P2 2. úloha - patrí tam vektor?

Moderators: Martin Sleziak, Ludovit_Balko, Martin Niepel, Tibor Macko

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

P2 2. úloha - patrí tam vektor?

Post by Martin Sleziak »

Zistite, či vektor $(1,2,3,1)$ patrí do podpriestoru
$[(1,1,2,2),(1,-1,0,4),(1,3,4,0),(2,1,3,5)]$ priestoru $\mathbb R^4$.
Úlohu presne takéhoto typu sme mali aj na malej písomke: viewtopic.php?t=536

Máme dva štandardné postupy:

Jeden je riešiť sústavu, ktorú dostaneme z
$(1,2,3,1)=a(1,1,2,2)+b(1,-1,0,4)+c(1,3,4,0)+d(2,1,3,5)$.
Ak sústava nemá riešenie, tak tento vektor nepatrí do daného podpriestoru. Ak má riešenie, tak patrí do zadaného podpriestoru.

Riešime teda sústavu
$\left(
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 3 & 1 & 2 \\
2 & 0 & 4 & 3 & 3 \\
2 & 4 & 0 & 5 & 1
\end{array}
\right) \sim$ $
\left(
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 2 & 1 \\
0 &-2 & 2 &-1 & 1 \\
0 &-2 & 2 &-1 & 1 \\
0 & 2 &-2 & 1 &-1
\end{array}
\right) \sim$ $
\left(
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 2 & 1 \\
0 & 2 &-2 & 1 &-1
\end{array}
\right) \sim$ $
\left(
\begin{array}{cccc|c}
1 &-3 & 5 & 0 & 3 \\
0 & 2 &-2 & 1 &-1
\end{array}
\right)
$
Vidíme, že napríklad $a=3$, $b=c=0$, $d=-1$ je riešením sústavy.
Môžeme sa presvedčiť, že naozaj
$3(1,1,2,2)-(2,1,3,5)=(1,2,3,1)$.
Teda vektor patrí do zadaného podpriestoru
(Všimnite si, že v sústave, ktorú sme dostali, vystupovali zadané vektory ako stĺpce.)

*******

Iný postup je dať si vektory ako riadky do matice a riadkovými operáciami ju upraviť na redukovaný stupňovitý tvar.
$
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 2 & 2 \\
1 &-1 & 0 & 4 \\
1 & 3 & 4 & 0 \\
2 & 1 & 3 & 5
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 & 3 \\
0 & 1 & 1 &-1
\end{pmatrix}
$
(Môžeme, ako čiastočnú skúšku správnosti, skontrolovať, či vektory (1,1,2,2), (1,-1,0,4), (1,3,4,0), (2,1,3,5) vieme dostať ako lineárne kombinácie riadkov výslednej matice: viewtopic.php?t=531 )
Teraz sa pozrieme na miesta, kde sú vedúce jednotky - v zadanom vektore sú tam čísla 1 a 2, vidíme, že naozaj:
$(1,2,3,1)=(1,0,1,3)+2(0,1,1,-1)$.
Teda vektor patrí do zadaného podpriestoru

Hádanie
Ako si niekto z vás všimol, pre tieto vektory sa dalo riešenie aj uhádnuť.

Neviem, ako konkrétne to "hádal" človek, ktorý odovzdal takéto riešenie. (V tej istej písomke to však bolo vyriešené aj štandardným postupom.)

Ale dala by sa urobiť napríklad aj takáto úvaha:
Dal by sa vektor $(1,2,3,1)$ dostať ako lineárna kombinácia prvých dvoch vektorov, t.j. $(1,1,2,2)$ a $(1,-1,0,4)$.
Ak urobíme hocijaký násobok prvého vektora, tak dostaneme vektor, kde sa zhodujú prvé dve súradnice.
Pre druhý vektor je rozdiel (druhá súradnica)-(prvá súradníca) rovný $-2$. Ak chcem, aby tento rozdiel bol $1$, musím ho vynásobiť $-\frac12$.
Teraz ešte skúšam, aký nások prvého vektora potrebujem pripočítať, t.j. či viem dostať
$(1,2,3,1)=a(1,1,2,2)-\frac12(1,-1,0,4)$.
Už z prvej súradnice vidíme, že jediná možnosť je $a=\frac32$ a skontrolujeme, že to funguje aj na ostatných súradniciach
$\frac32(1,1,2,2)-\frac12(1,-1,0,4)=(1,2,3,1)$.
Zistili sme, že tento vektor sa dá naozaj napísať ako lineárna kombinácia zadaných vektorov, teda patrí do ich obalu.
(Zdôrazním, že sme mali vlastne iba šťastie, že sa to dalo dostať z dvoch vektorov. Ak by nám to takouto úvahou nevyšlo, zistili by sme iba toľko, že sa to nedá napísať ako lineárna kombinácia prvých dvoch vektorov. Stále by bola šanca, že je to lineárna kombinácia tých ostatných. Aj keď v tomto konkrétnom prípade, keď už sme spravili výpočty urobené v "štandardnom" postupe - tak už vieme, že dimenzia daného priestoru je 2 a z týchto dvoch vektorov vieme dostať aj ostatné.)

