Cómo demostrar que el vector A + vector B = vector B + vector A

¡Esa es una pregunta increíble! Es una pregunta muy profunda (geometría riemanniana profunda). Tenga paciencia conmigo, intentaré usar dos ejemplos poco comunes para darle un giro a la cabeza.

Primero, si estás parado en el ecuador y te pidieron que caminaras al este 1000 km, luego ve al norte 1000 km. Comienzo desde el mismo lugar, y primero camino al norte 1000 km, luego al este 1000 km. ¿Estaremos en el mismo lugar al final? La respuesta es no. Bueno, puedes decir que los 1000 km al este y al norte no son realmente vectores. Y no, no están en el sentido tradicional. Así que aquí están nuestras elecciones. Podemos decir que no son vectores, por lo que no siguen las reglas conmutativas (abelianas) en un espacio vectorial tradicional. O bien, podemos inventar una interpretación de que son algún tipo de “vectores”, pero que no residen en el espacio tradicional. Es un espacio reimaniano, un espacio curvo. (Los dos segmentos de “líneas rectas” que caminó, y los dos que caminé, no forman un cuadrado. No hay paralelogramo en este espacio curvo. La suma de vectores a menudo se explica por el método de paralelogramo en geometría).

Segundo ejemplo: en física, nos encanta pensar en cualquier cosa como escalares, vectores, etc. ¿Puede la rotación (desplazamiento angular) ser un vector? De alguna manera … Digamos que tienes un libro sobre la mesa. Lo giras alrededor del eje Este 90 grados. Nos encantaría pensar que esta rotación es un “vector” que apunta hacia el este, con magnitud pi / 4 (use radianes). De alguna manera funciona. Este “vector” suma, resta, con cualquier otro vector en esta dirección este muy bien. Ahora, después del giro East-pi / 4, luego haga un giro north-pi / 4. (Sea coherente, use lo que llamamos la regla de la mano derecha para determinar la dirección de giro, que es en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj). Vea qué orientación tendrá el libro. Ahora reiniciar. Desde el principio, primero gire north-pi / 4, luego este-pi / 4. NOOOO No es lo mismo. ¡Estos “vectores” no obedecen la regla de conmutación! (Espero que usted, o quien sea que esté leyendo esto, algún día continúe y profundice … Cada rotación en el espacio tridimensional puede representarse con un “vector” de longitud entre -pi y + pi. Esto es muy interesante ” espacio “se llama SO (3), el Grupo rotacional ortogonal especial en 3-dim …)

De hecho, el desplazamiento angular NO es un vector, aunque su velocidad de cambio, velocidad angular, es un vector. Así es la aceleración angular. Simplemente no desplazamiento angular.

No estoy tratando de probar o refutar nada aquí. La propiedad conmutativa que solicitó es un axioma básico en espacios vectoriales / álgebra lineal. Siempre depende de ti hacer y aceptar lo que te dijeron. O no.

Este enlace lleva a la definición axiomática del espacio vectorial – Wikipedia

La pregunta se refiere al axioma de la conmutatividad de la adición (de dos vectores) y por brevedad solo discuto la adición .

Para cualquiera de los dos vectores A y B, hay una operación llamada adición de A y B para que

[matemáticas] A + B = B + A [/ matemáticas]

Dado que cualquier vector tiene componentes escalares reales o complejos, la adición de los vectores A y B es compatible con la adición de escalares. Específicamente, ya que:

[matemáticas] A = [x1, x2, x3,…, xn] [/ matemáticas] y [matemáticas] B = [y1, y2, y3,…, yn] [/ matemáticas] entonces,

[matemáticas] A + B = [x1 + y1, x2 + y2, x3 + y3,…, xn + yn] [/ matemáticas]

Para cualquier componente de A + B [matemática] xj + yj [/ matemática], [matemática] j = 1,…, n [/ matemática]

La conmutatividad de la adición de escalares es cierta:

[matemáticas] xj + yj = yj + xj [/ matemáticas] por lo tanto:

[matemáticas] A + B = [/ matemáticas]

[matemáticas] = [x1 + y1, x2 + y2, x3 + y3,…, xn + yn] = [/ matemáticas]

[matemáticas] = [y1 + x1, y2 + x2, y3 + x3, …, yn + xn] = [/ matemáticas]

[matemáticas] = B + A [/ matemáticas]

Entonces, la conmutatividad de los vectores con respecto a la adición es una consecuencia de la conmutatividad de los escalares con respecto a la adición . Esto no constituye una prueba de la conmutatividad de los vectores porque la conmutatividad de los escalares está definida axiomáticamente.

Los axiomas son reglas que definen (califican) estructuras algebraicas con respecto a ciertas operaciones como la suma y la multiplicación . A diferencia de los teoremas, no requieren pruebas (en realidad, la prueba de teoremas se basa en axiomas).

Más importante aún, el sistema de axiomas que define una determinada estructura algebraica (p. Ej., El grupo escalar con respecto a la suma) se construye de manera consistente de tal manera que contradecir uno de los axiomas en el sistema, afecta a los otros algunas veces y conduce a un resultado contradictorio o absurdo.

