Περίληψη
Αυτό το μάθημα ανοίγει την τέταρτη ενότητα του κύκλου μαθημάτων, που είναι αφιερωμένη στους πίνακες και στις αλγεβρικές δομές. Παρουσιάζει τα επτά μαθήματα που την απαρτίζουν και το νήμα που τα ενώνει: η ορθογώνια διάταξη των συντελεστών ενός γραμμικού συστήματος γίνεται ένα αντικείμενο με δικές του πράξεις, η ορίζουσα αποφασίζει πότε ένα τετραγωνικό σύστημα έχει μοναδική λύση, ο αντίστροφος πίνακας το λύνει με μιας, οι πίνακες διαβάζονται ως μετασχηματισμοί του επιπέδου, οι μιγαδικοί αριθμοί επανεμφανίζονται ως μια οικογένεια πινάκων, και ό,τι είναι κοινό σε όλους αυτούς τους υπολογισμούς συμπυκνώνεται στις έννοιες της ομάδας, του δακτυλίου και του σώματος. Διατρέχει το ιστορικό υπόβαθρο αυτών των ιδεών, από τα Εννέα κεφάλαια για τη μαθηματική τέχνη έως τον Κέιλι, τον Γκαλουά και τη Νέτερ· διατυπώνει με ακρίβεια τα δύο προβλήματα από τα οποία γεννήθηκαν, την επίλυση των γραμμικών συστημάτων και την επίλυση των πολυωνυμικών εξισώσεων με ριζικά· και δείχνει πού χρησιμοποιούνται ξανά σε αυτόν τον κύκλο μαθημάτων, ιδίως στην αναλυτική γεωμετρία του χώρου που τον ολοκληρώνει, σε άλλους κύκλους μαθημάτων του ιστοτόπου και στην επιστήμη και την τεχνική.
Μαθησιακοί στόχοι
- Να περιγράφει τη σειρά των μαθημάτων της ενότητας και να εξηγεί τι προσφέρει το καθένα στη μελέτη των γραμμικών συστημάτων, των μετασχηματισμών του επιπέδου και των αλγεβρικών δομών.
- Να τοποθετεί στο ιστορικό τους πλαίσιο τις έννοιες του πίνακα, της ορίζουσας και της ομάδας, κατονομάζοντας το πρόβλημα που ήρθε να λύσει η καθεμία.
- Να διατυπώνει ως εξίσωση πινάκων ένα κλασικό πρόβλημα με τρεις αγνώστους και να το λύνει με απαλοιφή και με ορίζουσες.
- Να εξηγεί, με το παράδειγμα της εξίσωσης δευτέρου βαθμού, γιατί η μελέτη των μεταθέσεων των ριζών μιας εξίσωσης οδήγησε στην έννοια της ομάδας, και να αναγνωρίζει σημερινές χρήσεις των πινάκων και των αλγεβρικών δομών.
Αρχική αξιολόγηση
Πριν διατρέξουμε την ενότητα, αξίζει να μετρήσουμε το σημείο εκκίνησης. Οι εννέα πρώτες ερωτήσεις διατρέχουν τα επτά μαθήματα περιεχομένου, με δύο ερωτήσεις για τα κεντρικά μαθήματα, εκείνο για τις ορίζουσες και εκείνο για τον αντίστροφο πίνακα, και η δέκατη είναι ένα πρόβλημα μοντελοποίησης, που ζητά να διατυπωθεί με το γινόμενο πινάκων μια κατάσταση σε πλαίσιο· οι ίδιες δεξιότητες μετρώνται ξανά στο τέλος, στο μάθημα της σύνθεσης. Οι τρεις τελευταίες ελέγχουν όσα η ενότητα θεωρεί γνωστά από τον πρώτο κύκλο μαθημάτων και από την ενότητα για τους μιγαδικούς αριθμούς σε πολική μορφή. Δεν υπάρχει βαθμολογία: χρησιμεύει για να ξέρουμε τι κατέχουμε και πού να σταθούμε.
Πριν ξεκινήσεις την ενότητα, μέτρησε το σημείο εκκίνησής σου. Είναι μια σύντομη αυτοαξιολόγηση: δεν βαθμολογείται και το αποτέλεσμα αποθηκεύεται μόνο στον περιηγητή σου.
