Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее.
Делимость целых чисел.
Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее.
Определение. Пусть a, bÎZ. Если существует qÎZ, что a = bq, то b делит a, или a делится на b, обозначаем b|a.
Простейшие свойства делимости:
1) Если a|b, b|c Þ a|c. Если a делит b и b делит c, то a делит c.
2) Если a,b,с и с не равно 0, то a делит b тогда и только тогда, когда ac делит bc, т. е. a|b; c¹0 Û ac|bc, a, b, cÎZ.
3) d|ai; i=1,…,n,
x1,…,xnÎZ Þ d|a1 x1 +…+an xn.
4) a|b; b|a Þ a =±b.
Доказательство всех свойств однообразно: используется только определение делимости. Докажем 4) :
a = bq и b = aq1 Þ a = aqq1 Þ a(qq1 – 1) = 0 Þ qq1 = 1, т. к. a¹0 Þ q = ±1.
Теорема (о делении с остатком).
Для любых a, bÎZ; b ¹ 0 существует единственная пара q, rÎZ такая, что a = bq+r, 0£ r<|b|.
Доказательство: Рассмотрим множество M = {a – bq, qÎZ}. Очевидно, что M∩{N, 0}¹Ø.
В любом таком множестве $ наименьшее r. Очевидно, что |b|>r ≥0.
Докажем единственность.
Пусть ещё a = bq1 + r1. Тогда вычитанием из первого второе получим
0 = b(q – q1) + r – r1. Отсюда следует, что r – r1 кратно b, но |r – r1|<|b|.
Следовательно, r – r1 = 0, а поэтому и q – q1 = 0.
Упражнение.Доказать теорему о делении с остатком геометрически (использовать геометрическую интерпретацию чисел).
Следствие из теоремы.
b делит a тогда и только тогда, когда r = 0 (b|a Û r = 0);
r называют остатком, а q – частным.
Построение комплексных чисел.
Уравнение x2+1=0 не имеет решения в области действительных чисел. Построение комплексных чисел попутно решает задачу о расширении множества действительных чисел до такого множества, чтобы уравнение x2+1=0 имело решение.
В качестве исходного материала для построения комплексных чисел возьмём множество точек плоскости. Будем их обозначать z1, z2,…, zn. Если на плоскости выбрана Декартова система координат, то между точками на плоскости и множеством пар чисел (a, b), где a и bÎR, можно установить взаимно однозначное соответствие, т.е.
z (a, b), где – равно по определению.
Введём операции сложения и умножения точек плоскости.
Определение 1.Под суммой точек z1=(a, b) и z2=(c, d) будем понимать точку z = z1+z2 (a+c, b+d).
Определение 2.Под произведением точек z1=(a, b) и z2=(c, d) будем понимать точку z = z1z2 (ac–bd, ad+bc)
Теорема 1.
1) z1+z2=z2+z1 — коммутативность сложения;
2) (z1+z2)+z3= z1+(z2+z3) — ассоциативность сложения;
3) z1z2= z2z1 — коммутативность умножения;
4) (z1z2)z3= z1(z2z3) — ассоциативность умножения;
5) (z1+z2)z3 = z1z3+z2z3 — дистрибутивность умножения относительно сложения.
Для любых z1, z2, z3.
Доказательство утверждений 1) – 5) сводится к подсчёту правой и левой частей и проверке их равенства. Докажем, например, 3) :
z1z2 = (ac–bd, ad+bc) = (ca–db, cb+da) = z2z1 Þ z1z2= z2z1.
Введённые операции сложения и умножения обладают теми же свойствами, что и числа.
Определение 3.Под разностью точек z1=(a, b) и z2=(c, d) будем понимать точку z = (x, y) такую, что z2+ z = z1, т.е.
z2+z = z1 Û Þ
z1–z2 = (a – c, b – d).
Определение 4.Пусть z1 = (a, b), z2 = (c, d), z2 ¹ (0, 0).
Частным двух точек z1 и z2 называют точку z = (x, y) такую, что z2z = z1, т.е.
Þ
x = ; y = .
