Краткое содержание
Этот урок открывает четвёртый раздел курса, посвящённый матрицам и алгебраическим структурам. Он представляет семь уроков, из которых состоит раздел, и нить, которая их связывает: таблица коэффициентов линейной системы становится объектом с собственными операциями, определитель показывает, когда квадратная система имеет единственное решение, обратная матрица решает её за один приём, матрицы читаются как преобразования плоскости, комплексные числа вновь появляются как семейство матриц, а то, что объединяет все эти вычисления, сгущается в понятиях группы, кольца и поля. Урок прослеживает историческую предысторию этих идей, от Математики в девяти книгах до Кэли, Галуа и Нётер; точно формулирует две задачи, из которых они родились, решение линейных систем и решение полиномиальных уравнений в радикалах; и показывает, где они используются снова: в этом курсе, в особенности в аналитической геометрии в пространстве, которой он завершается, в других курсах сайта и в науке и технике.
Цели обучения
- Описывать последовательность уроков раздела и объяснять, что каждый из них даёт для изучения линейных систем, преобразований плоскости и алгебраических структур.
- Помещать в исторический контекст понятия матрицы, определителя и группы, называя задачу, ради решения которой появилось каждое из них.
- Записывать в виде матричного уравнения классическую задачу с тремя неизвестными и решать её исключением неизвестных и с помощью определителей.
- Объяснять на примере квадратного уравнения, почему изучение перестановок корней уравнения привело к понятию группы, и указывать современные применения матриц и алгебраических структур.
Входная проверка
Прежде чем проходить раздел, полезно измерить исходную точку. Первые девять вопросов охватывают семь содержательных уроков, причём центральным урокам, об определителях и об обратной матрице, отведено по два вопроса, а десятый вопрос является задачей на моделирование, в которой нужно с помощью произведения матриц записать практическую ситуацию; те же умения измеряются снова в конце, в итоговом уроке. Три последних вопроса выясняют, что раздел считает известным из курса I и из раздела о комплексных числах в тригонометрической форме. Оценок нет: этот тест нужен, чтобы понять, что уже освоено и где задержаться.
Перед началом раздела оцени свою отправную точку. Это короткая самопроверка: она не оценивается, а результат хранится только в твоём браузере.
Вопрос 1Пусть и . Чему равно произведение ?
Это произведение , взятое в обратном порядке. Произведение матриц не коммутативно, и в строки берутся из матрицы .Это поэлементное произведение, которое не соответствует композиции линейных замен переменных. Произведение матриц сочетает строки со столбцами.Здесь строки матрицы сочетались со строками матрицы , что даёт . Элемент матрицы использует столбец матрицы .Каждый элемент сочетает строку матрицы со столбцом матрицы : элемент равен , элемент равен , элемент равен , а элемент равен .Повторить: Матрицы и операции над матрицами
Вопрос 2Рассмотрим систему уравнений , и . При каких значениях она совместна и сколько тогда у неё решений?
Три уравнения с тремя неизвестными не всегда имеют единственное решение: здесь матрица коэффициентов имеет ранг , потому что её третья строка есть сумма двух других.Совместность не влечёт единственности: при общий ранг равен , что меньше числа неизвестных, и решений бесконечно много.То, что одна строка коэффициентов есть комбинация других, не делает систему несовместной; она несовместна, только если свободный член не подчиняется тому же соотношению, то есть если .Третья строка коэффициентов есть сумма двух первых, и после приведения к ступенчатому виду остаётся строка . Если , то расширенная матрица имеет ранг , а матрица коэффициентов ранг , и система несовместна; если , оба ранга равны , что меньше числа неизвестных, и по теореме Кронекера-Капелли (теорема Руше-Фробениуса) имеется свободный параметр.Повторить: Линейные системы и метод Гаусса-Жордана
Вопрос 3Вычислите определитель матрицы со строками , и .
Правильный ответ:
Раскладывая по первой строке, получаем . Тот, кто получает , забыл про чередующийся знак второго слагаемого разложения.Повторить: Определители: свойства и правило Крамера
Вопрос 4Пусть есть матрица порядка , у которой . Чему равен ?
Правильный ответ:
У транспонированной матрицы тот же определитель, а умножение матрицы на умножает на каждую из её трёх строк; по линейности по каждой строке определитель умножается на и равен . Тот, кто получает , умножил на только один раз, как если бы у была умножена только одна строка.Повторить: Определители: свойства и правило Крамера
Вопрос 5Какова обратная матрица к матрице ?
