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Topos Uranos

सारांश

यह पाठ उस संख्या को किसी भी कोटि के वर्ग आव्यूहों तक विस्तारित करता है जो पाठ्यक्रम बीजगणित और ज्यामिति I के रैखिक निकायों वाले पाठ में यह तय करती थी कि दो अज्ञातों वाले दो समीकरणों के निकाय का अद्वितीय हल है या नहीं। यह कोटि दो के सारणिक की व्याख्या उस समांतर चतुर्भुज के अभिविन्यस्त क्षेत्रफल के रूप में करता है जिसे आव्यूह के स्तंभ निर्धारित करते हैं; कोटि तीन के सारणिक को पहली पंक्ति के अनुदिश प्रसार द्वारा परिभाषित करता है और दिखाता है कि वह सारस नियम से मेल खाता है; और कोटि nn के सारणिक को पुनरावर्ती रूप से परिभाषित करता है। यह उस परिभाषा से, कोटि पर आगमन द्वारा, सारणिक के गुणधर्म सिद्ध करता है (प्रत्येक पंक्ति में रैखिकता, पंक्तियों का परस्पर विनिमय, शून्य या समान पंक्तियाँ, किसी दूसरी पंक्ति के गुणज का योग, परिवर्त और त्रिभुजाकार आव्यूह), और उन्हें समानयन द्वारा परिकलन में तथा सारणिक और जाति के बीच के संबंध में लागू करता है। यह कोटि दो में गुणनफल के सारणिक की प्रमेय सिद्ध करता है, जिसकी व्यापक उपपत्ति व्युत्क्रम आव्यूह वाले पाठ में दी जाती है, और हर कोटि में क्रेमर नियम; प्रश्न सारणिकों को त्रिभुज के क्षेत्रफल, वांडरमोंड सारणिक, फ़िबोनाची संख्याओं की कैसिनी सर्वसमिका और तीन बिंदुओं से होकर जाने वाले वृत्त पर लागू करते हैं।

अधिगम उद्देश्य

  1. कोटि दो और तीन के सारणिकों का परिकलन किसी पंक्ति के अनुदिश प्रसार द्वारा और सारस नियम द्वारा करना, और कोटि दो के सारणिक की व्याख्या एक अभिविन्यस्त क्षेत्रफल के रूप में करना।
  2. कोटि पर आगमन द्वारा सारणिक के गुणधर्म सिद्ध करना, और उनका उपयोग किसी भी कोटि के सारणिकों का परिकलन त्रिभुजाकार आव्यूह में समानयन द्वारा करने के लिए करना।
  3. सारणिक को जाति से और आव्यूहों के गुणनफल से संबंधित करना, और उसकी सहायता से तय करना कि कोई आव्यूह विचित्र है या नहीं।
  4. nn समीकरणों और nn अज्ञातों वाले निकायों को क्रेमर नियम से हल करना, और सारणिकों को वैश्लेषिक ज्यामिति और अनुक्रमों के प्रश्नों पर लागू करना।

कोटि दो का सारणिक और अभिविन्यस्त क्षेत्रफल

पाठ्यक्रम I के प्रथम घात के समीकरणों, असमिकाओं और रैखिक निकायों वाले पाठ में संख्या D=a1b2−a2b1D = a_1 b_2 - a_2 b_1 को दो समीकरणों के निकाय का सारणिक कहा गया था, और क्रेमर नियम सिद्ध किया गया था: यदि DD शून्य नहीं है, तो निकाय का ठीक एक हल है। समतल में सदिश वाले पाठ में यही संख्या, दो सदिशों के घटकों से बनी, यह तय करती थी कि वे समांतर हैं या नहीं। अब, आव्यूह और आव्यूहों पर संक्रियाएँ वाले पाठ में वर्ग आव्यूह प्रस्तुत किए गए, और गाउस-जॉर्डन विधि वाले पाठ में प्रत्येक रैखिक निकाय को रूप AX=BAX = B में लिखा गया। यदि ऐसा है, तो उस संख्या को गुणांक आव्यूह के एक फलन के रूप में देखना और उसे किसी भी कोटि के वर्ग आव्यूहों तक विस्तारित करना उचित है।

कोटि दो के किसी वर्ग आव्यूह AA का सारणिक उसके मुख्य विकर्ण की प्रविष्टियों का गुणनफल घटा दूसरे विकर्ण की प्रविष्टियों का गुणनफल है। इसे det⁡A\det A लिखा जाता है, या आव्यूह की प्रविष्टियों को दो ऊर्ध्वाधर रेखाओं के बीच रखकर।
A=(abcd),det⁡A=∣abcd∣=ad−bcA = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}, \qquad \det A = \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix} = ad - bc