Ερώτηση 1Έστω και . Ποιο είναι το γινόμενο ;
Είναι το γινόμενο , με την αντίθετη σειρά. Το γινόμενο πινάκων δεν είναι αντιμεταθετικό, και στο οι γραμμές είναι εκείνες του .Είναι το γινόμενο στοιχείο προς στοιχείο, που δεν αντιστοιχεί στη σύνθεση γραμμικών αντικαταστάσεων. Το γινόμενο πινάκων συνδυάζει γραμμές με στήλες.Συνδυάστηκαν οι γραμμές του με τις γραμμές του , πράγμα που δίνει . Το στοιχείο του χρησιμοποιεί τη στήλη του .Κάθε στοιχείο συνδυάζει μια γραμμή του με μια στήλη του : το στοιχείο είναι , το είναι , το είναι και το είναι .Επανάληψη: Πίνακες και πράξεις με πίνακες
Ερώτηση 2Θεωρούμε το σύστημα εξισώσεων , και . Για ποιες τιμές του είναι συμβιβαστό, και πόσες λύσεις έχει τότε;
Τρεις εξισώσεις με τρεις αγνώστους δεν έχουν πάντα μοναδική λύση: εδώ ο πίνακας των συντελεστών έχει βαθμίδα , επειδή η τρίτη του γραμμή είναι το άθροισμα των άλλων δύο.Το συμβιβαστό δεν συνεπάγεται τη μοναδικότητα: με η κοινή βαθμίδα είναι , λιγότερο από το πλήθος των αγνώστων, και υπάρχουν άπειρες λύσεις.Το ότι μια γραμμή συντελεστών είναι συνδυασμός των άλλων δεν κάνει το σύστημα αδύνατο· αδύνατο είναι μόνο αν ο σταθερός όρος δεν τηρεί την ίδια σχέση, δηλαδή αν .Η τρίτη γραμμή συντελεστών είναι το άθροισμα των δύο πρώτων, και με την κλιμάκωση μένει η γραμμή . Αν , ο επαυξημένος πίνακας έχει βαθμίδα και ο πίνακας των συντελεστών βαθμίδα , και το σύστημα είναι αδύνατο· αν , και οι δύο βαθμίδες ισούνται με , λιγότερο από το πλήθος των αγνώστων, και από το θεώρημα Ρουσέ-Φρομπένιους υπάρχει ελεύθερη παράμετρος.Ερώτηση 3Να υπολογιστεί η ορίζουσα του πίνακα με γραμμές , και .
Σωστή απάντηση:
Αναπτύσσοντας κατά την πρώτη γραμμή, . Όποιος βρίσκει έχει ξεχάσει το εναλλασσόμενο πρόσημο του δεύτερου όρου του αναπτύγματος.Επανάληψη: Ορίζουσες: ιδιότητες και κανόνας του Κράμερ
Ερώτηση 4Έστω ένας πίνακας τάξης με . Πόσο είναι η ;
Σωστή απάντηση:
Ο ανάστροφος έχει την ίδια ορίζουσα, και ο πολλαπλασιασμός του πίνακα επί πολλαπλασιάζει επί καθεμία από τις τρεις γραμμές του· λόγω της γραμμικότητας ως προς κάθε γραμμή, η ορίζουσα πολλαπλασιάζεται επί , και ισούται με . Όποιος βρίσκει έχει πολλαπλασιάσει επί μία μόνο φορά, σαν ο να είχε μία μόνο γραμμή πολλαπλασιασμένη.Επανάληψη: Ορίζουσες: ιδιότητες και κανόνας του Κράμερ
Ερώτηση 5Ποιος είναι ο αντίστροφος του πίνακα ;
