Лекции переходящие в шпоры Алгебра и геометрия

1. Матрицы. Терминология и обозначения.

Матрицей размера (mxn) называется на-бор mn чисел – элементов м-цы Ai,j, запи-санных в виде прямоугольной таблицы:

Набор аi1, ai2, ain – наз iтой строкой м-цы. Набор a1j, a2j, amj – jтым столбцом.

М-ца размером 1хп – называется стро-кой, вектором; м-ца размером mx1 – столбцом. Если размерность пхп – матри-ца называется квадратной. Набор элемен-тов а11, а22, апп образует главную диаго-наль м-цы. Набор а1п, а1,п-1, ап1 – побоч-ную диагональ. М-ца все эл-ты, которой = 0 наз. нулевой. Квадратная м-ца, элементы главной диагонали которой равны 1, а все остальные – 0, называется единичной, обозн.: Е

Матрицы: А(I,j) и B(I,J) называется рав-ными, если равны их размеры и их эле-ме6нты в одинаковых позициях совпада-ют.

2. Действия с матрицами

1) Сложение

Суммой м-ц А(I,j) и B(I,J) наз. м-ца С(I,J) элементы кот, выч по формуле:

Сij=Aij+Bij (I=1…m, j = 1…n)

C=A+B (размер всех м-ц: mxn)

2) умножение м-цы на число

Произведение м-цы А = (Aij) размера mxn на число С называется матрица: B=(Bij) размера mxn, элементы кот, выч. по фор-муле:

Вij=СAij (I=1…m, j = 1…n)

В=СА

вычитание:

С=А+(-)В = А-В

3) умножение м-ц

А=(Aik), B=(Bkj) – квадратные м-цы по-рядка n. Произведением А на В называют м-цу С= (Сij) элементы, кот выч. по фор-муле:

Сij = Ai1B1j+… AinBnJ

С=АВ. Можно записать так:

Порядок сомножителей в матрице сущест-венен: АВ не равно ВА

Св-ва умножения м-цы:

(АВ)С=А(ВС)

А(В+С)=АВ+АВ, (А+В)С=АС+ВС

Произведение двух прямоугольных мат-риц существует, если их внутренние раз-меры (число столбцов первой, и число строк второй) равны.

3. Порядки суммирования. Транспониро-вание м-цы

Сумму Н всех элементов квадратной м-цы А можно вычислить 2 мя способами:

1. Находя сумму элементов каждого столбца и складывая полученные суммы:

2. Находя сумму элементов каждой строки и складывая эти суммы:

отсюда вытекает, что

порядок суммирования в двойной сумме можно менять.

Матрица

называется транспонированной по отно-шению к м-це А=

Обозначается АТ. При транспонировании строки переходят в столбцы, а столбцы в строки и если А размером mxn, то АТ бу-дет размером nxm

Св-ва операции транспонирования.

1 (АТ)Т=А

2 (А+В)Т=АТ+ВТ

3 (СА)Т=САТ (С-число)

4 (АВ)Т=АТВТ

4. Элементарные преобразования матрицы.

1 Переставление двух строк

2 Умножение строки на не равное 0 число В

3 Прибавление к строке матрицы другой ее строки, умноженной на число С.

Также производят элементарные преобра-зования столбцов.

5. Матрицы элементарных преобразова-ний.

С элементарными преобразованиями тесно связаны квадратные матрицы элементар-ных преобразований. Они бывают сле-дующих типов:

1 м-цы получающиеся из единичных пу-тем перестановки двух любых строк на-пример м-ца:

получена перестановкой 2 и 4 строки

2 тип. м-цы получающиеся из единичной заменой диагонального элемента на произвольное не нулевое число:

отличается от единичной элементом В во второй строке

3 тип отличающиеся лишь одним недиаго-нальным не нулевым элементом:

Основное св-во матриц элементарных преобразований Элементарное преобразование произвольной матрицы равносильно умножению этой м-цы на матрицу элементарных преобразований

Элементарные преобразования строк м-цы А

1 умножение м-цы А на м-цу 1 типа сле-ва переставляет строки с номерами I,j

2 Умножение м-цы А на м-цу второго типа слева равносильно умножению j строки м-цы А на число В

3 прибавление к jстороке м-цы А ее iтой строки, умноженной на число С равно-сильно умножению м-цы А на м-цу 3 типа слева

Элементарные преобразования столбцов м-цы А

1 умножение м-цы А на м-цу 1 типа справа переставляет столбцы с номерами I,j

2 Умножение м-цы А на м-цу второго типа справа равносильно умножению j столбца м-цы А на число В.

3 прибавление к j столбцу м-цы А ее I того столбца, умноженного на число С равносильно умножению м-цы А на м-цу 3 типа справа.

