 
                                Введение в линейную алгебру Матрицы. Определение. Таблица m× n чисел aij вида  a11 a12   a21 a22    a  m1 am2  a1n    a2 n       amn  состоящая из m строк и n столбцов называется матрицей. Элементы матрицы aij нумеруются аналогично элементам определителя т.е. i – номер строки, j – номер столбца. Обозначение: А, В, С. m×n – размерность матрицы Системы линейных уравнений. Основные понятия. Определение. Система уравнений вида  a11 x1  a12 x2  ...  a1n xn  b1  a x  a x  ...  a x  b  21 1 22 2 2n n 2  ...  am x1  am2 x2  ...  amn xn  bm (1) называется системой линейных уравнений, содержащей m уравнений и n неизвестных. Числа aij – коэффициенты системы, bi – свободные члены системы, xi – неизвестные. Определение. Коэффициенты, стоящие перед неизвестными, записанные в виде матрицы называются матрицей системы.  a11 a12  a22 a A   21    a  m1 am2  a1n    a2 n       amn   x1     x2  X      x   n вектор – столбец неизвестных Матричная форма записи:  b1     b2  B     b   m вектор – столбец свободных членов А×X = B. Если в матрицу системы добавить столбец свободных членов, то получим расширенную матрицу системы.  a11 a12   a21 a22 A     a  m1 am2  a1n  a2n    amn b1   b2    bm  Определение. Совокупность из n чисел называется решением системы (1) если каждое уравнение системы обращается в числовое равенство после подстановки в него этих чисел вместо соответствующих неизвестных. Система уравнения называется совместной, если она имеет хотя бы одно решение, и несовместной, если она не имеет ни одного решения. Матрица системы: Пример. 3x1  2x2  x3  8  4x1  7 x2  6x3  3  x  5x  x  0 2 3  1 3 2  A  4 7 1 5  Расширенная матрица системы: 1  6   1  8   B 3   0    3 2  A  4 7 1 5  Столбец свободных членов 1  8   6 3   1 0  Определители Определение 1. Пусть задана квадратная таблица из 4-х чисел: a1, a2, b1,b2.  a1 a2     b1 b2  Это матрица 2-го порядка. a1b2 – a2b1 определитель 2 –го порядка. a1 a2 Обозначение: b b 1 2 a1, a2, b1,b2 - элементы определителя. Строки 1-я и 2-я, Побочная Главная Столбцы 1-й и 2-й. диагональ диагональ Общее обозначение элементов определителя с двумя индексами a11 a12 a21 a22 i – номер строки j – номер столбца aij – элементы определителя. а12 – элемент в первой строке и втором столбце. Определитель 2-го порядка: a11 a12  a11a22  a21a12 a21 a22 Примеры: 5 2 1 3 7 4 2 0  5   3   1  2  17  7  0  2   4   8 Замечание: Элементами определителя могут быть не только числа, но и любые алегебраические выражения. cos x sin x  cos 2 x  sin 2 x  cos 2 x sin x cos x Определитель третьего порядка Соответствует таблица из 9-ти чисел:  a11 a12   a21 a22 a  31 a32 a13   a23  a33  Это число: a11 a12 a21 a22 a31 a32 a13 a22 a23  a11  a32 a33 a23 a33 a21 a23 a21 a22  a12   a13  a31 a33 a31 a32 Разложение по первой строке определителя. Правило Саррюса a11 - a12 a13 a21 a22 a31 a32 a23 a33 a11 a12 a13 a21 a22 a23 +  a11a22 a33  a21a32 a13  a31a12 a23   a31a22 a13  a11a32 a23  a21a12 a33 Примеры 3 2 4 3 7 5 1 3 0 4 0 4 3 2 1   3  6  2   8   1  41  7 0  3 5 2 7 2 7 5 2 По правилу Саррюса: 3 2 1 4  3 0  3   3    2   4  5   1  7  2  0  7 5 2 3 2 1   1   3   7  0  5  3   2   2  4  4 3 0  18  20  21  16  7 Методы решения систем линейных уравнений. Метод Крамера. Рассмотрим систему из n уравнений с n неизвестными,  a11 x1  a12 x2  ...  a1n xn  b1 a x  a x  ...  a x  b (2)  21 1 22 2 2n n 2  ...   an x1  an2 x2  ...  