Por ejemplo, si consideramos que la conmutatividad con respecto a la adición de escalares es falsa:

[matemáticas] xj + yj ≠ yj + xj [/ matemáticas], [matemáticas] j = 1,…, n [/ matemáticas]

luego, agregar el inverso aditivo -yj de yj (una cantidad definida axiomáticamente) en LHS daría

[matemáticas] xj + yj + (-yj) = xj + 0 [/ matemáticas]

donde 0 representa el elemento de identidad aditivo (también definido axiomáticamente)

Del mismo modo para el RHS:

[matemáticas] yj + (-yj) + xj = 0 + xj [/ matemáticas]

Ahora, dado que asumimos que [matemática] xj + yj ≠ yj + xj [/ matemática] se seguiría que

[matemática] xj + 0 ≠ 0 + xj [/ matemática] => [matemática] xj ≠ xj [/ matemática] para cualquier [matemática] j = 1,…, n [/ matemática],

lo cual es falso

En conclusión, la relación de conmutatividad

[matemática] xj + yj = yj + xj [/ matemática] es verdadera para cualquier [matemática] j = 1,…, n [/ matemática]

La mayoría de los libros lo tienen como axioma para los vectores. Invocaremos el axioma conmutativo para un campo. Lo siguiente no es una prueba, pero tiene cierta intuición de por qué debería ser cierto.

Suponga que [matemática] \ vec {a} [/ matemática], [matemática] \ vec {b} [/ matemática] [matemática] \ en [/ matemática] [matemática] V [/ matemática] y que [matemática] V [ / math] es un espacio vectorial de n dimensiones con {[math] \ hat {x_1} [/ math], [math] \ hat {x_2} [/ math], [math] \ hat {x_3} [/ math], …, [Math] \ hat {x_n} [/ math]} como elementos básicos. Además, supongamos que {[matemáticas] \ alpha_1 [/ matemáticas], [matemáticas] \ alpha_2 [/ matemáticas],…, [matemáticas] \ alpha_n [/ matemáticas], [matemáticas] \ beta_1 [/ matemáticas], [matemáticas] \ beta_2 [/ math],…, [math] \ beta_n [/ math]} [math] \ in [/ math] [math] \ mathbb {R} [/ math]

let [matemáticas] \ vec {a} = \ alpha_1 \ hat {x_1} + \ alpha_2 \ hat {x_2} +… + \ alpha_n \ hat {x_n} [/ math]

y deje que [math] \ vec {b} = \ beta_1 \ hat {x_1} + \ beta_2 \ hat {x_2} +… + \ beta_n \ hat {x_n} [/ math]

[matemáticas] \ vec {a} + \ vec {b} = \ alpha_1 \ hat {x_1} + \ alpha_2 \ hat {x_2} +… + \ alpha_n \ hat {x_n} + \ beta_1 \ hat {x_1} + \ beta_2 \ hat {x_2} +… + \ beta_n \ hat {x_n} [/ math]

Claramente,

[matemáticas] \ vec {a} + \ vec {b} = \ alpha_1 \ hat {x_1} + \ beta_1 \ hat {x_1} + \ alpha_2 \ hat {x_2} + \ beta_2 \ hat {x_2} +… + \ alpha_n \ hat {x_n} + \ beta_n \ hat {x_n} [/ math]

[matemáticas] \ vec {a} + \ vec {b} = (\ alpha_1 + \ beta_1) \ hat {x_1} + (\ alpha_2 + \ beta_2) \ hat {x_2} +… + (\ alpha_n + \ beta_n) \ hat {x_n} [/ math]

Aquí la suma entre paréntesis es la suma escalar. Hay 10 axiomas de campo, uno de los cuales establece que la adición escalar es conmutativa. Entonces, se nos permite cambiar el orden dentro del paréntesis.

[matemáticas] \ vec {a} + \ vec {b} = (\ beta_1 + \ alpha_1) \ hat {x_1} + (\ beta_2 + \ alpha_2) \ hat {x_2} +… + (\ beta_n + \ alpha_n) \ hat {x_n} [/ math]

Supongamos que agregamos la otra manera

[matemáticas] \ vec {b} + \ vec {a} = \ beta_1 \ hat {x_1} + \ beta_2 \ hat {x_2} +… + \ beta_n \ hat {x_n} + \ alpha_1 \ hat {x_1} + \ alpha_2 \ hat {x_2} +… + \ alpha_n \ hat {x_n} [/ math]

Y esto es,

[matemáticas] \ vec {b} + \ vec {a} = (\ beta_1 + \ alpha_1) \ hat {x_1} + (\ beta_2 + \ alpha_2) \ hat {x_2} +… + (\ beta_n + \ alpha_n) \ hat {x_n} [/ math]

Por lo tanto,

[matemáticas] \ vec {a} + \ vec {b} = \ vec {b} + \ vec {a} [/ matemáticas]

Este es uno de los axiomas que definen un espacio vectorial. No pruebas un axioma.

Un espacio vectorial es un grupo abeliano de elementos (“vectores”) bajo una operación binaria “suma de vectores”, y una operación adicional, “multiplicación escalar”, con el campo de números Reales o Complejos. La multiplicación escalar debe ser “compatible” con la multiplicación ordinaria, entonces (xy) v = x (yv), y doblemente distributiva sobre la suma del vector, entonces (x + y) (u + v) = xu + yv + xv + yu, para cualquier número complejo xy y vectores uv

Vector A = (xa, ya, za)

Vector B = (xb, yb, zb)

Vector A + Vector B = (xa + xb, ya + yb, za + zb)

Vector B + Vector A = (xb + xa, ya + yb, zb + za)

de hecho son lo mismo

Use la regla de paralelogramo para demostrarlo de manera pictórica