Точка с координатами (0, 0) играет роль нуля. Роль единицы играет точка с координатами (1, 0). Противоположной точке z1 = (a, b) будет точка z2 = (–a, –b).
Упражнение. Найти обратную точку для точки z2 = (c, d)≠(0,0).
Множество точек плоскости с так введёнными операциями сложения, умножения, вычитания и деления называют множеством комплексных чисел и обозначают C.
Точки с координатами (a, 0) на оси Ox и
(a, 0)+(b, 0) = (a+b, 0), (a, 0)(b, 0) = (ab, 0).
По своим свойствам множество таких точек ничем не отличаются от R, поэтому будем отождествлять (a, 0) и a. После этого отождествления множество C содержит R (C É R).
В множестве C имеет решение уравнение x2+1=0.
Это точка с координатами (0, 1): (0, 1) (0, 1) = (–1, 0).
Точка (0, 1) — обозначается i и называется мнимой единицей. Очевидно, что
(a, b) = (a, 0)+(0, b) = a+(b, 0)(0, 1) = a+bi, где a+bi — алгебраическая форма комплексного числа.
Замечание. Введенные ранее операции над комплексными числами приспособлены к алгебраической форме записи комплексного числа. Например, для умножения двух чисел имеем:
(a+bi)(c+di) = ac+adi+cbi+bdi2=(ac–bd)+i(ad+bc).
Пусть z = a+bi, тогда:
a = Re z — действительная часть комплексного числа,
b = Im z — мнимая часть комплексного числа.
Множество точек плоскости может служить геометрическим изображением комплексных чисел.
Определение 5.Два комплексных числа равны, если равны их мнимые и действительные части (следует из геометрической интерпретации комплексных чисел).
Два комплексных числа называют сопряжёнными, если их действительные части равны, а мнимые — противоположны (сопряжённое к z обозначаем через ).
Упражнение 1.Сумма и произведение двух комплексных чисел z и (сопряжённых) — действительное число.
Теорема 2.
Справедливы следующие соотношения:
1) = + ;
2) = – ;
3) = ;
4) = .
Доказательство.
Доказательство 1) – 4) однообразно и сводится к подсчёту левой и правой частей и их сравнению. Например: z1=a+bi, z2=c+di. Докажем
1) = + . По определению
= a-bi ; =c-di и
= (a+c)–(bi+di),
+ = (a–bi)+(c–di) = (a+c)–(bi+di).
Значит = + .
§3. ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ФОРМА
КОМПЛЕКСНОГО ЧИСЛА.
Пусть z = a+bi , полагаем r =|z|, r — модуль комплексного числа z.
a+bi = , положим
= cos и = sin .
Пусть z¹0, тогда угол j определен однозначно с точностью до 2pk. Если 0£j£2p, то он определен однозначно. Угол j называют аргументом комплексного числа z, r и j — полярные координаты точки.
Из тригонометрии мы знаем как искать j, если известно a и b.
Если r=0, то j может быть любой, то есть аргумент нуля не определён; r¹0, то аргумент определен с точностью до 2πk.
z = r(cosj+i sinj) (1)
Назовем выражение (1) тригонометрической формой комплексного числа.
Если два комплексных числа равны, то их модули равны, а их аргументы, вообще говоря, отличаются на 2pk.
Теорема 1.
Пусть z1 = r1 (cosj1+i sinj1), z2 = r2 (cosj2+i sinj2). Тогда:
1) z1z2 = r1r2(cos(j1+j2)+i sin(j1+j2))
(модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, а аргумент – сумме аргументов);
2)
(модуль частного комплексных чисел равен частному модулей, а аргумент – разности аргументов).
Доказательство:
Докажем 1).
z1z2 = r1r2(cosj1cosj2– sinj1sinj2+i(sinj1cosj2+cosj1sinj2)) = =r1r2cos(j1+j2)+i sin(j1+j2)).
Аналогично с частным.
Следствие 1.
Пусть z = r (cosj+i sinj), тогда z = (cos(–j)+i sin(–j)).
Доказательство:
z = = = = (cos(–j)+i sin(–j)).
Следствие 2(формула Муавра).
