ملخص
يفتتح هذا الدرس الوحدة الرابعة من الدورة، المخصصة للمصفوفات والبنى الجبرية. ويعرض الدروس السبعة التي تتألف منها والخيط الذي يربط بينها: فجدول معاملات نظام خطي يصير كائنًا له عملياته الخاصة، والمحدد يحسم متى يكون لنظام مربع حل وحيد، والمصفوفة العكسية تحله دفعةً واحدة، والمصفوفات تُقرأ تحويلاتٍ للمستوى، والأعداد المركبة تعود عائلةً من المصفوفات، وما هو مشترك بين كل هذه الحسابات يتكثف في مفاهيم الزمرة والحلقة الجبرية والحقل. ويستعرض الخلفية التاريخية لهذه الأفكار، من الفصول التسعة في الفن الرياضي إلى كايلي وغالوا ونويتر؛ ويصوغ بدقة المسألتين اللتين نشأت منهما، حلَّ الأنظمة الخطية وحلَّ المعادلات الحدودية بالجذور؛ ويبيّن أين تُستعمل من جديد: في هذه الدورة، ولا سيما في الهندسة التحليلية في الفضاء التي تختمها، وفي دورات أخرى على الموقع، وفي العلم والتقنية.
أهداف التعلم
- وصف ترتيب دروس الوحدة وتفسير ما يضيفه كل منها إلى دراسة الأنظمة الخطية وتحويلات المستوى والبنى الجبرية.
- وضع مفاهيم المصفوفة والمحدد والزمرة في سياقها التاريخي، مع تسمية المسألة التي جاء كل منها ليحلها.
- صياغة مسألة كلاسيكية ذات ثلاثة مجاهيل على هيئة معادلة مصفوفية، وحلها بالحذف وبالمحددات.
- التفسير، بمثال معادلة الدرجة الثانية، لماذا أفضت دراسة تبديلات جذور معادلة ما إلى مفهوم الزمرة، وتحديد استعمالات حالية للمصفوفات وللبنى الجبرية.
تقييم الدخول
قبل اجتياز الوحدة يحسن قياس نقطة البداية. فالأسئلة التسعة الأولى تتناول دروس المحتوى السبعة، مع سؤالين للدرسين المركزيين، درس المحددات ودرس المصفوفة العكسية، والسؤال العاشر مسألة نمذجة تطلب صياغة وضعية في سياق بضرب المصفوفات؛ وتُقاس المهارات نفسها مرة أخرى في النهاية، في درس الخلاصة. أما الأسئلة الثلاثة الأخيرة فتتحقق مما تعدّه الوحدة معلومًا من دورة الجبر والهندسة 1 ومن الوحدة المخصصة للأعداد المركبة في الشكل القطبي. ولا توجد درجة: وإنما يفيد هذا الاختبار في معرفة ما يُتقَن ومواضع التوقف.
قبل أن تبدأ الوحدة، قِس نقطة انطلاقك. إنه تقييم ذاتي قصير: لا يُمنح عليه درجة، وتُحفظ نتيجته في متصفحك فقط.
السؤال 1لتكن و. ما الجداء ؟
هذا هو الجداء ، بالترتيب المعاكس. ضرب المصفوفات ليس تبديليًا، وفي تكون الصفوف صفوف .هذا هو الجداء مُدخلةً بمُدخلة، وهو لا يوافق تركيب التعويضات الخطية. ضرب المصفوفات يجمع الصفوف مع الأعمدة.جُمعت صفوف مع صفوف ، وهذا يعطي . والمُدخلة من تستعمل العمود من .كل مُدخلة تجمع صفًّا من مع عمود من : فالمُدخلة هي ، والمُدخلة هي ، والمُدخلة هي ، والمُدخلة هي .السؤال 2ليكن نظام المعادلات و و. ما قيم التي يكون عندها متسقًا، وكم حلًّا له عندئذ؟
ليس لثلاث معادلات في ثلاثة مجاهيل حل وحيد دائمًا: فهنا رتبة مصفوفة المعاملات ، لأن صفها الثالث هو مجموع الصفين الآخرين.الاتساق لا يستلزم الوحدانية: عند تكون الرتبة المشتركة ، وهي أقل من عدد المجاهيل، وتوجد حلول لانهائية.كون أحد صفوف المعاملات تركيبًا خطيًا من الصفين الآخرين لا يجعل النظام غير متسق؛ وإنما يكون كذلك إذا لم يحقق الحد الثابت العلاقة نفسها، أي إذا كان .الصف الثالث للمعاملات هو مجموع الصفين الأولين، وبعد التدريج يبقى الصف . إذا كان ، فإن رتبة المصفوفة الموسعة ورتبة مصفوفة المعاملات ، والنظام غير متسق؛ وإذا كان ، فإن كلتا الرتبتين تساوي ، وهو أقل من عدد المجاهيل، وبمبرهنة روشيه-فروبنيوس يوجد وسيط حر.السؤال 3احسب محدد المصفوفة التي صفوفها و و.
