LA 101
M01 · L04
مقدمة

الفضاءات المتجهية والجزئية

قرأت كلمة «فضاء» منذ الدرس الأول، ولم يقل لك أحد ما تعنيه بالضبط. حان الوقت. الفضاء المتجهي هو أي مجموعة يتصرّف فيها الجمع والتحجيم كما تتوقّع تماماً. والفضاء الجزئي فضاء يسكن داخل فضاء أكبر — وهو التعريف الذي يستند إليه باقي هذه الدورة أكثر من أي شيء آخر.

01 / 16
LA 101
M01 · L04
التعريف

ما هو الفضاء المتجهي؟

الفضاء المتجهي مجموعة V مع عمليتين: اجمع عنصرين من V، أو اضرب عنصراً منها في عدد حقيقي. لا بدّ أن تعود النتيجتان كلتاهما إلى داخل V. هذه هي الفكرة كلها. وما بعدها تفاصيل.

المثال العملي
ℝⁿ — كل قائمة من n عدداً حقيقياً. اجمع مركّبةً مركّبة، وحجّم مركّبةً مركّبة. لا شيء يخرج أبداً.
02 / 16
LA 101
M01 · L04
القواعد

البديهيات

ثماني بديهيات، وأنت تلتزم بها كلها دون أن تفكّر فيها. مجتمعةً لا تقول إلا شيئاً واحداً: الجمع والتحجيم لا يفاجئانك.

  • الانغلاق — u + v و c u يبقيان في V
  • الجمع لا يهمّه الترتيب — تبديلي وتجميعي
  • صفر — المتجه الصفري في V، و v + 0 = v
  • معاكسات — لكل v متجه −v
  • التحجيم منصف — يتوزّع، و 1 v = v
03 / 16
LA 101
M01 · L04
ليست أسهماً فقط

كثيرات الحدود متجهات أيضاً

خذ كل كثيرة حدود درجتها 2 أو أقل: الشكل a + bx + cx². اجمع اثنتين فتحصل على ثالثة من النوع نفسه. حجّم واحدة فتحصل على أخرى. كل بديهية تتحقّق، فهذه المجموعة فضاء متجهي — ولا سهم واحد في الأفق.

لماذا يهمّ هذا
«المتجه» دور لا شكل. الإشارات والصور والدوال والمصفوفات كلها متجهات في الفضاء الذي يناسبها.
04 / 16
LA 101
M01 · L04
المصطلح المفتاح

ما هو الفضاء الجزئي؟

الفضاء الجزئي مجموعة فرعية من فضاء متجهي، وهي بدورها فضاء متجهي كامل، بالجمع نفسه والتحجيم نفسه. ليست أي مجموعة فرعية — لا بدّ أن تكون مغلقة، فلا تستطيع الخروج منها بأي عملية.

كل فضاء جزئي في ℝ³
{0} · مستقيم يمرّ بنقطة الأصل · مستوى يمرّ بنقطة الأصل · ℝ³ كلّه. هذه القائمة كاملة. ولا شيء غيرها يصلح.
05 / 16
LA 101
M01 · L04
كيف تتحقّق

الاختبار الثلاثي

لن تتحقّق من ثماني بديهيات مرة ثانية. الفضاء الأمّ يوفّرها لك. تتحقّق من ثلاثة أمور فقط، وبهذا الترتيب.

  • يحتوي المتجه الصفري — هل 0 داخل S؟
  • مغلق تحت الجمع — u و v في S ⇒ u + v في S
  • مغلق تحت التحجيم — u في S ⇒ c u في S لكل c حقيقي
الحكم
تحقّقت الثلاثة ⇒ فضاء جزئي. سقط واحد ⇒ ليس فضاءً جزئياً. لا درجات جزئية.
06 / 16
LA 101
تفاعلي
جرّبها

مستوى يمرّ بنقطة الأصل

متجهان في ℝ³. حرّك المؤشرين لتدوير v ولاحظ الصفيحة التي يرسمانها. سطّح v على u فينهار المستوى إلى مستقيم.

v₂1.40
v₃1.10
مدى {u, v} مستوى — البُعد 2
07 / 16
LA 101
M01 · L04
مثالان ينجحان

أمثلة محلولة

المثال الأول. في ℝ³، لتكن S كل متجه إحداثيّه الأخير صفر — أي المستوى xy. أجرِ الاختبار.