Пусть z = r (cosj+i sinj). Тогда zn = rn(cos(nj)+i sin(nj)) для любого nÎZ.
Доказательство:
Если n — натуральное, то формула Муавра следует из правила умножения комплексных чисел в тригонометрической форме.
Если n — отрицательное, то можно представить zn = (z -1)-n и применить следствие (1) и доказанную формулу Муавра для nÎN.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ КОРНЯ
ИЗ КОМПЛЕКСНОГО ЧИСЛА.
Пусть z = a+bi.
Надо извлечь корень из z.
— ?
обозначим через z1, то z = z.
Пусть z1 = x+iy, тогда
(x2–y2)+2xyi = a+bi,
Решив эту систему, мы найдем подходящие значения z1.
Если так действовать и для извлечения корней более высокой степени, то придётся уметь решать уравнения соответствующих степеней.
Для извлечения корня из комплексного числа хорошо приспособлена тригонометрическая форма комплексного числа.
Пусть z = r(cosj+i sinj), надо найти = z1, положим
z1=ρ (cosy+i siny), z ==ρn(cos(ny)+i sin(ny), r = ρn Þ ρ = , j = ny+2pk y = .
Получим
= (cos +i sin ) (1),
где k — любое целое число, то есть корень n–той степени из произвольного комплексного числа z всегда существует и его можно посчитать по формуле (1), причем формула (1) даёт все корни, если k пробегает множество целых чисел (достаточно ограничиться k = 0,…, n–1 )
Если возьмем k – любое, то мы можем разделить его с остатком на n:
k = nq+s ; 0£s£n–1
.
Углы [2] и [3] отличаются на кратное 2p, и поэтому косинусы и синусы от них совпадают, следовательно формула (1) при угле [2] и при угле [3] даёт одинаковое значение.
Если брать k от 0 до n–1 , то мы получим все значения. Нетрудно заметить, что все эти значения разные (смотри геометрическую интерпретацию).
Теорема 4.
Извлечение корня степени n из комплексного числа всегда возможно, и даёт n различных значений, получающихся по формуле (1).
Теорема нами доказана ранее.
Замечание(геометрическая интерпретация).
Все значения расположены на окружности радиуса с центром в начале координат и делят окружность на n равных частей:
§5. КОРНИ ИЗ ЕДИНИЦЫ.
1 = cos0+i sin0 = cos +i sin , .
Корни расположены на окружности единичного радиуса и делят эту окружность на n равных частей.
Теорема 1.
Все значения корня n–той степени из комплексного числа z можно получить умножением одного из них на все корни из 1.
Доказательство:
Возьмём a = = (cos +i sin ), где s–фиксированное число.
e1, e2,…, en – так обозначим все корни .
Домножим каждый из корней e1,…, en на a. Они разные, все являются корнями n–той степени из z, ибо (aei)n = z и их штук.
Теорема доказана.
Теорема 2.
Произведение двух корней n–той степени из единицы есть корень степени n из единицы.
Следствие.
Степень корня n–той степени из единицы есть корень степени n из единицы.
Все ли корни из 1 равноправны?
n=4 ; 1, –1, i, –i — корни из единицы.
i; –i — первообразные корни; если i возводить в степени 0, 1, 2, 3, то получим все корни.
Определение 1.
Корень n–той степени из 1 называется первообразным, если он не даёт единицу в степени меньше, чем n.
ЧИСЛОВОЕ ПОЛЕ.
В множествах Q Ì R Ì C возможны четыре операции +, –,× , :.
Определение 1. Подмножество K Ì C множества комплексных чисел C, состоящее более, чем из одного элемента, называют числовым полем, если выполняются следующие условия:
1) " a, bÎK Þ a+bÎK , то есть в множестве K всегда возможно сложение;
2) " aÎK Þ –aÎK ;
3) " a, bÎK Þ abÎK , то есть задано умножение в K (K замкнуто относительно умножения);
4) " a ¹ 0 ; a -1ÎK.
Из 2) с учётом 1) получаем, что в K всегда возможно вычитание.
Из 4) с учётом 3) получаем, что в K всегда возможно деление на число не равное 0.