Είναι ο πίνακας των αλγεβρικών συμπληρωμάτων χωρίς αναστροφή. Ο αντίστροφος είναι ο προσαρτημένος, δηλαδή ο ανάστροφος του πίνακα των αλγεβρικών συμπληρωμάτων, διαιρεμένος με την ορίζουσα.Είναι ο πίνακας των αντιστρόφων των στοιχείων, που δεν είναι ο αντίστροφος πίνακας: το γινόμενό του με τον δεν είναι ο μοναδιαίος. Ο αντίστροφος ενός πίνακα δεν υπολογίζεται στοιχείο προς στοιχείο.Εναλλάχθηκαν τα στοιχεία της κύριας διαγωνίου, αλλά δεν άλλαξε το πρόσημο των στοιχείων της άλλης διαγωνίου· το γινόμενο με τον έχει μη μηδενικά στοιχεία έξω από τη διαγώνιο.Η ορίζουσα είναι · με τον τύπο τάξης δύο, εναλλάσσονται τα στοιχεία της κύριας διαγωνίου, αλλάζει το πρόσημο των στοιχείων της άλλης και γίνεται διαίρεση με . Το γινόμενο με τον δίνει τον μοναδιαίο πίνακα.Επανάληψη: Ο αντίστροφος πίνακας
Ερώτηση 6Έστω , και τετραγωνικοί πίνακες της ίδιας τάξης, με τους και αντιστρέψιμους. Ποια είναι η λύση της εξίσωσης ;
Οι αντίστροφοι τοποθετήθηκαν στις αντίθετες πλευρές. Επειδή το γινόμενο δεν είναι αντιμεταθετικό, για να απαλειφθεί ο , που βρίσκεται αριστερά του , πρέπει να γίνει πολλαπλασιασμός με τον από αριστερά.Όλα πολλαπλασιάστηκαν από αριστερά. Ο πολλαπλασιασμός με τον αριστερά του δεν απαλείφει τον , που βρίσκεται δεξιά του .Το πηλίκο πινάκων δεν ορίζεται, επειδή δεν θα έδειχνε από ποια πλευρά γίνεται ο πολλαπλασιασμός· η εξίσωση λύνεται με τους αντιστρόφους, τον καθένα στην πλευρά του.Γίνεται πολλαπλασιασμός με τον από αριστερά, την πλευρά όπου βρίσκεται ο , και με τον από δεξιά, την πλευρά όπου βρίσκεται ο · λόγω της προσεταιριστικότητας, .Επανάληψη: Ο αντίστροφος πίνακας
Ερώτηση 7Ποιος είναι ο πίνακας του μετασχηματισμού του επιπέδου που στρέφει κάθε διάνυσμα κατά ένα τέταρτο της πλήρους στροφής αντίθετα προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού γύρω από την αρχή και μετά το ανακλά ως προς τον άξονα των τετμημένων;
Είναι ο , η σύνθεση με την αντίθετη σειρά: πρώτα ανάκλαση και μετά στροφή. Στον πίνακα μιας σύνθεσης, ο μετασχηματισμός που εφαρμόζεται πρώτος είναι ο δεξιός παράγοντας.Είναι μόνο η στροφή κατά ένα τέταρτο της πλήρους στροφής· λείπει η σύνθεσή της με την ανάκλαση.Είναι η στροφή κατά ένα τέταρτο της πλήρους στροφής σύμφωνα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Έχει ορίζουσα , και η σύνθεση μιας στροφής με μια ανάκλαση αντιστρέφει τον προσανατολισμό, ώστε η ορίζουσά της είναι .Η σύνθεση της ανάκλασης , με γραμμές και , μετά τη στροφή , με γραμμές και , έχει πίνακα : ο παράγοντας που εφαρμόζεται πρώτος μπαίνει δεξιά. Οι στήλες του είναι οι εικόνες του , που πηγαίνει στο και μετά στο , και του , που πηγαίνει στο και δεν αλλάζει.Επανάληψη: Οι πίνακες ως μετασχηματισμοί του επιπέδου
Ερώτηση 8Έστω ο πίνακας του πολλαπλασιασμού επί τον μιγαδικό . Να υπολογιστεί η .
