk+w)=0\sum c_k(v_k + w) = 0.
  2. این رابطه را به صورت ∑ckvk+(∑ck)w=0\sum c_k v_k + (\sum c_k) w = 0 مرتب می‌کنیم.
  3. نکته کلیدی اثبات این است که نشان دهیم مجموع ضرایب یعنی S=∑k=1mckS = \sum_{k=1}^m c_k نمی‌تواند صفر باشد!
    • اگر این مجموع صفر بود، جمله شامل ww حذف می‌شد و به ∑ckvk=0\sum c_k v_k = 0 می‌رسیدیم که به دلیل استقلال خطی viv_iها به صفر بودن تک‌تک ضرایب منجر می‌شد که تناقض با فرض وابستگی است.
  4. چون S≠0S \neq 0 است، می‌توان طرفین را بر SS تقسیم کرد و ww را به صورت صریح بر حسب v1,…,vmv_1, \dots, v_m به دست آورد.

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

حل دقیق و بدون پرش محاسباتی

گام اول (بیان فرض وابستگی خطی به زبان ریاضی): طبق فرض مسئله، لیست v1+w,…,vm+wv_1 + w, \dots, v_m + w وابسته خطی است. بنا به تعریف ۱۷.۲ آکسلر، اسکالرهایی مانند c1,…,cm∈Fc_1, \dots, c_m \in \mathbb{F} وجود دارند که همگی همزمان صفر نیستند (حداقل یکی ناصفر است) به طوری که:

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

گام دوم (تفکیک و مرتب‌سازی جملات): با استفاده از ویژگی‌های توزیع‌پذیری و شرکت‌پذیری در فضای برداری:

c1v1+c1w+c2v2+c2w+⋯+cmvm+cmw=0c_1 v_1 + c_1 w + c_2 v_2 + c_2 w + \dots + c_m v_m + c_m w = 0

با فاکتورگیری از بردار ww:

c1v1+c2v2+⋯+cmvm+(c1+c2+⋯+cm)w=0(∗)c_1 v_1 + c_2 v_2 + \dots + c_m v_m + (c_1 + c_2 + \dots + c_m) w = 0 \quad (*)

گام سوم (اثبات ناصفر بودن مجموع ضرایب S=∑k=1mckS = \sum_{k=1}^m c_k): فرض خلف: فرض کنید c1+c2+⋯+cm=0c_1 + c_2 + \dots + c_m = 0 باشد. در این صورت، ضریب بردار ww در معادله (∗)(*) صفر می‌شود:

c1v1+c2v2+⋯+cmvm+0⋅w=0c_1 v_1 + c_2 v_2 + \dots + c_m v_m + 0 \cdot w = 0

  ⟹  c1v1+c2v2+⋯+cmvm=0\implies c_1 v_1 + c_2 v_2 + \dots + c_m v_m = 0

اما طبق فرض اولیه مسئله، لیست v1,…,vmv_1, \dots, v_m مستقل خطی است. طبق تعریف ۱۵.۲، تنها راه برقراری رابطه فوق این است که:

c1=c2=⋯=cm=0c_1 = c_2 = \dots = c_m = 0

این نتیجه با فرض اولیه در گام اول (که حداقل یکی از ckc_kها مخالف صفر است) در تناقض آشکار است! بنابراین فرض خلف باطل است و لزوماً داریم:

S=c1+c2+⋯+cm≠0S = c_1 + c_2 + \dots + c_m \neq 0

گام چهارم (استخراج بردار ww بر حسب بردارهای vkv_k): چون S∈FS \in \mathbb{F} و S≠0S \neq 0 است، عدد SS وارون‌پذیر است. از معادله (∗)(*) داریم:

Sw=−(c1v1+c2v2+⋯+cmvm)S w = - (c_1 v_1 + c_2 v_2 + \dots + c_m v_m)

با ضرب طرفین در −S−1=−1S-S^{-1} = -\frac{1}{S}:

w=(−c1S)v1+(−c2S)v2+⋯+(−cmS)vmw = \left(-\frac{c_1}{S}\right) v_1 + \left(-\frac{c_2}{S}\right) v_2 + \dots + \left(-\frac{c_m}{S}\right) v_m

گام پنجم (نتیجه‌گیری نهایی): ضرایب −ckS-\frac{c_k}{S} همگی اسکالرهایی در میدان F\mathbb{F} هستند. رابطه بالا نشان می‌دهد که بردار ww ترکیبی خطی از بردارهای v1,…,vmv_1, \dots, v_m است. طبق تعریف ۴.۲ آکسلر:

w∈span⁡(v1,…,vm)■w \in \operatorname{span}(v_1, \dots, v_m) \quad \blacksquare

۴. دام‌های رایج در حل این تیپ مسئله

نکات باریک‌تر از مو

  • تقسیم نسنجیده بر مجموع ضرایب: بزرگ‌ترین خطای رایج در حل این تمرین، فرض ضمنی c1+⋯+cm≠0c_1 + \dots + c_m \neq 0 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 v1,…,vmv_1, \dots, v_m است. بدون استقلال خطی لیست اصلی، حکم مسئله لزوماً برقرار نخواهد بود.

۵. پیوندها

پیوندهای این یادداشت ۴

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

  • تعریف ۴.۲ گستره (Span)
    پیش‌نمایش

    تعریف ۴.۲: گستره (Span)

    چکیده مفهومی

    گستره یا اسپن (Span) یک لیست از بردارها، «قلمرو نفوذ» یا «تمام بردارهایی» است که می‌توان با ایجاد هرگونه ترکیب خطی از آن بردارها ساخت.


  • 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.


  • تعریف ۱۷.۲ وابستگی خطی
    پیش‌نمایش

    تعریف ۱۷.۲: وابستگی خطی (Linear Dependence)

    چکیده مفهومی

    یک لیست از بردارها وابسته خطی است اگر مستقل خطی نباشد؛ یعنی بتوان بردار صفر را با ضرایبی ساخت که حداقل یکی از آن‌ها غیرصفر باشد (وجود بردار زاید یا هم‌پوشان).


  • 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