Q — поле рациональных чисел;
R — поле вещественных чисел;
C — поле комплексных чисел.
Умножение матриц.
Мы никак не мотивировали операцию сложения матриц, но едва ли это вызвало недоумение в силу своей естественности. Операция умножения матриц уже не обладает этим качеством.
Пусть A = (aij)m x n , B = (bij)n x p. Под произведением АВ понимают
матрицу С с элементами cij = .
АВ := С= (сij)m x p.
Например, А = и В = .
Тогда AВ =
5=1 · 0 + 2 · 1 + 3 · 1
6=1 · 1 + 2 · 1 + 3 · 1
7= 1 · 4 + 2 · 0 + 3 · 1 и т.д.
Берется i-тая строка матрицы А и j-тый столбец матрицы В, перемножаются покомпонентно и результаты складываются. Это есть элемент матрицы С на позиции i,j.
Свойство. Произведение матриц не коммутативно, т.е. АВ ¹ ВА, в том числе и квадратных.
Пример (доказывающий свойство):
=
=
Замечание 1. Запись A = (aij)m x n обозначает, что матрица А имеет размеры
m x n.
Замечание 2. В двойной сумме результат суммирования не зависит от порядка суммирования, т.е.
, ибо левая часть равенства и правая часть есть сумма элементов матрицы .
Транспонирование матриц.
Определение 1. Пусть A = (aij)m x n . Транспонирование матрицы — это такое ее преобразование, при котором строка с номером i записывается в столбец с тем же номером.
Обозначение: Аt , Аtr , А'.
Пример:
, то .
Теорема 5.Имеют место следующие равенства:
1. (Аt)t = A.
2. (αA + βB)t = αAt + βBt.
3. (AB)t = ВtАt .
Причем, А и В — матрицы подходящих размеров, α и β — любые числа.
¢ 1. А = (аij)m x n
(A)t = (аji)n x m (Аt)t = A.
2. Доказать самостоятельно.
3. Пусть имеем А = (аij)m x n и B = (bij)n x s . Тогда At = ( ij)n x m , Bt = =( ij)s x n, AB = (cij)m x s, BtАt = (dij)s x m , (AB)t = ( ij)s x m.
Матрица ВtAt и (AB)t одинаковых размеров, и чтобы доказать, что ВtAt = (AB)t , надо показать, что на одинаковых местах стоят одинаковые элементы.
.
Мы получили, что на позиции ij у матрицы ВtAt и матрицы (AB)t стоит один и тот же элемент. £
Определение 2. Матрица А называется симметрической, если Аt = А, и кососимметрической, если Аt = -А.
Пример. Симметрическая матрица:
кососимметрическая матрица:
Упражнение. Будет ли произведение симметрических (кососимметрических) матриц симметрической (кососимметрической) матрицей? Если будет, доказать. Если не будет, привести пример.
Перестановки.
Пусть X — непустое множество элементов произвольной природы, так как природа элементов для нас несущественна, то в случае конечного множества считаем X = .
Определение 1. Любое упорядоченное расположение элементов множества X называется перестановкой множества X.
Пример:
Если X = , то (2,5,3,4,1) - перестановка множества X.
Перестановку элементов множества X обозначают , причем среди (i = 1,2,…, n) нет равных.
Определение 2. Две перестановки множества X называются равными, если у них на одинаковых местах стоят одинаковые элементы.
Теорема 1.Число различных перестановок множества из n элементов равно n!
◄ Докажем эту теорему индукцией по числу . При 1 имеется одна перестановка, т.е. 1!.
Пусть >1 и число различных перестановок, которые можно составить из заданных ( ) элементов, равно . Всякая перестановка данных элементов с фиксированным первым числом а имеет вид:
,
где произвольная перестановка оставшихся ( ) элементов. По индуктивному предположению число таких перестановок равно .В качестве а, можно взять любой из данных элементов, поэтому число различных перестановок заданных элементов равно сумме n слагаемых, каждое из которых есть , т.е. n!►
Определение 3. Будем говорить, что в перестановке чисел два числа образуют инверсию если > , но i < j. В противном случае образуют порядок.