  • الصفر؟ إحداثي (0, 0, 0) الأخير صفر. نعم.
  • المجاميع؟ 0 + 0 = 0، فالمجموع يبقى مسطّحاً.
  • التحجيم؟ c · 0 = 0، ويبقى مسطّحاً.
المثال الثاني
في ℝ²، كل مضاعفات (2, 1) — المستقيم المارّ بنقطة الأصل بميل ½. خذ c = 0 للمتجه الصفري؛ ومجاميع المضاعفات ومضاعفاتها تبقى مضاعفات. فضاء جزئي.
08 / 16
LA 101
M01 · L04
مثال يسقط

المثال المضادّ

في ℝ²، خذ المستقيم y = x + 1. هو مستقيم بكل معنى الكلمة، ورسمه لا يختلف عن أي فضاء جزئي. لكنه ليس فضاءً جزئياً — والبند الأول من الاختبار يكفي لإسقاطه.

  • الصفر؟ لا: 0 ≠ 0 + 1. انتهى الاختبار.
  • المجاميع؟ (0,1) + (1,2) = (1,3)، و 3 ≠ 1 + 1. خرجنا.
  • قاعدة عملية — المستقيم أو المستوى لا يكون فضاءً جزئياً إلا إذا مرّ بنقطة الأصل.
09 / 16
LA 101
M01 · L04
كل ما يمكن الوصول إليه

المدى

رأيت المدى كصورة في الدرس الثالث: الفضاء القابل للوصول. وهذه هي الجملة التي تقف خلف الصورة — والمفيد فيها أن المدى دائماً فضاء جزئي، بلا اختبار.

مدى مجموعة
\operatorname{span}\{\mathbf{v}_1,\dots,\mathbf{v}_k\} = \{c_1\mathbf{v}_1 + \cdots + c_k\mathbf{v}_k \;:\; c_i \in \mathbb{R}\}
10 / 16
LA 101
M01 · L04
أقلّ ما يكفي، ثم عدّه

الأساس والبُعد

الأساس مجموعة تولّد الفضاء دون زيادة: احذف منها متجهاً واحداً فينكمش المدى. ويتضح أن كل أساس للفضاء نفسه يحتوي العدد نفسه من المتجهات، وهذا العدد هو البُعد.

مستقيم بالأصل
البُعد 1
مستوى بالأصل
البُعد 2
ℝ³ كلّه
البُعد 3
11 / 16
LA 101
M01 · L04
أين يثمر هذا

لماذا ستحتاج إليه

الوحدة الثالثة تسأل: أي المتجهات تسحقها المصفوفة إلى الصفر؟ تلك المجموعة — الفضاء الصفري — فضاء جزئي، وبُعدها هو بُعد العدم. وأعمدة المصفوفة تولّد فضاءً جزئياً ثانياً بُعده هو الرتبة. الرتبة وبُعد العدم حسابٌ على الفضاءات الجزئية.

أول ثمرة حقيقية
12 / 16
LA 101
M01 · L04
قياس الحجم

ثلاث طرق لقول كم يبلغ

المعيار يمنح المتجه طولاً. الوحدة الحادية عشرة تعتمد على L1 وL2 باستمرار؛ والثالث مفيد بالقدر نفسه ونادراً ما يُعرّف. L2 هو الطول المستقيم من الدرس الثالث. L1 يجمع القيم المطلقة. وL∞ يأخذ أكبرها ويتجاهل الباقي.

L1 و L2 و L∞
\|\mathbf{v}\|_1 = \sum_i |v_i| \quad \|\mathbf{v}\|_2 = \sqrt{\sum_i v_i^2} \quad \|\mathbf{v}\|_\infty = \max_i |v_i|
13 / 16
LA 101
تفاعلي
جرّبها

كرة الوحدة

كرة الوحدة هي كل متجه طوله لا يزيد على 1. حرّك p ولاحظ الشكل يتغيّر: معيّن عند p = 1، ودائرة عند p = 2، ومربّع عندما يكبر p بلا حدّ.

p2.0
دائرة · ‖(0.8, 0.6)‖₂ = 1.000
14 / 16
LA 101
اختبار سريع

تحقّق ممّا ثبت

أربعة أسئلة من هذا الدرس. أجب لترى السبب — يظهر الشرح سواء أصبتَ أم أخطأت. ولا شيء يُسجَّل أو يُحفَظ.

السؤال 1 من 0
النتيجة 0/0

15 / 16
LA 101
ملخص
مراجعة

ما تعلّمته

الفضاء المتجهي مجموعة مغلقة تحت الجمع والتحجيم — والأسهم اختيارية. والفضاء الجزئي فضاء داخل فضاء، وثلاثة اختبارات تحسم أمره: الصفر، والمجاميع، والتحجيم. المدى كل ما يمكن الوصول إليه، والأساس مجموعة مولّدة بلا زيادة، والبُعد يعدّها. وL1 وL2 وL∞ تقيس الحجم بثلاث طرق مختلفة.

الدرس التالي
16 / 16