الإجابة الصحيحة:
بالنشر وفق الصف الأول، . ومن يحصل على فقد نسي الإشارة المتناوبة للحد الثاني من النشر.السؤال 4لتكن مصفوفة من الدرجة حيث . كم يساوي ؟
الإجابة الصحيحة:
للمنقول المحدد نفسه، وضرب المصفوفة في يضرب في كل صف من صفوفها الثلاثة؛ وبالخطية بالنسبة إلى كل صف، يُضرب المحدد في ، فيساوي . ومن يحصل على فقد ضرب في مرة واحدة فقط، كأن ليس فيها إلا صف واحد مضروب.السؤال 5ما المصفوفة العكسية للمصفوفة ؟
هذه مصفوفة المتممات الجبرية دون نقل. والمصفوفة العكسية هي المصفوفة المصاحبة، أي منقول مصفوفة المتممات الجبرية، مقسومةً على المحدد.هذه مصفوفة مقلوبات المُدخلات، وهي ليست المصفوفة العكسية: فجداؤها في ليس المصفوفة المحايدة. والمصفوفة العكسية لا تُحسب مُدخلةً بمُدخلة.بُدّلت عناصر القطر الرئيسي، لكن لم تُغيَّر إشارة عناصر القطر الآخر؛ والجداء في له مُدخلات غير صفرية خارج القطر.المحدد هو ؛ وبصيغة الدرجة الثانية، تُبدَّل عناصر القطر الرئيسي، وتُغيَّر إشارة عناصر القطر الآخر، ويُقسَم على . والضرب في يعطي المصفوفة المحايدة.راجِع: المصفوفة العكسية
السؤال 6لتكن و و مصفوفات مربعة من الدرجة نفسها، حيث و قابلتان للقلب. ما حل المعادلة ؟
وُضعت المصفوفتان العكسيتان في الجهتين المعاكستين. ولأن الضرب ليس تبديليًا، فلحذف ، الموجودة على يسار ، يجب الضرب في من اليسار.ضُرب كل شيء من اليسار. والضرب في على يسار لا يحذف ، الموجودة على يمين .خارج قسمة المصفوفات غير معرّف، لأنه لا يدل من أي جهة يكون الضرب؛ والمعادلة تُحل بالمصفوفتين العكسيتين، كلٌّ في جهتها.يُضرب في من اليسار، أي من الجهة التي توجد فيها ، وفي من اليمين، أي من الجهة التي توجد فيها ؛ وبالتجميعية، .راجِع: المصفوفة العكسية
السؤال 7ما مصفوفة تحويل المستوى الذي يدير كل متجه ربع دورة كاملة عكس اتجاه عقارب الساعة حول نقطة الأصل ثم يعكسه في محور الفواصل؟
هذه هي ، أي التركيب بالترتيب المعاكس: الانعكاس أولًا ثم الدوران. وفي مصفوفة التركيب، يكون التحويل الذي يُطبَّق أولًا هو العامل الأيمن.هذا هو الدوران بربع دورة كاملة وحده؛ وينقص تركيبه مع الانعكاس.هذا هو الدوران بربع دورة كاملة في اتجاه عقارب الساعة. ومحدده ، وتركيب دوران مع انعكاس يعكس التوجيه، بحيث يكون محدده .تركيب الانعكاس ، الذي صفّاه و، بعد الدوران ، الذي صفّاه و، مصفوفته : العامل الذي يُطبَّق أولًا يوضع على اليمين. وعموداه صورتا ، الذي ينتقل إلى ثم إلى ، و، الذي ينتقل إلى ولا يتغير.السؤال 8لتكن مصفوفة الضرب في العدد المركب . احسب .