Пример:
В перестановке (1 3 4 2) инверсии: 4,2 ; 3,2 , а остальные пары образуют порядок.
Определение 4. Количество пар чисел, образующих инверсию в перестановке, называют числом инверсий данной перестановки. Отображение X X будем называть преобразованием множества X.
Пусть множество X состоит не менее чем из двух элементов X.
Определение 5. Преобразование множества Х называют транспозицией элементов и , если , , .Такое преобразование обозначают .
Определение 6. Перестановку называют четной, если число инверсий в ней четно, и нечетной в противном случае.
Теорема 2.Однократное применение транспозиции к перестановке изменяет ее характер четности на противоположный.
◄ Пусть имеется перестановка . Применим к ней транспозицию , получим . Рассмотрим несколько случаев:
1. Пусть и стоят рядом. Если и в образуют инверсию, то образуют порядок. Поэтому характер четности изменяется на противоположный, ибо число инверсий изменяется на единицу.
2. Пусть и не стоят рядом . От к можно перейти следующим способом: менять с рядом стоящим элементом дойти до и перегнать на место . Всего нам придется применить S+1+S=2S+1 транспозиций соседних чисел, где число элементов между и , поэтому характер четности перестановок и различны.►
Следствие.При 2 число четных перестановок равно числу нечетных перестановок и равно .
◄ Пусть число четных перестановок равно S, нечетных — T. Если к каждой четной перестановке мы применим транспозицию двух элементов, мы превратим их в нечетные S , аналогично наоборот T T=S
=S+T =2S
S=T= .►
Теорема 3.Пусть даны две различные перестановки одних и тех же чисел, тогда существует последовательность транспозиций переводящих первую перестановку во вторую.
◄ Пусть
есть произвольные перестановки из n чисел. Если , то применив к перестановке транспозицию получим перестановку n чисел вида
Если , то к перестановке применим транспозицию .В результате получим перестановку . Продолжаем этот процесс получаем требуемое.►
Замечание.В доказательстве теоремы содержится алгоритм нахождения последовательности транспозиций, переводящих одну перестановку в другую.
Пример:
(1, 2, 3, 4)
(3, 1, 4 ,2)
(1,2,3,4) (3,2,1,4) (3,1,2,4) (3,1,4,2).
(6) (7)
Такая последовательность транспозиций не однозначна (это может быть не самый короткий путь перехода от одной перестановки к другой).
Подстановки.
Пусть X X , при этом если — биективно, то часто называют подстановкой. Мы ограничимся случаем, когда число элементов конечно, и равно n .
X = , тогда отображение можно записать в виде таблицы:
Если подстановка, тогда — перестановка. Запись отображения в виде таблице (1) позволяет хорошо перемножать отображения.
Пример.
Теорема 1.Всякая подстановка конечного множества, содержащая не менее двух элементов, может быть представлена в виде произведения транспозиций.
◄ Пусть имеем .Согласно теореме 3 предыдущего параграфа, существует последовательность транспозиций переводящая первую перестановку во вторую, пусть это будет следующая последовательность транспозиций . Тогда очевидно, что , ибо отображения действуют на одном и том же множестве и результат их действия одинаков. ►
Замечание. Разложение подстановки в произведение транспозиций, вообще говоря, неоднозначно.
Теорема 2.Характер четности числа сомножителей во всех разложениях подстановки в произведение транспозиций один и тот же.
◄ Пусть подстановка вида (1) разлагается в произведение k транспозиций. Это значит, что существует последовательность k транспозиций, переводящая перестановку (2) в перестановку (3). Однократное применение транспозиции меняет характер четности перестановки, поэтому k — четное число тогда и только тогда, когда перестановки(2) и (3) одного характера четности. Это и доказывает теорему.►
Определение 1. Подстановка называется четной, если она разлагается в произведение четного числа транспозиций, и нечетная в противном случае.
Упражнение. Число четных подстановок равно числу нечетных и равно .
Определители и их свойства.
Пусть А — некоторая матрица размеров n x n над полем Р.
