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रैखिक बीजगणित: सदिश समष्टि और रैखिक मैप

सदिश समष्टि तीरों का ऐसा समूह है जिन्हें जोड़ा और खींचा जा सकता है। रैखिक संचयन a·u + b·w से नए सदिश बनते हैं और उन सबका समूह स्पैन (span) कहलाता है। आधार (basis) सबसे छोटा स्वतंत्र समूह है जो पूरी समष्टि तक पहुँचा दे; उसकी संख्या विमा (dimension) है। मैट्रिक्स एक रैखिक मैप है: उसके स्तंभ बताते हैं कि आधार-तीर कहाँ जाते हैं।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. सदिश (vector) एक तीर है। उसकी दिशा होती है और लंबाई भी। यह लाल तीर u है।
  2. u को किसी संख्या a से गुणा करो। तीर लंबा, छोटा या उलटा हो जाता है। सारे नतीजे एक सीधी रेखा पर रहते हैं। वह रेखा u का स्पैन है।
  3. अब एक नीला तीर w जोड़ो जो दूसरी दिशा में है। a·u + b·w अब पूरे समतल के हर बिंदु पर पहुँच सकता है। स्पैन पूरा तल है।
  4. w को घुमाकर u की दिशा में कर दो। उससे कुछ नया नहीं मिलता। बिंदु फिर एक रेखा पर आ जाते हैं। हम कहते हैं u और w आश्रित हैं।
  5. तीर i (दाएँ) और j (ऊपर) लो। हर बिंदु के लिए जोड़ी (a, b) बिल्कुल एक है। ये दोनों आधार हैं। दो तीर चाहिए, इसलिए विमा 2 है।
  6. अब मैट्रिक्स M लगाओ। आधार-तीर नई जगह चले जाते हैं और पूरा जाल उनके साथ मुड़ जाता है। यही रैखिक मैप है। स्लाइडर चलाकर देखो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

मूल बिंदु से जाने वाली रेखा सदिश समष्टि है पर खिसकी हुई रेखा क्यों नहीं?

किसी सदिश को 0 से गुणा करने पर शून्य सदिश मिलता है। खिसकी हुई रेखा में वह नहीं होता, इसलिए वह गुणा के नीचे बंद नहीं है।

क्या सिर्फ़ u से रेखा के बाहर के बिंदु मिल सकते हैं?

नहीं। a कितना भी बड़ा या ऋणात्मक हो, हर a·u मूल बिंदु वाली उसी रेखा पर रहता है।

दो तीर पूरे तल तक कैसे पहुँचते हैं?

u के साथ a और w के साथ b चुनो। दो अलग दिशाओं से हर बिंदु के लिए सही a और b निकल आते हैं।

आश्रित जोड़ी मेहनत क्यों बेकार करती है?

जब w, u की दिशा में है तो a·u + b·w सिर्फ़ u का गुणज है। बिंदु फिर रेखा पर आ गए, यानी w से नई दिशा नहीं मिली।

क्या आधार एक ही होता है?

नहीं। स्वतंत्र तीरों की कई जोड़ियाँ चलती हैं। जो नहीं बदलता वह तीरों की संख्या है: विमा।

मैट्रिक्स सिर्फ़ i और j की जगह बताता है, फिर हर बिंदु कैसे चलता है?

हर बिंदु a·i + b·j है। रैखिक मैप जोड़ और गुणा को सँभालकर रखता है, इसलिए बिंदु a·(i की छवि) + b·(j की छवि) पर पहुँचता है।

सदिश और सदिश समष्टि

सदिश (vector) वह राशि है जिसकी दिशा और लंबाई होती है। हम उसे तीर से दिखाते हैं और संख्याओं में लिखते हैं, जैसे (2, 1)। सदिशों के साथ दो काम हमेशा हो सकते हैं: उन्हें जोड़ना (तीर सिरे से पूँछ तक रखना) और गुणा करना (किसी संख्या से खींचना या सिकोड़ना)।

सदिश समष्टि (vector space) सदिशों का ऐसा समूह है जिसमें दो सदिश जोड़ने या एक को गुणा करने पर भी नतीजा उसी समूह में रहता है। मूल बिंदु से निकलने वाले सभी तीरों वाला समतल एक सदिश समष्टि है। सामान्य 3D स्पेस भी है। शून्य सदिश हर सदिश समष्टि में होना ही चाहिए।

जो समतल मूल बिंदु से नहीं गुज़रता वह सदिश समष्टि नहीं है: किसी सदिश को 0 से गुणा करते ही हम उससे बाहर निकल जाते हैं।

रैखिक संचयन और स्पैन

u और w का रैखिक संचयन (linear combination) कोई भी सदिश a·u + b·w है, जहाँ a, b संख्याएँ हैं। 3D में हरा तीर यही है: पहले u के साथ a कदम चलो, फिर w के साथ b कदम।

कुछ सदिशों का स्पैन (span) उनके सारे रैखिक संचयनों का समूह है। एक शून्येतर सदिश एक रेखा का स्पैन है। अलग-अलग दिशा वाले दो सदिश एक समतल का स्पैन हैं। तीन सदिश जो एक ही समतल में नहीं हैं पूरे 3D स्पेस का स्पैन हैं।