6. Определители

С каждой квадратной матрицей связано некое число наз. определителем.

Определителем м-цы второго порядка:

наз число: а11а22-а12а21

Определитель м-цы третьего порядка:

=

=

также можно восп правилами треугольни-ка:

Предположив, что определитель м-цы по-рядка меньше n уже известен, определи-тель м-цы порядка n будет равен:

D= a11M11-a21M21+…+(-1)n+1an1Mn1

где Мi1 – определитель м-цы порядка n-1, это число называется дополнительным минором. Подобная м-ца получается из А путем вычеркивания 1 столбца и j строки. Это называется разложением определите-ля по 1 ому столбцу.

число: Аij=(-1)I+1Mij называется алгебраи-ческим дополнением эл-та аij в определи-теле [А] с учетом алгебр. доп ф-лу нахож-дения определителя можно записать так:

Определитель – сумма попарных произве-дений эл-тов произвольного столбца на их алгебраический дополнитель.

7. Свойства определителя

1 При транспонировании матрицы опреде-литель не изменяется: [AT]=[А]

отсюда вытекает, что строка и столбец равноправны с точки зрения свойств опре-делителя.

2 Линейность

Если в определителе D I является линей-ной комбинацией 2-х строк:

тогда D=fD’+lD’’

где:

отличаются от D только I-тыми строками.

3 Антисимметричность если определитель В* получен из опр В перестановкой строк, то В* = -В

4 Определитель матрицы с двумя одина-ковыми строками равен 0

5 Умножение строки определителя на чис-ло равносильно умножению самого опре-делителя на это число

6 определитель с 0 строкой = 0

7 определитель, одна из строк которого = произв другой строки на число не равное 0 = 0. (Число выносится за определитель далее по св-ву 4)

8 Если к строке определителя прибавить другую его строку, умноженную на какое либо число, то полученный определитель будет равен исходному.

9 Сумма произведения эл-тов строки оп-ределителя на алгебр. дополнение соот-ветствующих элементов другой строки опр = 0

8. Обратная матрица

Квадратная матрица наз. невырожденной, если ее определитель не равен 0.

М-ца В, полученная из невырожд м-цы А по правилу:

В позицию ij м-цы В помещается число = алгебраическому дополнению м-цы Aji, эл-та аji в м-це А.

М-ца В наз. союзной или присоединенной к м-це А и обладает следующими св-вами:

АВ=ВА=[А]I (I-единичная матрица)

Матрица А-1=1/[А]В называется обратной м-це А. Отсюда вытекает равенство:

АА-1=I, А-1А=I

М-цу А-1 можно рассматривать как реше-ние 2х матричных уравнений АХ=I, ХА=I, где - неизвестная матри-ца.

Произвольную невырожденную м-цу эле-ментарными преобразованиями строк можно привести к единичной матрице

1 Привести к треугольному виду

2 Диагональ матрицы преобр 2 вида при-водится к равенству единицам

3 Преобразованиями 3 го типа, прибавляя к п-1 строке последнюю умноженную на –а1п, -а2п…-ап-1п, приводится к матрице у которой все эл-ты п-ного столбца, кроме последнего равны 0 и т. д.

2 метод построения обратной м-цы путем составления расширенной матрицы (метод Жордана)

1 составляется расширенная матрица, при-писывая к матрице А единичную матрицу I того же порядка т. е. получаем м-цу (А|I) элементарными преобр строк м-ца А при-водится к треугольному виду, а потом к единичному, полученаая на месте I м-цы м-цы С – является обратной исходной матрице А

15. Понятия связанного и свободного век-торов.

Рассмотрим т А и т. В, по соединяющему их отрезку можно перемещать в двух на-правлениях: если считать А началом, а т. В – концем, то получим направленный отре-зок АВ, а если т. В- начало, а т. А – конец, то направленный отрезок ВА. Направлен-ный отрезок часто наз. связанными или закрепленными векторами. В случае, когда начальная и конечная точка совпадают, т. е. А=В, связанный вектор наз. нулевым..

Связанные векторы АВ и СД равны, если середины отрезков АД и ВС совпадают обоз: АВ=СД, отметим, что в случае, когда т. А,В,С,Д не лежат на одной прямой это равносильно тому, что четырехугольник АВСД – параллелограмм. Поэтому равные связанные в-ры имеют равные длины.

Св-ва связанных в-ров:

1 Каждый связанный в-р равен самому себе АВ=АВ

2 Если АВ=СД, то и СД = АВ

3 Если АВ=СД и СД=EF, то AB=EF

От каждой точки можно отложить связан-ный в-р равный исходному.

Свободные в-ры – те, начальную точку которых можно выбирать произвольно. или, что тоже самое, которые можно про-извольно переносить параллельно