Это матрица алгебраических дополнений без транспонирования. Обратная матрица есть присоединённая, то есть транспонированная матрица алгебраических дополнений, делённая на определитель.Это матрица чисел, обратных к элементам, и она не является обратной матрицей: её произведение с не есть единичная матрица. Обратная матрица не вычисляется поэлементно.Элементы главной диагонали поменялись местами, но знак элементов другой диагонали не изменился; произведение с имеет ненулевые элементы вне диагонали.Определитель равен ; по формуле второго порядка элементы главной диагонали меняются местами, у элементов другой диагонали меняется знак, и всё делится на . Произведение с даёт единичную матрицу.Повторить: Обратная матрица
Вопрос 6Пусть , и суть квадратные матрицы одного порядка, причём и обратимы. Каково решение уравнения ?
Обратные матрицы поставлены не с тех сторон. Поскольку произведение не коммутативно, чтобы исключить , стоящую слева от , нужно умножить на слева.Всё умножено слева. Умножение на слева от не исключает , стоящую справа от .Частное матриц не определено, потому что оно не указывало бы, с какой стороны производится умножение; уравнение решается с помощью обратных матриц, каждой со своей стороны.Левая и правая стороны уравнения умножаются на слева, с той стороны, где стоит , и на справа, с той стороны, где стоит ; по ассоциативности .Повторить: Обратная матрица
Вопрос 7Какова матрица преобразования плоскости, которое поворачивает каждый вектор на четверть оборота против часовой стрелки вокруг начала координат, а затем отражает его относительно оси абсцисс?
Это , композиция в обратном порядке: сначала отражение, затем поворот. В матрице композиции преобразование, применяемое первым, есть правый множитель.Это только поворот на четверть оборота; не хватает его композиции с отражением.Это поворот на четверть оборота по часовой стрелке. Его определитель равен , а композиция поворота с отражением меняет ориентацию, так что её определитель равен .Композиция отражения со строками и , выполненного после поворота со строками и , имеет матрицу : множитель, применяемый первым, стоит справа. Её столбцы суть образы вектора , который переходит в , а затем в , и вектора , который переходит в и не меняется.Повторить: Матрицы как преобразования плоскости
Вопрос 8Пусть есть матрица умножения на комплексное число . Вычислите .
Правильный ответ:
Матрица числа имеет строки и , и её определитель равен ; здесь . Тот, кто получает , вычислил , забыв про знак элемента , а тот, кто получает , взял модуль вместо его квадрата.Повторить: Комплексные числа как матрицы
Вопрос 9Какое из этих множеств с указанной операцией является группой?
Умножение целых чисел ассоциативно и имеет нейтральный элемент , но у нет обратного, потому что никакое целое не удовлетворяет условию .Сложение натуральных чисел ассоциативно, но не имеет нейтрального элемента, потому что натуральные числа начинаются с , и противоположных элементов тоже нет.Множество не замкнуто: в , а этот остаток ему не принадлежит. Делители нуля не дают ненулевым остаткам образовать группу.Поскольку простое, есть поле: произведение двух ненулевых остатков не равно нулю, умножение ассоциативно, имеет нейтральный элемент , и каждый ненулевой остаток имеет обратный.Вопрос 10В центре города живут тысяч человек, а на его окраинах тысяч. Каждый год процентов жителей центра переезжают на окраины, а процентов жителей окраин переезжают в центр; больше никто не приезжает и не уезжает. Если эти доли сохраняются, сколько тысяч жителей будет в центре через два года?
Правильный ответ:
Если есть вектор численностей населения центра и окраин через лет, то каждый год он умножается на матрицу перехода со строками , и , , столбец которой распределяет жителей зоны ; по ассоциативности произведения . Первый год даёт и , а второй и , причём общее число сохраняется. Тот, кто получает , посчитал только один год; тот, кто получает , использовал транспонированную к , столбцы которой не дают в сумме , так что общее число не сохраняется.Повторить: Матрицы и операции над матрицами
Вопрос 11Из предыдущих разделовРешите по правилу Крамера систему , и укажите значение .
Правильный ответ:
Определитель системы равен , а определитель, который получается при замене столбца при свободными членами, равен ; откуда , а также . Тот, кто получает , вычислил один из двух определителей, взяв произведения диагоналей в обратном порядке.Повторить: Уравнения и неравенства первой степени и линейные системы
Вопрос 12Из предыдущих разделовНайдите обратный к по модулю , то есть остаток от до , такой что .
Правильный ответ:
Поскольку , обратный существует, и . Тот, кто отвечает , искал обратный среди рациональных чисел, а не остаток по модулю .Повторить: Сравнения и модульная арифметика
Вопрос 13Из предыдущих разделовКакова тригонометрическая форма числа ?
Косинус и синус поменялись местами: соответствовало бы действительной части, но действительная часть равна .Взят квадрат модуля, , без извлечения корня.Это комплексное число из второй четверти; у действительная часть положительна, и оно лежит в первой.Модуль равен , а аргумент есть угол первой четверти, косинус которого равен , а синус , то есть .Повторить: Тригонометрическая форма комплексного числа
Загрузка содержимого…