Riepilogo
Questa lezione apre la quarta unità del corso, dedicata alle matrici e alle strutture algebriche. Presenta le sette lezioni che la compongono e il filo che le unisce: la tabella dei coefficienti di un sistema lineare diventa un oggetto con operazioni proprie, il determinante decide quando un sistema quadrato ha un’unica soluzione, la matrice inversa lo risolve in un colpo solo, le matrici si leggono come trasformazioni del piano, i numeri complessi ricompaiono come una famiglia di matrici, e ciò che è comune a tutti questi calcoli si condensa nelle nozioni algebriche di gruppo, anello e campo. Ripercorre il contesto storico di queste idee, dai Nove capitoli sull’arte matematica fino a Cayley, Galois e Noether; formula con precisione i due problemi da cui sono nate, la risoluzione dei sistemi lineari e la risoluzione delle equazioni polinomiali per radicali; e indica dove vengono usate di nuovo: in questo corso, in particolare nella geometria analitica dello spazio che lo chiude, in altri corsi del sito e nella scienza e nella tecnica.
Obiettivi di apprendimento
- Descrivere la sequenza delle lezioni dell’unità e spiegare che cosa apporta ciascuna allo studio dei sistemi lineari, delle trasformazioni del piano e delle strutture algebriche.
- Collocare nel loro contesto storico le nozioni di matrice, determinante e gruppo, indicando il problema che ciascuna venne a risolvere.
- Impostare come equazione matriciale un problema classico in tre incognite e risolverlo per eliminazione e con i determinanti.
- Spiegare, con l’esempio dell’equazione di secondo grado, perché lo studio delle permutazioni delle radici di un’equazione condusse alla nozione di gruppo, e individuare usi attuali delle matrici e delle strutture algebriche.
Valutazione d’ingresso
Prima di percorrere l’unità conviene misurare il punto di partenza. Le prime nove domande toccano le sette lezioni di contenuto, con due domande per le lezioni centrali, quella sui determinanti e quella sulla matrice inversa, e la decima è un problema di modellizzazione, che chiede di impostare con il prodotto di matrici una situazione concreta; le stesse abilità si misurano di nuovo alla fine, nella lezione di sintesi. Le ultime tre verificano ciò che l’unità dà per noto del corso I e dell’unità sui numeri complessi in forma polare. Non ci sono voti: serve a sapere che cosa si padroneggia e dove soffermarsi.
Prima di iniziare l’unità, misura il tuo punto di partenza. È un’autovalutazione breve: non riceve voto e il risultato resta solo nel tuo browser.
Domanda 1Siano e . Qual è il prodotto ?
È il prodotto , nell’ordine opposto. Il prodotto di matrici non è commutativo, e in le righe sono quelle di .È il prodotto elemento per elemento, che non corrisponde alla composizione di sostituzioni lineari. Il prodotto di matrici combina righe con colonne.Si sono combinate le righe di con le righe di , il che dà . L’elemento di usa la colonna di .Ogni elemento combina una riga di con una colonna di : l’elemento è , l’elemento è , l’elemento è e l’elemento è .Ripassare: Matrici e operazioni con le matrici
Domanda 2Si consideri il sistema di equazioni , e . Per quali valori di è compatibile, e quante soluzioni ha allora?
Tre equazioni in tre incognite non hanno sempre un’unica soluzione: qui la matrice dei coefficienti ha rango , perché la sua terza riga è la somma delle altre due.La compatibilità non implica l’unicità: con il rango comune è , meno del numero di incognite, e ci sono infinite soluzioni.Che una riga dei coefficienti sia combinazione delle altre non rende incompatibile il sistema; lo è solo se il termine noto non soddisfa la stessa relazione, cioè se .La terza riga dei coefficienti è la somma delle prime due, e riducendo a scala resta la riga . Se , la matrice completa ha rango e quella dei coefficienti rango , e il sistema è incompatibile; se , entrambi i ranghi valgono , meno del numero di incognite, e per il teorema di Rouché-Capelli (nel mondo ispanofono, teorema di Rouché-Frobenius) c’è parametro libero.Ripassare: Sistemi lineari e il metodo di Gauss-Jordan
Domanda 3Calcolare il determinante della matrice di righe , e .
Risposta corretta:
Lo sviluppo lungo la prima riga dà . Chi ottiene ha dimenticato il segno alterno del secondo termine dello sviluppo.Ripassare: Determinanti: proprietà e regola di Cramer
Domanda 4Sia una matrice di ordine con . Quanto vale ?
Risposta corretta:
La trasposta ha lo stesso determinante, e moltiplicare la matrice per moltiplica per ciascuna delle sue tre righe; per la linearità in ogni riga, il determinante risulta moltiplicato per , e vale . Chi ottiene ha moltiplicato per una sola volta, come se avesse una sola riga moltiplicata.Ripassare: Determinanti: proprietà e regola di Cramer
Domanda 5Qual è l’inversa della matrice ?