Prvé dva vektory som vybral preto, že v odovzdanej písomke to bolo spravené s týmito vektormi.
Pokojne by sme tú istú úvahu mohli spraviť s prvým a posledným vektorom. Keďže v poslednom je rozdiel prvých dvoch súradníc $-1$, tentokrát nedostaneme zlomky:
$(1,2,3,1)=3(1,1,2,2)-(2,1,3,5)$.

Niekto iný si všimol (asi keď začal robiť riadkové úpravy a vyšiel mu hľadaný vektor), že
$(1,2,3,1)=(2,1,3,5)-(1,-1,0,4)$.

Ak sa niekto chce opýtať aj na toto: Ak by mi niekto v písomke napísal iba takéto uhádnuté riešenie a aspoň niečo zmysluplné napísal k tomu, akým spôsobom ho uhádol, bol by som ho ochotný uznať za plný počet.
Ak by to bolo bez zdôvodnenia, tak by bolo skôr prirodzené pýtať sa, či to nie je odniekiaľ odpísané.
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: P2 2. úloha - patrí tam vektor?

Post by Martin Sleziak »

Skúsim sem napísať niečo o chybách, ktoré sa často vyskytovali v riešeniach.

Vektory v stĺpcoch

Niektorí z vás ste napísali vektory do stĺpcov (ako pri riešení pomocou sústavy), ale potom s výsledkom postupovali ako pri riešení cez RTM.

Ak sa mi podarilo vypestovať vo vás reflex skúsim si to napísať do matice, upravovať, a niečo hádam vyjde, tak to nie je dobré. Je pravda, že veľa úloh, ktoré ste tento semester dostali, sa dá riešiť riadkovými operáciami. Je však dôležité, aby ste aj rozumeli tomu, čo robíte. (Potom aj budete vedieť, čo ste vlastne tými úpravami dostali, či máte vektory dávať do riadkov alebo do stĺpcov a podobne.)
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: P2 2. úloha - patrí tam vektor?

Post by Martin Sleziak »

Tento semester sa vyskytla úloha takéhoto typu aj keď s inými vektormi - napíšem sem niečo k riešeniam.
Ďalšie dve úlohy, čo boli tento semester: viewtopic.php?t=1383 a viewtopic.php?t=1385

Skupina A: Otázkou bolo zistiť, či $(2,1,1,0)\in[(1,0,5,-2),(2,1,3,0),(3,2,1,2)]$
Skupina B: Zistiť, či $(2,1,3,0)\in[(0,0,1,-2),(2,1,1,1),(2,3,1,3)]$.
Správna odpoveď je v oboch prípadoch nie. (Zadaný vektor nepatrí do tohoto podpriestoru.)

Jedna možnosť ako riešiť úlohu je upraviť maticu na redukovaný tvar - z neho už vieme ľahko zistiť, či daný vektor patrí alebo nepatrí do riadkového podpriestoru. Pripomeniem, že ten istý postup s pôvodne zadanými vektormi môžeme použiť na (polovičnú) skúšku správnosti či sme redukovaný tvar našli správne: viewtopic.php?t=531

