Векторное пространство. Пространства арифметических и алгебраических векторов.

Векторное пространство. Пространства арифметических и алгебраических векторов.

Вектор- элемент линейного пространства

н-мерным арифметическим вектором называется упорядоченный набор из н-вещественных чисел

Обозначается x = (x 1, x 2,..., x n);

числа x 1, x 2, ..., xn называются компонентами арифметического вектора.

Для арифметических векторов определены линейные операции — сложение арифметических векторов и умножение вектора на число:

для любых x = (x 1, x 2,..., x n), y = (y 1, y 2,..., y n) и любого числа α справедливо:

x + y = (x 1+ y 1, x 2 + y 2,..., x n + yn); α x = (αx 1, αx 2,..., α x n).

Достаточно умножить на это число каждый компонент

2)сложение

суммой 2х векторов называется вектор, компоненты которого являются суммами соответствующих компонентам этих векторов

1)умножение

для того чтобы умножить,

Множество арифметических векторов, для которых определены операции сложения и умножения на число называется пространством арифметических векторов Rn.

Вектор θ = (0, 0,..., 0) называется нулевым вектором Rn,

а вектор − x = (− x 1, − x 2,..., − x n) — противоположным вектором для вектора x в Rn.

 

Геометрический вектор - направленный отрезок

2 направленных отрезка называется равными если

у них одинаковые длины, параллельны и соноправлены

свободный вектор — это множество равных между собой направленных отрезков

 

Сумма векторов:

(правило треугольника) (рис. 1.22);

(правило параллелограмма) (рис. 1.23);

(правило многоугольника);

(правило параллелепипеда, - диагональ).

Разность векторов:

Формула вычитания векторов: (рис. 1.24).

Признак коллинеарности векторов:

 

Векторное пространство

Перевод

Векторное пространство

математическое понятие, обобщающее понятие совокупности всех (свободных) Векторовобычного трёхмерного пространства.

Определение В. п. Для векторов трёхмерного пространства указаны правила сложения векторов и умножения их на действительные числа (см. Векторное исчисление). В применении к любым векторам х, у, z и любым числам α, β эти правила удовлетворяют следующим условиям (условия А):

1) х + у = у + х (перестановочность сложения);

2)(х + у)+ z = x +(y + z) (ассоциативность сложения);

3) имеется нулевой вектор 0 (или нуль-вектор), удовлетворяющий условию x + 0 = x: для любого вектора x;

4) для любого вектора х существует противоположный ему вектор у такой, что х + у = 0,

5) 1 · х = х,

6) α (βx)=(αβ) х (ассоциативность умножения);

7) (α + β) х = αх + βх (распределительное свойство относительно числового множителя);

8) α (х + у)= αх + αу (распределительное свойство относительно векторного множителя).

Векторным (или линейным) пространством называется множество R, состоящее из элементов любой природы (называемых векторами), в котором определены операции сложения элементов и умножения элементов на действительные числа, удовлетворяющие условиям А (условия 1—3 выражают, что операция сложения, определённая в В. п., превращает его в коммутативную группу). Выражение

α₁e₁ + α₂e₂ + … + α_ne_n (1)

называется линейной комбинацией векторов e₁, e₂,..., e_n с коэффициентами α₁, α₂, ..., α_n. Линейная комбинация (1) называется нетривиальной, если хотя бы один из коэффициентов α₁, α₂,..., α_n отличен от нуля. Векторы e₁, e₂,..., e_n называются линейно зависимыми, если существует нетривиальная комбинация (1), представляющая собой нулевой вектор. В противном случае (то есть если только тривиальная комбинация векторов e₁, e₂,..., e_n равна нулевому вектору) векторы e₁, e₂,..., e_n называется линейно независимыми.

Векторы (свободные) трёхмерного пространства удовлетворяют следующему условию (условие В): существуют три линейно независимых вектора; любые четыре вектора линейно зависимы (любые три ненулевых вектора, не лежащие в одной плоскости, являются линейно независимыми).

В. п. называется n-мepным (или имеет «размерность n»), если в нём существуют n линейно независимых элементов e₁, e₂,..., e_n, а любые n + 1 элементов линейно зависимы (обобщённое условие В). В. п. называются бесконечномерным, если в нём для любого натурального n существует n линейно независимых векторов. Любые n линейно независимых векторов n-мepного В. п. образуют базис этого пространства. Если e₁, e₂,..., e_n — базис В. п., то любой вектор х этого пространства может быть представлен единственным образом в виде линейной комбинации базисных векторов:

x = α₁e₁ + α₂e₂ + ... + α_ne_n.

При этом числа α₁, α_2,..., α_n называются координатами вектора х в данном базисе.

 

Длина вектора

Понятие вектора

Отрезок, для которого указано, какой из его концов считается началом, а какой — концом, называется вектором. Направление вектора (от начала к концу) на рисунках отмечается стрелкой. Любая точка пространства также может рассматриваться как вектор. Такой вектор называется нулевым. Начало и конец нулевого вектора совпадают, и он не имеет какого-либо определенного направления. Нулевой вектор обозначается символом

Длиной ненулевого вектора называется длина отрезка AB. Длина вектора (вектора ) обозначается так: . Длина нулевого вектора считается равной нулю: .
Два ненулевых вектора называются коллинеарными, если они лежат на одной прямой ил на параллельных прямых. Если два ненулевых вектора и коллинеарны и если при этом лучи AB и CD сонаправлены, то векторы и называются сонаправленными, а если эти лучи не являются сонаправленными, то векторы и называются противоположно направленными. Нулевой вектор принято считать сонаправленным с любим вектором.