È la matrice dei complementi algebrici non trasposta. L’inversa è la matrice aggiunta, cioè la trasposta della matrice dei complementi algebrici, divisa per il determinante.È la matrice dei reciproci degli elementi, che non è l’inversa: il suo prodotto con non è l’identità. L’inversa di una matrice non si calcola elemento per elemento.Si sono scambiati gli elementi della diagonale principale, ma non si è cambiato il segno di quelli dell’altra diagonale; il prodotto con ha elementi non nulli fuori dalla diagonale.Il determinante è ; secondo la formula di ordine due, si scambiano gli elementi della diagonale principale, si cambia il segno di quelli dell’altra e si divide per . Il prodotto con dà l’identità.Ripassare: La matrice inversa
Domanda 6Siano , e matrici quadrate dello stesso ordine, con e invertibili. Qual è la soluzione dell’equazione ?
Le inverse sono state collocate dai lati opposti. Poiché il prodotto non è commutativo, per eliminare , che sta a sinistra di , bisogna moltiplicare a sinistra per .Si è moltiplicato tutto a sinistra. Moltiplicare per a sinistra di non elimina , che sta a destra di .Il quoziente di matrici non è definito, perché non indicherebbe da quale lato si moltiplica; l’equazione si risolve con le inverse, ciascuna dal suo lato.Si moltiplica a sinistra per , il lato in cui sta , e a destra per , il lato in cui sta ; per l’associatività, .Ripassare: La matrice inversa
Domanda 7Qual è la matrice della trasformazione del piano che ruota ogni vettore di un quarto di giro in senso antiorario attorno all’origine e poi lo riflette rispetto all’asse delle ascisse?
È , la composizione nell’ordine opposto: prima riflettere e poi ruotare. Nella matrice di una composizione, la trasformazione che si applica per prima è il fattore di destra.È solo la rotazione di un quarto di giro; manca la composizione con la simmetria.È la rotazione di un quarto di giro in senso orario. Ha determinante , e la composizione di una rotazione con una simmetria inverte l’orientazione, per cui il suo determinante è .La composizione della simmetria , di righe e , dopo la rotazione , di righe e , ha matrice : il fattore che si applica per primo sta a destra. Le sue colonne sono le immagini di , che va in e poi in , e di , che va in e poi non cambia.Ripassare: Le matrici come trasformazioni del piano
Domanda 8Sia la matrice della moltiplicazione per il numero complesso . Calcolare .
Risposta corretta:
La matrice di ha righe e , e il suo determinante è ; qui . Chi ottiene ha calcolato dimenticando il segno dell’elemento , e chi ottiene ha preso il modulo invece del suo quadrato.Ripassare: I numeri complessi come matrici
Domanda 9Quale di questi insiemi, con l’operazione indicata, è un gruppo?
Il prodotto di interi è associativo e ha neutro , ma non ha inverso, perché nessun intero soddisfa .La somma di naturali è associativa, ma non ha neutro, perché i naturali cominciano da , e non ci sono nemmeno gli opposti.L’insieme non è chiuso: in , che non vi appartiene. I divisori dello zero impediscono che i resti non nulli formino un gruppo.Poiché è primo, è un campo: il prodotto di due resti non nulli non è nullo, è associativo, ha neutro e ogni resto non nullo ha inverso.Ripassare: Strutture algebriche: gruppi, anelli e campi
Domanda 10Una città ha mila abitanti nel centro e mila in periferia. Ogni anno il per cento degli abitanti del centro si trasferisce in periferia e il per cento di quelli della periferia si trasferisce in centro; nessun altro arriva o se ne va. Se le proporzioni si mantengono, quante migliaia di abitanti avrà il centro dopo due anni?
Risposta corretta:
Con il vettore delle popolazioni del centro e della periferia dopo anni, ogni anno si moltiplica per la matrice di transizione , di righe , e , , la cui colonna ripartisce gli abitanti della zona ; per l’associatività del prodotto, . Il primo anno dà e , e il secondo e , con il totale di conservato. Chi ottiene ha calcolato un solo anno; chi ottiene ha usato la trasposta di , le cui colonne non hanno somma , per cui il totale non si conserva.Ripassare: Matrici e operazioni con le matrici
Domanda 11Dalle unità precedentiRisolvere con la regola di Cramer il sistema , , e dare il valore di .
Risposta corretta:
Il determinante del sistema è , e quello che si ottiene sostituendo la colonna di con i termini noti è ; da cui , e anche . Chi ottiene ha calcolato uno dei due determinanti con il prodotto delle diagonali nell’ordine opposto.Ripassare: Equazioni e disequazioni di primo grado e sistemi lineari
Domanda 12Dalle unità precedentiTrovare l’inverso di modulo , cioè il resto tra e tale che .
Risposta corretta:
Poiché , l’inverso esiste, e . Chi risponde ha cercato l’inverso nei razionali, e non un resto modulo .Ripassare: Congruenze e aritmetica modulare
Domanda 13Dalle unità precedentiQual è la forma polare di ?
Si sono scambiati il coseno e il seno: corrisponderebbe alla parte reale, ma la parte reale è .Si è preso il quadrato del modulo, , senza estrarre la radice.È il complesso , del secondo quadrante; ha la parte reale positiva e sta nel primo.Il modulo è , e l’argomento è l’angolo del primo quadrante il cui coseno è e il cui seno è , cioè .Ripassare: La forma polare dei numeri complessi
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