दो समीकरणों के निकाय का सारणिक उसके गुणांक आव्यूह का सारणिक है, जिसके पहले स्तंभ में xx के गुणांक हैं और दूसरे में yy के: उसका सारणिक a1b2−a2b1=Da_1 b_2 - a_2 b_1 = D है। यहाँ ये रेखाएँ निरपेक्ष मान नहीं दर्शातीं, क्योंकि सारणिक ऋणात्मक हो सकता है; उदाहरण के लिए:

∣3112∣=6−1=5,∣1321∣=1−6=−5\begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix} = 6 - 1 = 5, \qquad \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 2 & 1 \end{vmatrix} = 1 - 6 = -5

कोटि दो के आव्यूह के दोनों स्तंभ समतल के सदिश हैं, और अभिविन्यस्त क्षेत्रफल की प्रमेय, जो नीचे दी गई है, सारणिक को एक ज्यामितीय अर्थ देती है जो, साथ ही, पाठ्यक्रम I के सदिशों वाले पाठ की समांतरता की कसौटी को भी समझाता है।

प्रमेयअभिविन्यस्त क्षेत्रफल

मान लीजिए u⃗=(u1,u2)\vec{u} = \left( u_1, u_2 \right) और v⃗=(v1,v2)\vec{v} = \left( v_1, v_2 \right) समतल के सदिश हैं, और मान लीजिए AA वह आव्यूह है जिसके स्तंभ u⃗\vec{u} और v⃗\vec{v} हैं। उस समांतर चतुर्भुज का क्षेत्रफल, जिसे u⃗\vec{u} के और v⃗\vec{v} के एक ही बिंदु से खींचे गए तीर निर्धारित करते हैं, det⁡A\det A का निरपेक्ष मान है। इसके अतिरिक्त, यदि सदिश न शून्य हैं और न समांतर, तो det⁡A\det A धनात्मक है जब आधे चक्कर से कम का वह घूर्णन, जो u⃗\vec{u} की दिशा को v⃗\vec{v} की दिशा तक ले जाता है, वामावर्त हो, और ऋणात्मक जब वह दक्षिणावर्त हो।

det⁡A=∣u1v1u2v2∣=u1v2−u2v1\det A = \begin{vmatrix} u_1 & v_1 \\ u_2 & v_2 \end{vmatrix} = u_1 v_2 - u_2 v_1

यदि u⃗\vec{u} शून्य है, तो समांतर चतुर्भुज एक रेखाखंड में बदल जाता है और सारणिक शून्य है; इसलिए हम मानते हैं कि u⃗\vec{u} शून्य नहीं है। उपपत्ति पाठ्यक्रम I के सदिशों वाले पाठ में प्राप्त किसी बिंदु की रेखा से दूरी का, ध्रुवीय निर्देशांकों वाले पाठ के ध्रुवीय निर्देशांकों का और योग और अंतर के सूत्रों वाले पाठ के अंतर की ज्या के सूत्र का उपयोग करती है। चित्र u⃗=(3,1)\vec{u} = \left( 3, 1 \right) और v⃗=(1,2)\vec{v} = \left( 1, 2 \right) के साथ उसका अनुसरण करता है।

प्रमाण

  1. n⃗=(−u2,u1),n⃗⋅u⃗=−u2u1+u1u2=0,∥n⃗∥=∥u⃗∥\vec{n} = \left( -u_2, u_1 \right), \qquad \vec{n} \cdot \vec{u} = \resaltar{-u_2 u_1 + u_1 u_2} = \resaltar{0}, \qquad \dato{n}{\norma{\vec{n}} = \norma{\vec{u}}}

    प्रारंभिक ज्यामिति की तरह, यह स्वीकार किया जाता है कि समांतर चतुर्भुज का क्षेत्रफल एक तल भुजा और संगत ऊँचाई का गुणनफल है। हम तल भुजा के रूप में वह भुजा लेते हैं जो u⃗\vec{u} को निरूपित करती है, उस रेखा पर जो उस दिशा के साथ मूल बिंदु से होकर जाती है; उसका समीकरण −u2x+u1y=0-u_2 x + u_1 y = 0 है, जिसे मूल बिंदु और u⃗\vec{u} का सिरा संतुष्ट करते हैं। अभिलंब सदिश की प्रमेय से, सदिश n⃗\vec{n} उस रेखा पर लंब है, और उसका परिमाण u⃗\vec{u} के परिमाण के बराबर है।