ann xn  bn и пусть detA ≠ 0. Метод Крамера. Теорема (правило Крамера). Система из n уравнений с n неизвестными (2) в случае, когда определитель системы не равен 0 (detA ≠ 0), имеет единственное решение, вычисляемое по формулам: i xi   формула Крамера где Δ – определитель системы, а Δi – определитель матрицы, получаемой из матрицы системы, заменой i – того столбца столбцом свободных членов. Примеры: 1. Решим систему методом Крамера 7 x1  6 x2  5  8 x1  7 x2  10  7 6 8 7   95 x1  1   95  1 2. x2   1 1  5 10  7  95 2  7 5 8  10  110  2  110   110  1 1 2 3 x1  2 x2  3 x3  1  2x1  3 x2  1x3  0 3x  x  2 x  0 2 3  1   2 3 1  18 3 1 2 1 2 3 1 1 3 1  0 3 1  5 0 1 2 2  2 0 1  1 3 0 2 1 5 5     18 18 x2  x1  6 2 1 1     18 18 1 2 1  3  2 3 0  7 3 1 0 x3  3 7 7     18 18 Метод Гаусса. Наиболее универсальный и эффективный из методов решений систем линейных уравнений: метод Гаусса или метод последовательного исключения неизвестных. Пусть дана система уравнений: Расширенная матрица системы:  a11 x1  a12 x2  ...  a1n xn  b1  a x  a x  ...  a x  b  21 1 22 2 2n n 2 (1)  ...  am x1  am2 x2  ...  amn xn  bm  a11 a12  a1n b1     a21 a22  a2 n b2  A         a  a  a b  m1 m2 mn m Выполняя элементарные преобразования строк расширенной матрицы системы можно привести ее к ступенчатому виду: ~ ~ x  ...  a ~ x  a ~ x b ~  ~ ~ ~ x  a  1 a12  a1k  a1n b1  1 12 2 1k k 1n n 1    ~ ~ ~ x  a ~ x b ~ ~  x  ...  a 0 1  a   a b 2 2k k 2n n 2 2k 2n 1  A              ~  ~ ~ x b ~ 0 0  1  a x    a b  k mn n m mn 1  Исключение неизвестных - прямой ход метода Гаусса. Определение неизвестных из ступенчатой системы – обратный ход метода Гаусса. Элементарные преобразования матрицы. 1. Отбрасывание нулевой строки (столбца). 2. Умножение строки (столбца) на число отличное от нуля. 3. Перестановка строк (столбцов). 4. Прибавление к каждому элементу одной строки (столбца) соответствующих элементов другой строки (столбца), умноженных на одно и то же число. Пример. 1.  x1  2 x2  3 x3  4 x4  5  x2  2 x3  3 x4  1    3 x3  4 x4  2  x1  x1  x2  5 x3  6 x4  1 1 2  0 1 0  2  0 1  3 4 5   2 3 1   2 1 0 0  3  ~   2 2  4   x1  2 x2  3 x3  4 x4  5  x2  2 x 3  3 x4  1   4x3  6 x4  1    x4  2 1  0 1  1  1  0 0  0  2 3 4 5    1   1  1 2 3 1 ~   0 3 4 2  1 5 6 1   2 3 4 1 2 3 0 4 6 0 4 5 5   1   1~   3  1  0 0  0  x1  5  4 x4  3 x3  2 x2  3 x2  1  3 x4  2 x3  2  1  6 x4 13 x3   4 4 x4  2 15 4 2 3 1 2 4 3 5   1  0 4 6 1   0 0  1  2  Векторы. Основные определения. Определение 1. Направленный отрезок (или, что то же, упорядоченную пару точек) мы будем называть вектором.  Обозначение: AB , a , a.  Нулевой вектор (у которого начало и конец совпадают): 0 . a Вектор характеризуется длиной и направлением. А Под модулем (длиной) вектора понимаем его численное значение безучета направления.  a a 0 0  Вектор, длина которого равна 1 – единичный вектор. e  1 .  Если ненулевой вектор a разделить на его длину  получим  a e   единичный вектор (орт) направления. a Определение 2. Два вектора называются равными, то есть не различаются как векторы, если соответствующие отрезки параллельны, имеют одинаковую длину и направление. В Линейные операции над векторами   Определение 3. Суммой векторов a и b называется такой  третий вектор c , что присовмещенных началах этих трех  векторов, векторы a и b служат сторонами параллелограмма,  а вектор c его диагональю.    c  ab a b Это сложение по правилу параллелограмма. Более удобно правило треугольника. b a    c  ab  Для каждого вектора a существует вектор ему противоположный – имеющий ту же длину, но противоположный по направлению.  