A =
Возьмем из каждой строки и каждого столбца матрицы по одному элементу . Тогда (i1 ..........in ) (1) будет некоторой перестановкой чисел 1,2, … , n. Возьмем произведение этих элементов и умножим на (-1) t , где t — число инверсий в перестановке (1). Получим (-1) t (2). Это произведение (2) принято называть членом определителя матрицы А.
Определение. Определителем (детерминантом) матрицы А назовем сумму всех членов определителя матрицы А.
Определитель матрицы А обозначается одним из символов: | A | , det A .
Замечание. Количество членов определителя матрицы А равно n!
Примеры:
1) n=1; A = (a11) . Определитель матрицы равен a11.
2) n=2; A = , тогда det A = а11а22 – а12а21.
3) n=3; A = , тогда det A = a11a22a33 + a12a23a31 + a13a21a32 –
– a13a22a31 – a12a21a33 – a11a23a32.
Если , считать определитель по определению становится уже громоздким. Для того, чтобы считать определитель, нужно использовать его свойства.
Свойства определителей.
1) Определитель матрицы не изменяется при ее транспонировании, т.е.
det A = det At.
2) Если у матрицы поменять местами две строки, то ее определитель изменит знак на противоположный.
3) Определитель матрицы с нулевой строкой равен 0.
4) Определитель матрицы, содержащий две равные строки, равен 0.
5) Постоянный множитель всех элементов какой-нибудь строки определителя можно выносить за знак определителя.
6) Определитель матрицы, содержащей две пропорциональные строки,
равен 0.
7)
d = = + ,
|| ||
d1 d2
где aik=bik+cik , где к = 1, ... , n.
Определитель матрицы d, у которой i-тая строка представлена в виде aik=bik+cik , где к = 1, … , n, равен сумме определителей d1 и d2 , которые отличны от d i - той строкой, а именно, у d1 i–тая строка bik , у d2 - cik, .
8) Если в определителе к какой–нибудь строке прибавить другую строку, умноженную на произвольное число, то определитель при этом не изменится.
¢ Доказательство всех этих свойств основано на определении определителя и несложных наблюдениях.
Докажем, например, свойство 1.
Пусть А = (aij), At = (bij) — транспонированная к А матрица, т.е.
bij = aji. (3)
Требуется доказать, что | A | = | At |.
Рассмотрим произвольный член определителя | At | : (-1)t (4),
где t — число инверсий в перестановке j1, j2, …, jn (5). Учитывая (3), перепишем (4) в виде (-1)t = (-1)t (6). Так как (5) — перестановка из n чисел, то правую часть (6) можно переписать следующим образом: (-1)t = (-1)t (7). Это равносильно тому, что подстановка (8) записывается в виде (9).
Из (6) и (7) получаем (-1)t = (-1)t (10).
Правая часть равенства (10) есть с точностью до знака член определителя | A |. Покажем, что перестановка l1, l2, …, ln (11) имеет тот же характер четности, что и перестановка (5).
Действительно, перестановка (11) имеет ту же четность, что и подстановка (9), равная подстановке (8). Четность подстановки (8) совпадает с четностью обратной к ней подстановки (12). Наконец, подстановка (12) имеет ту же четность, что и перестановка (5). Итак, если k — число инверсий в перестановке (11), то с учетом (10) имеем (-1)t = (-1)k , т.е. член определителя |At|, соответствующий перестановке (5), равен члену определителя |A|, соответствующий перестановке (11). Отсюда и следует равенство определителей |A| и |At|.
Докажем теперь свойство 7.
Если (-1)t есть произвольный член определителя (напомним, что t — число инверсий в перестановке j1,..., ji, ..., jn), то
d = å(-1) t = å(-1) t =
= å(-1) t + å(-1) t = d1 + d2 . £
Замечание. Так как при транспонировании матрицы столбцы становятся строками, то из свойства 1 следует, что все утверждения, доказанные нами для строк определителя, верны и для его столбцов.
Пример 1. det = det = 1 · 1 · 2 · 7 = 14.
Пример 2. det = а11… аnn.
Обратная матрица.
Пусть A = (aij)n x n квадратная матр