الإجابة الصحيحة:
مصفوفة صفّاها و، ومحددها ؛ وهنا . ومن يحصل على فقد حسب ، ناسيًا إشارة المُدخلة ، ومن يحصل على فقد أخذ المقياس بدلًا من مربعه.السؤال 9أيّ هذه المجموعات، مع العملية المشار إليها، زمرة؟
ضرب الأعداد الصحيحة تجميعي وعنصره المحايد ، لكن العدد ليس له مقلوب، لأنه لا يوجد عدد صحيح يحقق .جمع الأعداد الطبيعية تجميعي، لكن ليس له عنصر محايد، لأن الأعداد الطبيعية تبدأ من ، ولا توجد معاكسات أيضًا.المجموعة ليست مستقرة: في ، وهو لا ينتمي إليها. وقواسم الصفر تمنع البواقي غير الصفرية من تكوين زمرة.بما أن أولي، فإن حقل: جداء باقيين غير صفريين ليس صفرًا، والضرب تجميعي، وعنصره المحايد ، ولكل باقٍ غير صفري مقلوب.السؤال 10في مدينة ألف ساكن في مركزها و ألف في ضواحيها. وفي كل سنة، ينتقل بالمئة من سكان المركز إلى الضواحي و بالمئة من سكان الضواحي إلى المركز؛ ولا يصل أحد غيرهم ولا يغادر. إذا بقيت النسب على حالها، فكم ألف ساكن سيكون في المركز بعد سنتين؟
الإجابة الصحيحة:
بالمتجه لعدد سكان المركز والضواحي بعد من السنين، يُضرب كل سنة في مصفوفة الانتقال ذات الصفين ، و، ، التي يوزّع عمودها سكان المنطقة ؛ وبتجميعية الضرب، . تعطي السنة الأولى و، والثانية و، مع حفظ المجموع . ومن يحصل على فقد حسب سنة واحدة فقط؛ ومن يحصل على فقد استعمل منقول ، الذي لا يساوي مجموع كل عمود من أعمدته ، بحيث لا يُحفظ المجموع.السؤال 11من وحدات سابقةحلّ بقاعدة كرامر النظام ، ، وأعطِ قيمة .
الإجابة الصحيحة:
محدد النظام هو ، والمحدد الذي يُحصل عليه عندما توضع الحدود الثابتة مكان عمود هو ؛ ومن ثمّ ، وأيضًا . ومن يحصل على فقد حسب أحد المحددين بجداء القطرين بالترتيب المعاكس.راجِع: المعادلات والمتراجحات من الدرجة الأولى والأنظمة الخطية
السؤال 12من وحدات سابقةأوجد مقلوب بترديد ، أي الباقي بين و بحيث يكون .
الإجابة الصحيحة:
بما أن ، فإن المقلوب موجود، و. ومن يجيب فقد بحث عن المقلوب في الأعداد النسبية، لا عن باقٍ بترديد .راجِع: التطابقات والحساب النمطي
السؤال 13من وحدات سابقةما الشكل القطبي للعدد ؟
بُدّل جيب التمام والجيب: كان سيوافق الجزء الحقيقي، لكن الجزء الحقيقي هو .أُخذ مربع المقياس، ، دون استخراج الجذر.هذا هو العدد المركب ، من الربع الثاني؛ أما فجزؤه الحقيقي موجب ويقع في الربع الأول.المقياس هو ، والعمدة هي زاوية الربع الأول التي جيب تمامها وجيبها ، أي .راجِع: الشكل القطبي للأعداد المركبة
جارٍ تحميل المحتوى…