a Обозначение:  a -a   a   a   0    Определение 4. Разностью векторов сумма a   a и b называется  и вектора противоположного b : a   b  a  b   a . d  ab b  a Определение 5. Произведением на вещественное  вектора число α называется вектор b , определяемый условием   1. b    a ;  2. вектор b коллинеарен вектору a ;   3. векторы a и b направлены одинаково, если α > 0, и противоположно, если α < 0.  Обозначение: a   1,5 a   0 ,5 a a  2a Замечание. Иногда числа называют скалярами. Эта операция умножения вектора на скаляр. Декартова прямоугольная система координат Декартова система координат в пространстве задается началом координат точкой О и базисом, состоящим из трех взаимно перпендикулярных  единичных   векторов (ортов) i , j , k координатных осей OX, OY и OZ соответственно. Z z Обозначим: М -конец вектора. k Вектор OM радиус – вектор имеет такие же координаты, что и точка М:  Вектор a  OM может быть М  a iО j x Х Y М (x; y; z) единственным   образом разложен по базису i , j , k .  a  OM  x  i  y  j  z  k  a  OM  x , y , z  y Модуль вектора: абсцисса ордината аппликата  a  x 2  y 2  z2 Линейные операции над векторами заданными в координатной форме.   Пусть  векторы a и b заданы своими координатами: a  x1 , y1 , z1  b  x2 , y 2 , z2    Тогда a  b  x1  x 2 , y 1  y 2 , z1  z 2   . a  x1 ,y1 ,z1  Примеры:   a  1, 2 , 3  b  4 , 0 , 5    a  b  1  4 , 2  0 , 3  5    3 , 2 , 2    a  b  1  4 , 2  0 , 3  5   5 , 2 , 8   2 a  2 1, 2   2 , 2  3   2 , 4 , 6    3 b   3   4 ,  3   0 ,  3   5    12 , 0 , 15  Расстояние между двумя точками  Найдем координаты вектора a  AB , если известны координаты точек Ax1 , y1 , z1  и Bx2 , y 2 , z2  . z AB  OB  OA  x2  x1 , y 2  y1 , z2  z1  A B Координаты вектора равны разности координат его конца o y и начала. x Расстояние между точками А и В: AB  x2  x1 2  y 2  y1 2  z2  z1 2 Пример: A1, 0 , 3  B4 , 2 , 1 AB  4  1,2  0 ,1   3   3 , 2 , 2  AB  3 2  2 2  2 2  17  4 ,12 Скалярное произведение векторов. Определение.  Углом между векторами  a a и b называют наименьший угол φ ( 0     ) на который  нужно повернуть один из векторов, чтобы их направления b совпали.  Определение: Назовем скалярным произведение двух векторов a  и b число, равное произведению длин этих векторов и косинуса угла φ между     ними.  a, b Обозначение: a  b ab Выражение скалярного произведения через координаты векторов:     a , b  x1 x2  y1y 2  z1z2   x1 x2  y1y 2  z1z2  0 Условие перпендикулярности векторов   Примеры: 1. Даны векторы: a  4 ,2 ,4  b  6 ,3 , 2       2a  3b  a  3b Вычислить: ab   a , b  x1 x2  y1 y 2  z1z2  4  6   2    3    4   2  24  6  8  22          2 2  2  2  2a  3b  a  3b   2a  6ab  3ba  9b  2a  3ab  9b  2 2  2  2 2 2 a  a   4   2    4    36   2 2  2  2 b  b   6   3 2  2 2   49    2  36  3  22  9  49  303 2. Даны вершины четырехугольника А(1, -2, 2), В(1, 4, 0), С(-4, 1, 1), D(-5, -5, 3). Доказать, что его диагонали взаимно перпендикулярны. Нужно доказать, что векторы AC и BD перпендикулярны. AC   5 , 3 , 1 BD   6 , 9 , 3  AC  BD   5    6   3   9    1  3  0 Угол между векторами   Определим угол φ между векторами a  x1 , y1 , z1  и b  x2 , y 2 , z2 . Из определения скалярного произведения:   a b cos     ab cos   x1 x2  y1 y 2  z1z2 x12  y12  z12  x22  y 22  z22 Пример. Даны вершины треугольника АВС: А(-1, -2, 4), В(-4, -2, 0), С(3, -2, 1). Вычислить внешний угол при вершине В. Внешний угол будет определяться как угол между векторами BA и  BC . BA   3 , 0 , 4  В φ А cos   С BC  7 , 0 ,1  3   