به محفل ریاضی ایرانیان خوش آمدید! لطفا برای استفاده از تمامی امکانات عضو شوید
+1 امتیاز
10,128 بازدید
در دانشگاه توسط
ویرایش شده توسط erfanm

دترمینان ماتریس واندر موند را به روش استقرا اثبات کنید

1 پاسخ

می توانید به پاسخ(ها) امتیاز دهید یا آن را انتخاب کنید.

+3 امتیاز
توسط erfanm (13,871 امتیاز)
ویرایش شده توسط erfanm

دترمینان ماتریس واندرموند برابر است با: $\displaystyle V_n = \prod_{1 \mathop \le i \mathop < j \mathop \le n} \left({x_j - x_i}\right)$

با استقرا حکم را ثابت میکنیم برای $n=2 $ داریم $V_1= \begin{vmatrix} 1& x_{1} \\ 1& x_{2} \end{vmatrix}= x_{2} - x_{1} $ در این حالت حکم برقرار است. فرض برای $ n-1 $ برقرار باشد نشان می دهیم برای $ n $ نیز برقرار است.داریم:

$V_n = \begin{vmatrix} 1 & x_1 & x_1^2 & \cdots & x_1^{n-2} & x_1^{n-1} \\ 1 & x_2 & x_2^2 & \cdots & x_2^{n-2} & x_2^{n-1} \\ 1 & x_3 & x_3^2 & \cdots & x_3^{n-2} & x_3^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 1 & x_{n-1} & x_{n-1}^2 & \cdots & x_{n-1}^{n-2} & x_{n-1}^{n-1} \\ 1 & x_n & x_n^2 & \cdots & x_n^{n-2} & x_n^{n-1} \end{vmatrix}$

هر بار سطر اول را از سطرهای دیگر کم میکنیم تا در ستون اول تمام درایه ها غیر از درایه سطر اول بقیه صفر شوند یعنی داریم:

$V_n = \begin{vmatrix} 1 & x_1 & x_1^2 & \cdots & x_1^{n-2} & x_1^{n-1} \\ 0 & x_2 - x_1 & x_2^2 - x_1^2 & \cdots & x_2^{n-2} - x_1^{n-2} & x_2^{n-1} - x_1^{n-1} \\ 0 & x_3 - x_1 & x_3^2 - x_1^2 & \cdots & x_3^{n-2} - x_1^{n-2} & x_3^{n-1} - x_1^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & x_{n-1} - x_1 & x_{n-1}^2 - x_1^2 & \cdots & x_{n-1}^{n-2} - x_1^{n-2} & x_{n-1}^{n-1} - x_1^{n-1} \\ 0 & x_n - x_1 & x_n^2 - x_1^2 & \cdots & x_n^{n-2} - x_1^{n-2} & x_n^{n-1} - x_1^{n-1} \end{vmatrix}$

ابتدا درایه های سطر اول را نیز صفر میکنیم برای اینکار ابتدا $ x_{1} $ برابر ستون $ n-1 $ام را از ستون $ n $ کم میکنیم برای مرحله بعد $ x_{1} $ برابر ستون $n-2 $ام را از ستون $n-1 $ کم میکنیم و این روند را ادامه میدهیم تا $ x_{1} $ برابر ستون $ 1 $ام را از ستون $ 2 $ کم میکنیم. دقت کنید که در ماتریس واندر موند فرمول هر درایه بصورت $ ( x_{i} ) ^{j-1} $ است و در این حالت بعد از عملیات بالا فرمول هر درایه بصورت $a_{ij} = \left({x_i^{j-1} - x_1^{j-1}}\right) - \left({x_1 x_i^{j-2} - x_1^{j-1}}\right) = \left({x_i - x_1}\right) x_i^{j-2} $ خواهد بود.

$\left | \begin{array}{lccccr} 1 & 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 \\ 0 & x_2 - x_1 & \begin{array}{c}\left({x_2 - x_1}\right) \\ \times x_2\end{array} & \cdots & \begin{array}{c}\left({x_2 - x_1}\right)\\ \times x_2^{n-3}\end{array} & \begin{array}{c}\left({x_2 - x_1}\right)\\ \times x_2^{n-2}\end{array} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ 0 & x_{n-1} - x_1 & \begin{array}{c}\left({x_{n-1} - x_1}\right) \\ \times x_{n-1} \end{array}& \cdots &\begin{array}{c} \left({x_{n-1} - x_1}\right) \\ \times x_{n-1}^{n-3}\end{array} &\begin{array}{c} \left({x_{n-1} - x_1}\right) \\ \times x_{n-1}^{n-2}\end{array} \\ 0 & x_n - x_1 &\begin{array}{c} \left({x_n - x_1}\right)\\ \times x_n\end{array} & \cdots & \begin{array}{c}\left({x_n - x_1}\right)\\ \times x_n^{n-3}\end{array} &\begin{array}{c} \left({x_n - x_1}\right)\\ \times x_n^{n-2}\end{array} \end{array} \right |$

با انجام عملیات بالا مقدار دترمینان تغییری نکرده است. حال با کمی دقت میبینیم که هر سطر ماتریس مضرب مقداری ثابت است(سطر $i $ام مضرب $( x_{i} - x_{1} ) $ است) پس با حارج کردن آنها داریم:

$\displaystyle V_n = \prod_{k \mathop = 2}^n \left({x_k - x_1}\right) \begin{vmatrix} 1 & 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 \\ 0 & 1 & x_2 & \cdots & x_2^{n-3} & x_2^{n-2} \\ 0 & 1 & x_3 & \cdots & x_3^{n-3} & x_3^{n-2} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 1 & x_{n-1} & \cdots & x_{n-1}^{n-3} & x_{n-1}^{n-2}\\ 0 & 1 & x_n & \cdots & x_n^{n-3} & x_n^{n-2} \end{vmatrix}$

که با بسط دترمینان حول سطر اول داریم:

$\displaystyle V_n = \prod_{k \mathop = 2}^n \left({x_k - x_1}\right) \begin{vmatrix} 1 & x_2 & \cdots & x_2^{n-3} & x_2^{n-2} \\ 1 & x_3 & \cdots & x_3^{n-3} & x_3^{n-2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 1 & x_{n-1} & \cdots & x_{n-1}^{n-3} & x_{n-1}^{n-2}\\ 1 & x_n & \cdots & x_n^{n-3} & x_n^{n-2} \end{vmatrix}$

که با کمی دقت ماتریس حاصله ماتریس واندرموند برای $n-1$ است که طبق فرض استقرا دترمینان آن ماتریس برابر $\displaystyle V_n = \prod_{2 \mathop \le i \mathop < j \mathop \le n} \left({x_j - x_i}\right)$ و با جایگذاری حکم ثابت میشود.

اثبات ارائه شده بر گرفته از سایت $proofwiki.org$ است.

توسط wahedmohammadi (1,612 امتیاز)
+2
@erfanm
خیلی ممنون اثبات جالبی بود،ولی چون ماتریس بزرگ هستش تو نمایش کامل نشون نمیده،من با زدن ویرایش و استفاده از پیش‌نمایش تونستم کامل ببینمش
یکی از اولین و بهترین وظایف معلم این نیست که به شاگردانش این احساس را القا کند که مسائل ریاضی ارتباط کمی با یکدیگر دارند و اصلا هیچ ارتباطی با چیزی دیگ ندارند. هنگامی که دوباره به راه حل مساله نگاه می کنیم از موقعیتی طبیعی برای تحقیق در مورد ارتباط های بین یک مساله برخوردار می شویم.
...