Skupina A:
$
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
2 & 1 & 3 & 0 \\
3 & 2 & 1 & 2 \\
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
0 & 1 &-7 & 4 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix}$
$2\cdot(1,0,5,-2)+1\cdot(0,1,-7,4)=(2,1,3,0)$.
Vidíme, že vektor $(2,1,1,0)$ do riadkového podpriestoru nepatrí.
Spoiler:
$
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
2 & 1 & 3 & 0 \\
3 & 2 & 1 & 2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
2 & 1 & 3 & 0 \\
1 & 1 &-2 & 2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
1 & 1 &-2 & 2 \\
1 & 1 &-2 & 2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
1 & 1 &-2 & 2 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 5 &-2 \\
0 & 1 &-7 & 4 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix}
$
Skupina B:
$
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 1 &-2 \\
2 & 1 & 1 & 1 \\
2 & 3 & 1 & 3 \\
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 &-2 \\
\end{pmatrix}
$
$2\cdot(1,0,0,1)+1\cdot(0,1,0,1)+3\cdot(0,0,1,-2)=(2,1,3,-3)$
Vidíme, že vektor $(2,1,3,0)$ nepatrí do riadkového podpriestoru.
Spoiler:
$
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 1 &-2 \\
2 & 1 & 1 & 1 \\
2 & 3 & 1 & 3 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 1 &-2 \\
2 & 1 & 1 & 1 \\
0 & 2 & 0 & 2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 &-2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 &-2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
2 & 0 & 0 & 2 \\
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 &-2 \\
\end{pmatrix}\sim$ $
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 &-2 \\
\end{pmatrix}
$
Druhá možnosť je vyriešiť sústavu, ktorú dostaneme. Zistíme, že nemá riešenie - čo znamená, že vektor nie je lineárnou kombináciou zadaných vektorov.

V skupine A dostaneme sústavu
$$
\left(\begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & 3 & 2 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
5 & 3 & 1 & 1 \\
-2 & 0 & 2 & 0
\end{array}\right)
$$
Spoiler:
$\left(\begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & 3 & 2 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
5 & 3 & 1 & 1 \\
-2 & 0 & 2 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & 3 & 2 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
5 & 3 & 1 & 1 \\
1 & 0 &-1 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 2 & 4 & 2 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
0 & 3 & 6 & 1 \\
1 & 0 &-1 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 1 & 2 & 1 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
0 & 1 & 2 & \frac13 \\
1 & 0 &-1 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 0 & 0 & \frac23 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
0 & 1 & 2 & \frac13 \\
1 & 0 &-1 & 0
\end{array}\right)
$

Sústave nemá riešenie - čo znamená, že nemáme veľmi pomocou čoho robiť skúšku. Možno sa stále oplatí na chvíľu si nevšímať pravé strany a urobiť skúšku ako pri homogénnej rovnici alebo pri úprave na redukovaný tvar.

Môžeme si tiež všimnúť, že až v poslednom kroku sme tretiu rovnicu pripočítali k niektorej inej. Čiže postup dovtedy bol, ako keby sme riešili iba prvú, druhú a štvrtú rovnicu.
Už nie je veľa roboty dopočítať riešenia pre tieto tri rovnice. (Keď sme vynechali tretiu.) Napríklad $(0,1,0)$ aj $(\frac12,0,\frac12)$ sú riešeniami. Pre tieto riešenia môžem aj urobiť skúšku správnosti. (Opäť - dosadzujem iba do ostatných rovníc okrem tretej.)
V skupine B dostaneme sústavu
$$
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 2 & 2 & 2 \\
0 & 1 & 3 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 3 \\
-2 & 1 & 3 & 0
\end{array}\right)$$
Spoiler:
$\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 2 & 2 & 2 \\
0 & 1 & 3 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 3 \\
-2 & 1 & 3 & 0
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 2 & 2 & 2 \\
0 & 1 & 3 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 3 \\
-2 & 0 & 0 &-1
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 3 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 3 \\
1 & 0 & 0 & \frac12
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 1 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 2 & 0 \\
1 & 1 & 1 & 3 \\
1 & 0 & 0 & \frac12
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 0 \\
1 & 1 & 0 & 3 \\
1 & 0 & 0 & \frac12
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 0 & \frac52 \\
1 & 0 & 0 & \frac12
\end{array}\right)\sim$ $
\left(\begin{array}{ccc|c}
0 & 0 & 0 &-\frac32 \\
0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 0 & \frac52 \\
1 & 0 & 0 & \frac12
\end{array}\right)
$

Keby som si všímal iba prvú, druhú a štvrtú rovnicu, tak $(\frac12,1,0)$ je riešením. Pretože tretiu rovnicu sme používali ku koncu riešenia, toto nám môže poslúžiť na čiastočnú skúšku správnosti.
Post Reply