  2. h=∣v⃗⋅n⃗∣∥n⃗∥=∣u1v2−u2v1∣∥n⃗∥h = \frac{\abs{\resaltar{\vec{v} \cdot \vec{n}}}}{\norma{\vec{n}}} = \dato{h}{\frac{\abs{\resaltar{u_1 v_2 - u_2 v_1}}}{\norma{\vec{n}}}}

    ऊँचाई v⃗\vec{v} के सिरे की उस रेखा से दूरी है। दूरी के सूत्र में हम मूल बिंदु को रेखा का बिंदु लेते हैं, जिससे रेखा से बिंदु तक जाने वाला सदिश स्वयं v⃗\vec{v} है।

  3. ∥u⃗∥⋅h=∣u1v2−u2v1∣=∣det⁡A∣,∣3⋅2−1⋅1∣=5\resaltar{\norma{\vec{u}}} \cdot h = \resaltar{\abs{u_1 v_2 - u_2 v_1}} = \abs{\det A}, \qquad \abs{3 \cdot 2 - 1 \cdot 1} = 5

    क्षेत्रफल तल भुजा गुणा ऊँचाई है, और u⃗\vec{u} का परिमाण n⃗\vec{n} के परिमाण से कट जाता है। चित्र में तल भुजा की लंबाई 10\sqrt{10} है, ऊँचाई 510\frac{5}{\sqrt{10}}, और क्षेत्रफल 55।

  4. det⁡A=(rcos⁡α)(ssin⁡β)−(rsin⁡α)(scos⁡β)=rs(sin⁡βcos⁡α−cos⁡βsin⁡α)=rssin⁡(β−α)\det A = (r \cos \alpha)(s \sin \beta) - (r \sin \alpha)(s \cos \beta) = rs \resaltar{(\sin \beta \cos \alpha - \cos \beta \sin \alpha)} = \dato{s}{rs \resaltar{\sin(\beta - \alpha)}}

    चिह्न के लिए हम सदिशों को ध्रुवीय निर्देशांकों में लिखते हैं: rr और ss उनके परिमाण हैं, और α\alpha और β\beta वे कोण हैं जो वे भुज-अक्ष के धनात्मक भाग के साथ बनाते हैं, जिससे u⃗=(rcos⁡α,rsin⁡α)\vec{u} = \left( r \cos \alpha, r \sin \alpha \right) और v⃗=(scos⁡β,ssin⁡β)\vec{v} = \left( s \cos \beta, s \sin \beta \right)। अंतर की ज्या के सूत्र से, सारणिक rsrs गुणा उस कोण की ज्या है जो u⃗\vec{u} से v⃗\vec{v} तक जाता है।

  5. ∣3112∣=5,∣1321∣=−5\begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix} = \resaltar{5}, \qquad \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 2 & 1 \end{vmatrix} = \resaltar{-5}

    चूँकि rs>0rs > 0, सारणिक का चिह्न sin⁡(β−α)\sin(\beta - \alpha) का चिह्न है, जो धनात्मक है यदि β−α\beta - \alpha, 0∘0^\circ और 180∘180^\circ के बीच हो (360∘360^\circ के किसी गुणज के अंतर को छोड़कर), अर्थात् यदि v⃗\vec{v} तक, u⃗\vec{u} से आरंभ करके, आधे चक्कर से कम वामावर्त दिशा में घूमकर पहुँचा जाए, और विपरीत स्थिति में ऋणात्मक है। यह शून्य है यदि और केवल यदि β−α\beta - \alpha, 180∘180^\circ का गुणज है, अर्थात् यदि सदिश समांतर हैं। चित्र में β−α=45∘\beta - \alpha = 45^\circ; स्तंभों का परस्पर विनिमय करने पर, जो घूर्णन v⃗\vec{v} से u⃗\vec{u} तक ले जाता है वह दक्षिणावर्त है, और चिह्न बदल जाता है।

यह प्रमेय उचित ठहराती है कि कोटि दो के सारणिक को अभिविन्यस्त क्षेत्रफल कहा जाए: उसका निरपेक्ष मान क्षेत्रफल मापता है, और उसका चिह्न उस घूर्णन की दिशा जो पहले स्तंभ से दूसरे तक ले जाता है। पाठ्यक्रम I के सदिशों वाले पाठ की समांतरता की कसौटी शून्य क्षेत्रफल की स्थिति है: दो सदिश ठीक तब समांतर होते हैं जब उनके द्वारा निर्धारित समांतर चतुर्भुज एक रेखा पर चपटा हो जाता है। जब आव्यूह समतल के एक रूपांतरण की तरह कार्य करता है, तब सारणिक और मनचाही आकृतियों के क्षेत्रफलों के बीच के संबंध का अध्ययन समतल के रूपांतरणों के रूप में आव्यूह वाले पाठ में किया जाएगा।