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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (a, b), где Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru – 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (a+c, b+d).

Определение 2.Под произведением точек z1=(a, b) и z2=(c, d) будем понимать точку z = z1z2 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Þ Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Þ Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

x = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ; y = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ).

Упражнение 1.Сумма и произведение двух комплексных чисел z и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (сопряжённых) — действительное число.

Теорема 2.

Справедливы следующие соотношения:

1) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru + Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ;

2) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ruПолагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ;

3) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ;

4) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru + Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . По определению

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = a-bi ; Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru =c-di и

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = (a+c)–(bi+di),

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru + Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = (a–bi)+(c–di) = (a+c)–(bi+di).

Значит Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru + Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

§3. ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ФОРМА

КОМПЛЕКСНОГО ЧИСЛА.

Пусть z = a+bi , полагаем r Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru =|z|, r — модуль комплексного числа z.

a+bi = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , положим

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = cos Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = sin Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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))

 
  Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

(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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (cos(–j)+i sin(–j)).

Доказательство:

z Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru — ?

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru обозначим через z1, то z Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = z.

Пусть z1 = x+iy, тогда

(x2–y2)+2xyi = a+bi,

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = z1, положим

z1=ρ (cosy+i siny), z Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ==ρn(cos(ny)+i sin(ny), r = ρn Þ ρ = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , j = ny+2pk Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru y = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

Получим

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (cos Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru +i sin Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ) (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

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru расположены на окружности радиуса Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru с центром в начале координат и делят окружность на n равных частей:

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru
§5. КОРНИ ИЗ ЕДИНИЦЫ.

1 = cos0+i sin0 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = cos Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru +i sin Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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 = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (cos Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru +i sin Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ), где s–фиксированное число.

e1, e2,…, en – так обозначим все корни Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

Домножим каждый из корней e1,…, en на a. Они разные, все являются корнями n–той степени из z, ибо (aei)n = z и их Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 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

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

матрицу С с элементами cij = .

АВ := С= (сij)m x p.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Например, А = и В = .

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

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):

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

=

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

=

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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , ибо левая часть равенства и правая часть есть сумма элементов матрицы Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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:

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , то Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.rut)t = A.

2. Доказать самостоятельно.

3. Пусть имеем А = (аij)m x n и B = (bij)n x s . Тогда At = ( Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ij)n x m , Bt = =( Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ij)s x n, AB = (cij)m x s, BtАt = (dij)s x m , (AB)t = ( Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Пример. Симметрическая матрица:

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

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 = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

Определение 1. Любое упорядоченное расположение элементов множества X называется перестановкой множества X.

Пример:

Если X = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , то (2,5,3,4,1) - перестановка множества X.

Перестановку элементов множества X обозначают Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , причем среди Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (i = 1,2,…, n) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . При Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 1 имеется одна перестановка, т.е. 1!.

Пусть Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru >1 и число различных перестановок, которые можно составить из заданных ( Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ) элементов, равно Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . Всякая перестановка данных элементов с фиксированным первым числом а имеет вид:

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ,

где Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru произвольная перестановка оставшихся ( Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru ) элементов. По индуктивному предположению число таких перестановок равно Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .В качестве а, можно взять любой из данных Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru элементов, поэтому число различных перестановок заданных Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru элементов равно сумме n слагаемых, каждое из которых есть Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , т.е. n!►

Определение 3. Будем говорить, что в перестановке чисел Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru два числа Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru образуют инверсию если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru > Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , но i < j. В противном случае Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru X Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru X будем называть преобразованием множества X.

Пусть множество X состоит не менее чем из двух элементов Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru X.

Определение 5. Преобразование множества Х называют транспозицией элементов Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .Такое преобразование обозначают Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . Применим к ней транспозицию Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , получим Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . Рассмотрим несколько случаев:

1. Пусть Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru стоят рядом. Если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru в Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru образуют инверсию, то Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru образуют порядок. Поэтому характер четности изменяется на противоположный, ибо число инверсий изменяется на единицу.

2. Пусть Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru не стоят рядом Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . От Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru к Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru можно перейти следующим способом: Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru менять с рядом стоящим элементом дойти до Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru перегнать на место Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . Всего нам придется применить S+1+S=2S+1 транспозиций соседних чисел, где Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru число элементов между Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , поэтому характер четности перестановок Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru и Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru различны.►

Следствие.При Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 2 число четных перестановок равно числу нечетных перестановок и равно Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

◄ Пусть число четных перестановок равно S, нечетных — T. Если к каждой четной перестановке мы применим транспозицию двух элементов, мы превратим их в нечетные S Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , аналогично наоборот T Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru T=S

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru =S+T =2S

S=T= Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .►

Теорема 3.Пусть даны две различные перестановки одних и тех же чисел, тогда существует последовательность транспозиций переводящих первую перестановку во вторую.

◄ Пусть

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

есть произвольные перестановки из n чисел. Если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , то применив к перестановке Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru транспозицию Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru получим перестановку n чисел вида

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , то к перестановке Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru применим транспозицию Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .В результате получим перестановку Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . Продолжаем этот процесс получаем требуемое.►

Замечание.В доказательстве теоремы содержится алгоритм нахождения последовательности транспозиций, переводящих одну перестановку в другую.

Пример:

(1, 2, 3, 4) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

(3, 1, 4 ,2) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

(1,2,3,4) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (3,2,1,4) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (3,1,2,4) Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru X Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru X , при этом если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru — биективно, то часто Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru называют подстановкой. Мы ограничимся случаем, когда число элементов конечно, и равно n .

X = Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , тогда отображение можно записать в виде таблицы:

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru подстановка, тогда Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru — перестановка. Запись отображения Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru в виде таблице (1) позволяет хорошо перемножать отображения.

Пример.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Теорема 1.Всякая подстановка конечного множества, содержащая не менее двух элементов, может быть представлена в виде произведения транспозиций.

◄ Пусть имеем Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .Согласно теореме 3 предыдущего параграфа, существует последовательность транспозиций переводящая первую перестановку во вторую, пусть это будет следующая последовательность транспозиций Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . Тогда очевидно, что Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (2) в перестановку Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

Определители и их свойства.

Пусть А — некоторая матрица размеров n x n над полем Р.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

A =

Возьмем из каждой строки и каждого столбца матрицы по одному элементу Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru . 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

2) n=2; A = , тогда det A = а11а22 – а12а21.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 3) n=3; A = , тогда det A = a11a22a33 + a12a23a31 + a13a21a32

– a13a22a31 – a12a21a33 – a11a23a32.

Если Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , 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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru 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 , Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru у d2 - cik, Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru .

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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (4),

где t — число инверсий в перестановке j1, j2, …, jn (5). Учитывая (3), перепишем (4) в виде (-1)t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = (-1)t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (6). Так как (5) — перестановка из n чисел, то правую часть (6) можно переписать следующим образом: (-1)t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = (-1)t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (7). Это равносильно тому, что подстановка Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (8) записывается в виде Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (9).

Из (6) и (7) получаем (-1)t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = (-1)t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru (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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = (-1)k Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru , 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 Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru есть произвольный член определителя (напомним, что t — число инверсий в перестановке j1,..., ji, ..., jn), то

d = å(-1) t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = å(-1) t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru =

= å(-1) t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru + å(-1) t Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru = 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.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Пример 1. det = det = 1 · 1 · 2 · 7 = 14.

Полагаем, что в произвольном подмножестве натуральных чисел всегда есть наименьшее. - student2.ru

Пример 2. det = а11… аnn.

Обратная матрица.

Пусть A = (aij)n x n квадратная матр

Наши рекомендации