7   4  1  2 2  3    4   7 2  12 φ = 3π/4  25 1 2   2 25  50 2 Векторное произведение векторов левой Тройка некомпланарных векторов a ; b ; c называется правой если наименьший поворот с конца третьего вектора c от первого по вектора a ко второму вектору b виден против часовой стрелки c  a b c c b a  a b     c  a, b   Векторным произведением вектора a на вектор b называется вектор c , определяемый следующим образом: c  a  b  sin(a ; b ) . c  a; c  b Вектор c направлен так, что тройка векторов a ; b ; c - правая.         a , b  x1i  y1 j  z1k   x2 i  y2 j  z2 k       x1x 2 i  i  x1y 2 i  j  x1z2 i  k         y 1x 2 j  i  y 1y 2 j  j  y 1z2 j  k        z1x 2 k  i  z1y 2 k  j  z1z2 k  k       i  j  j i  k      k i  i k  j   i   a  b  x1  j y1  k z1 x2 y2 z2      j k  k  j  i        x1y 2k  x1z2 j  y 1x 2 k  y 1z2 i  z1x 2 j  z1y 2 i         y 1z2i  z1y 2 i  z1x 2 j  x1z2 j  x1y 2k  y 1x 2 k      y 1z2  z1y 2 i  x1z2  z1x 2  j  x1y 2  y1x 2 k   i j k y1 z1  x1 z1  x1 y1   i  j  k  x1 y1 z1 y 2 z2 x2 z2 x2 y 2 x 2 y 2 z2 Выражение векторного произведения в координатной форме: Найти векторное произведение векторов: a  2i  3 j  k i j  i   a  b  x1  j y1  k z1 x2 y2 z2 b  3i  j  4k k a  b  2  3 1 3 1  4  3 1 1  4 i  2 1 3 4 j 2 3 3 1 k  12  1  i   8  3   j   2  9   k   11i  5 j  7k Пример 2. Найти площадь треугольника с вершинами: A 2; 3; 1 B 5; 6; 3  В C 7; 1; 10  Найдем координаты векторов: AB  5  2; 6  3; 3  1  3; 3; 2 AC  7  2; 1  3; 10  1  5;  2; 9 S А 1 a b 2 i j k a  b  3 3 2  31i  17 j  21k 5 2 9 1 1 2 2 2 1691  20.6 S 31  ( 17)  ( 21)  2 2 С Смешанное произведение векторов. Определение. Смешанным (иливекторно-скалярным)      произведением векторов a , b и c называется число a  b  c , где первые два вектора перемножаются векторно, а их результат скалярно на третий вектор.    , a b c . Геометрический смысл выражения Смешанное произведение трех векторов равно объему параллелепипеда, построенного на этих векторах, взятому со знаком «плюс», если эти векторы образуют правую тройку, и со знаком «минус», если они образуют левую тройку.   В координатной форме: x1    a  b  c  x2 y1 z1 y2 z2 x3 y3 z3    c b a  Вычисление объемов параллелепипеда и треугольной пирамиды. Согласно геометрическому смыслу смешанного произведения    объем параллелепипеда, построенного на векторах a , b и c вычисляется как  V  a bc , а объем треугольной пирамиды, построенной на тех же векторах:  1 V   a bc 6 Примеры:   1. Даны a  2 ,1, 0  b  3 , 2 , 4  x1 y1 z1 2 1 0    ab c  x2 y 2 z2  3  2 4  x3 y 3 z3 1  3 5  c  1, 2 , 5  2 4 3 4 3 2 2   1  0  2  2   1 11  15 3 5 1 5 1 3  ab c  ? 2. Проверить, лежат ли 4 точки А(1, 2, -1), В(0, 1,5), С(-1, 2, 1) и D(2, 1, 3) в одной плоскости. Составим 3 вектора из данных точек и найдем их координаты: AB   1, 1, 6  A B C AC   2 , 0 , 2  D AD  1, 1, 4  Данные векторы должны лежать в одной плоскости и следовательно быть компланарными. 1 1 6 AB  AC  AD   2 1 0 2   1  1 4 0 2 2 2 2 0   1  6  1 4 1 4 1 1   1  2   1   10   6  2  2  10  12  0 Условие компланарности векторов выполняется, т.е. точки лежат в одной плоскости. Пример 3. Найти объем треугольной пирамиды с вершинами: A 2; 2; 2  B 4; 3; 3  C 4; 5; 4  D 5; 5; 6  А Найдем координаты векторов: AB  4  2; 3  2; 3  2  2; 1; 1 D AC  4  2; 5  2; 4  2  2; 3; 2 AD  5  2; 5  2; 6  2  3; 3; 4 2 1 1 0 0 1 В С 2 1 7 AB AC AD  2 3 2   2 1 2   5 1 3 3 4  5 1 4 1 V  abc 6 Объем треугольной 7 пирамиды равен 1/6 части V параллелепипеда,  6 построенного на векторах a;b ;c