रैखिक स्वतंत्रता, आधार और विमा

सदिश रैखिकतः स्वतंत्र (linearly independent) होते हैं अगर उनमें से कोई भी बाकियों से बनाया न जा सके। अगर w = 2u है, तो w से कुछ नया नहीं मिलता, इसलिए वे आश्रित (dependent) हैं। आश्रित सदिश मेहनत बेकार करते हैं: स्पैन बढ़ता नहीं।

आधार (basis) स्वतंत्र सदिशों का वह समूह है जो पूरी समष्टि का स्पैन हो। आधार हो तो हर सदिश के निर्देशांक एक ही तरह से मिलते हैं। समतल का सामान्य आधार i = (1, 0) और j = (0, 1) है, पर और भी कई जोड़ियाँ काम करती हैं।

आधार में सदिशों की संख्या विमा (dimension) है। रेखा की विमा 1, समतल की 2, हमारे कमरे की 3 है। एक ही समष्टि के हर आधार में उतने ही सदिश होते हैं।

मैट्रिक्स एक रैखिक मैप है

रैखिक मैप (linear map) सदिशों को सदिशों में भेजता है और दोनों नियम निभाता है: u + w की छवि = u की छवि + w की छवि, और a·u की छवि = a × (u की छवि)। सीधी रेखाएँ सीधी रहती हैं, मूल बिंदु अपनी जगह रहता है और जाल बराबर दूरी वाला रहता है (वह झुक या खिंच सकता है)।

मैट्रिक्स एक रैखिक मैप को बताता है। उसके स्तंभ (columns) वे जगहें हैं जहाँ i और j उतरते हैं। अगर M के स्तंभ (1, 0.3) और (0.8, 1) हैं, तो i जाता है (1, 0.3) पर और j जाता है (0.8, 1) पर। मैप रैखिक है, इसलिए बिंदु (a, b) जाता है a·(1, 0.3) + b·(0.8, 1) पर। इससे ज़्यादा कुछ याद नहीं रखना।

सारणिक (determinant) बताता है कि इकाई वर्ग का क्षेत्रफल कितना गुना हुआ। अगर वह 0 है तो मैप तल को एक रेखा पर दबा देता है और स्पैन घट जाता है: एक विमा खो जाती है। दो-गुणा-दो का मामला फलन के रूप में मैट्रिक्स पाठ में और देखें।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. u = (1, 2) और w = (3, 0) हैं। 2u + w निकालो।

2u = (2, 4)। इसमें w जोड़ो: (2 + 3, 4 + 0) = (5, 4)।

2. (7, 2) को a·(1, 0) + b·(0, 1) के रूप में लिखो।

(7, 2) = 7·(1, 0) + 2·(0, 1), इसलिए a = 7 और b = 2।

3. क्या (1, 2) और (3, 6) स्वतंत्र हैं? उनका स्पैन क्या है?

(3, 6) = 3·(1, 2), यानी एक दूसरे का गुणज है। वे आश्रित हैं। उनका स्पैन सिर्फ़ (1, 2) से जाने वाली रेखा है, विमा 1।

4. क्या (2, 1) और (1, 3) समतल का आधार हैं?

सारणिक देखो: 2×3 − 1×1 = 5, जो 0 नहीं है। इसलिए तीर स्वतंत्र हैं। समतल में दो स्वतंत्र सदिश उसका स्पैन होते हैं, इसलिए यह आधार है।

5. मैट्रिक्स M के स्तंभ (2, 0) और (0, 3) हैं। (1, 1) कहाँ जाएगा?

M(1, 1) = 1·(2, 0) + 1·(0, 3) = (2, 3)। मैप x को 2 गुना और y को 3 गुना खींचता है।

6. एक मैप के स्तंभ (1, 2) और (2, 4) हैं। वह पूरे तल का क्या करता है?

सारणिक 1×4 − 2×2 = 0 है। दूसरा स्तंभ पहले का 2 गुना है, इसलिए हर छवि (1, 2) वाली रेखा पर है। तल एक रेखा पर दब गया: आउटपुट की विमा 1 है।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. तल में एक शून्येतर सदिश का स्पैन है:
2. समतल के आधार में कितने सदिश होते हैं?
3. कौन-सी जोड़ी रैखिकतः आश्रित है?
4. मैट्रिक्स का पहला स्तंभ बताता है:
5. तल पर सारणिक 0 वाला रैखिक मैप:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

रैखिक बीजगणित किस काम आता है?

यह ग्राफ़िक्स, मशीन लर्निंग, भौतिकी और इंजीनियरिंग की भाषा है। जहाँ भी मात्राओं को तय अनुपात में मिलाया जाता है, या आकृतियों को घुमाया, खींचा और प्रक्षेपित किया जाता है, वहाँ यही चलता है।

स्पैन और आधार में क्या फ़र्क़ है?

स्पैन वह सब है जहाँ तक कुछ तीरों से पहुँचा जा सकता है। आधार सबसे छोटा स्वतंत्र तीरों का समूह है जिसका स्पैन पूरी समष्टि हो।

क्या मैट्रिक्स और रैखिक मैप एक ही चीज़ हैं?

आधार तय कर लें तो हाँ। मैट्रिक्स बताता है कि आधार-तीर कहाँ उतरते हैं, और उतना जानना काफ़ी है कि मैप हर सदिश के साथ क्या करता है।

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