Σωστή απάντηση:
Ο πίνακας του έχει γραμμές και , και η ορίζουσά του είναι · εδώ, . Όποιος βρίσκει υπολόγισε , ξεχνώντας το πρόσημο του στοιχείου , και όποιος βρίσκει πήρε το μέτρο αντί για το τετράγωνό του.Επανάληψη: Οι μιγαδικοί αριθμοί ως πίνακες
Ερώτηση 9Ποιο από αυτά τα σύνολα, με την πράξη που αναφέρεται, είναι ομάδα;
Το γινόμενο ακεραίων είναι προσεταιριστικό και έχει ουδέτερο στοιχείο το , αλλά το δεν έχει αντίστροφο, επειδή κανένας ακέραιος δεν ικανοποιεί .Το άθροισμα φυσικών είναι προσεταιριστικό, αλλά δεν έχει ουδέτερο στοιχείο, επειδή οι φυσικοί αρχίζουν από το , και ούτε υπάρχουν αντίθετοι.Το σύνολο δεν είναι κλειστό: στο , που δεν ανήκει σε αυτό. Οι διαιρέτες του μηδενός εμποδίζουν τα μη μηδενικά υπόλοιπα να σχηματίσουν ομάδα.Επειδή ο είναι πρώτος, το είναι σώμα: το γινόμενο δύο μη μηδενικών υπολοίπων δεν είναι μηδέν, είναι προσεταιριστικό, έχει ουδέτερο στοιχείο το και κάθε μη μηδενικό υπόλοιπο έχει αντίστροφο.Ερώτηση 10Μια πόλη έχει χιλιάδες κατοίκους στο κέντρο της και χιλιάδες στην περιφέρειά της. Κάθε χρόνο, το τοις εκατό των κατοίκων του κέντρου μετακομίζει στην περιφέρεια και το τοις εκατό των κατοίκων της περιφέρειας μετακομίζει στο κέντρο· κανείς άλλος δεν έρχεται ούτε φεύγει. Αν οι αναλογίες διατηρούνται, πόσες χιλιάδες κατοίκους θα έχει το κέντρο μετά από δύο χρόνια;
Σωστή απάντηση:
Με το διάνυσμα των πληθυσμών του κέντρου και της περιφέρειας μετά από χρόνια, κάθε χρόνο γίνεται πολλαπλασιασμός με τον πίνακα μετάβασης με γραμμές , και , , του οποίου η στήλη μοιράζει τους κατοίκους της ζώνης · λόγω της προσεταιριστικότητας του γινομένου, . Ο πρώτος χρόνος δίνει και , και ο δεύτερος και , με το σύνολο των να διατηρείται. Όποιος βρίσκει υπολόγισε έναν μόνο χρόνο· όποιος βρίσκει χρησιμοποίησε τον ανάστροφο του , του οποίου οι στήλες δεν έχουν άθροισμα , οπότε το σύνολο δεν διατηρείται.Επανάληψη: Πίνακες και πράξεις με πίνακες
Ερώτηση 11Από προηγούμενες ενότητεςΝα λυθεί με τον κανόνα του Κράμερ το σύστημα , , και να δοθεί η τιμή του .
Σωστή απάντηση:
Η ορίζουσα του συστήματος είναι , και εκείνη που προκύπτει όταν η στήλη του αντικατασταθεί από τους σταθερούς όρους είναι · άρα , και επίσης . Όποιος βρίσκει υπολόγισε μία από τις δύο ορίζουσες με το γινόμενο των διαγωνίων με την αντίθετη σειρά.Επανάληψη: Εξισώσεις και ανισώσεις πρώτου βαθμού και γραμμικά συστήματα
Ερώτηση 12Από προηγούμενες ενότητεςΝα βρεθεί ο αντίστροφος του modulo , δηλαδή το υπόλοιπο μεταξύ και τέτοιο ώστε .
Σωστή απάντηση:
Επειδή , ο αντίστροφος υπάρχει, και . Όποιος απαντά αναζήτησε τον αντίστροφο στους ρητούς, και όχι ένα υπόλοιπο modulo .Επανάληψη: Ισοτιμίες και αριθμητική υπολοίπων
Ερώτηση 13Από προηγούμενες ενότητεςΠοια είναι η πολική μορφή του ;
Εναλλάχθηκαν το συνημίτονο και το ημίτονο: το θα αντιστοιχούσε στο πραγματικό μέρος, αλλά το πραγματικό μέρος είναι .Πάρθηκε το τετράγωνο του μέτρου, , χωρίς να εξαχθεί η ρίζα.Είναι ο μιγαδικός , του δεύτερου τεταρτημορίου· ο έχει θετικό πραγματικό μέρος και βρίσκεται στο πρώτο.Το μέτρο είναι , και το όρισμα είναι η γωνία του πρώτου τεταρτημορίου της οποίας το συνημίτονο είναι και το ημίτονο , δηλαδή .Επανάληψη: Η πολική μορφή των μιγαδικών αριθμών
Φόρτωση του περιεχομένου…
Ολοκληρώθηκε
Συνδεθείτε για να αποθηκεύσετε την πρόοδό σας