 

Сложение матриц

 

Пусть и — матрицы одинаковых размеров . Матрица тех же размеров называется суммой матриц и , если ее элементы равны сумме соответствующих элементов матриц и : . Сумма матриц обозначается .

Из определения следует, что складывать можно только матрицы одинаковых размеров.

 

Умножение матрицы на число

 

Произведением матрицы на число называется матрица тех же размеров, что и матрица , каждый элемент которой равен произведению числа на соответствующий элемент матрицы

Произведение обозначается или .

 

Умножить на число можно любую матрицу, при этом каждый ее элемент умножается на это число.

 

5. Модели планирования производства.

????????

Системы линейных уравнений

Общий вид системы

 

, i = 1, 2,..., m; j = 1, 2,..., n, - коэффициенты системы; - свободные члены; - переменные;

Если все = 0, система называется однородной.

Уравнение прямой в отрезках

 

Если в общем уравнении прямой Ах + Ву + С = 0 С≠0, то, разделив на –С, получим: или

, где

Геометрический смысл коэффициентов в том, что коэффициент а является координатой точки пересечения прямой с осью Ох, а b – координатой точки пересечения прямой с осью Оу.

 

Пример. Задано общее уравнение прямой х – у + 1 = 0. Найти уравнение этой прямой в отрезках.

 

С = 1, , а = -1, b = 1.

 

 

Нормальное уравнение прямой

 

Если обе части уравнения Ах + Ву + С = 0 разделить на число , которое называется нормирующем множителем, то получим

 

xcosφ + ysinφ - p = 0 –

нормальное уравнение прямой.

Знак ± нормирующего множителя надо выбирать так, чтобы μ? С < 0.

р – длина перпендикуляра, опущенного из начала координат на прямую, а φ - угол, образованный этим перпендикуляром с положительным направлением оси Ох.

 

Пример. Дано общее уравнение прямой 12х – 5у – 65 = 0. Требуется написать различные типы уравнений этой прямой.

уравнение этой прямой в отрезках:

уравнение этой прямой с угловым коэффициентом: (делим на 5)

нормальное уравнение прямой:

 

; cos φ = 12/13; sin φ= -5/13; p = 5.

C ледует отметить, что не каждую прямую можно представить уравнением в отрезках, например, прямые, параллельные осям или проходящие через начало координат.

 

Пример. Прямая отсекает на координатных осях равные положительные отрезки. Составить уравнение прямой, если площадь треугольника, образованного этими отрезками равна 8 см ².

Уравнение прямой имеет вид: , ab /2 = 8; a = 4; -4.

a = -4 не подходит по условию задачи.

Итого: или х + у – 4 = 0.

 

Пример. Составить уравнение прямой, проходящей через точку А(-2, -3) и начало координат.

 

Уравнение прямой имеет вид: >, где х ₁ = у ₁ = 0; x₂ = -2; y₂ = -3.

 

 

Коллинеарные прямые

 

Две прямые называются коллинеарными, если они параллельны или совпадают.

 

Получим условие коллинеарности двух прямых и , заданных общими уравнениями:

 

Необходимым и достаточным условием коллинеарности прямых (3.19) является условие коллинеарности их нормалей и . Следовательно, если прямые (3.19) коллинеарны, то , т.е. существует такое число , что

 

и наоборот.

Прямые совпадают, если помимо этих условий справедливо . Тогда первое уравнение в (3.19) имеет вид , т.е. равносильно второму, поскольку .

 

Таким образом, прямые (3.19) параллельны тогда и только тогда, когда соответствующие коэффициенты при неизвестных в их уравнениях пропорциональны, т.е. существует такое число , что , но . Прямые (3.19) совпадают тогда и только тогда, когда все соответствующие коэффициенты в их уравнениях пропорциональны:

 

 

Условия параллельности или совпадения прямых (3.19) можно записать в виде

 

Условие коллинеарности двух прямых (3.19) можно записать в виде

 

 

Пересекающиеся прямые

 

Необходимым и достаточным условием пересечения двух прямых (3.19) является условие неколлинеарности их нормалей, или, что то же самое, условие непропорциональности коэффициентов при неизвестных:

 

или

При этом условии система уравнений

 

имеет единственное решение , которое определяет точку пересечения прямых (3.19).

 

Угол между прямыми

 

Углом между двумя прямыми на плоскости называется угол между их направляющими векторами. По этому определению получаются не один угол, а два смежных угла, дополняющих друг друга до . В элементарной геометрии из двух смежных углов, как правило, выбирается меньший, т.е. величина угла между двумя прямыми удовлетворяет условию .

 

 

Если и направляющие векторы прямых и соответственно (рис.3.23,а), то величина угла между этими прямыми вычисляется по формуле:

 

Чтобы получить величину острого угла между прямыми, нужно правую часть взять по абсолютной величине:

 

Угол между прямыми (3.19) можно вычислить как угол между их нормалями и :

 

Чтобы получить величину острого угла между прямыми, нужно правую часть взять по абсолютной величине:

 

Необходимым и достаточным условием перпендикулярности прямых (3.19) является условие ортогональности их нормалей, т.е. :

 

 

По формуле (3.22) получаем острый угол между прямыми (3.19), если (рис.3.23,а), и тупой в противном случае: (рис.3.23,6). Другими словами, по формуле (3.22) находится тот угол между прямыми, в котором лежат точки, принадлежащие разноименным полуплоскостям, опреляемым данными прямыми. На рис.3.23 положительные и отрицательные полуплоскости отмечены знаками плюс или минус соответственно.

 

Если прямые заданы уравнениями с угловыми коэффициентами:

 

 

то угол между ними (один из смежных углов) находится по формуле

 

 

Если правая часть (3.23) положительна, то угол острый (рис.3.24), в противном случае - тупой. Чтобы получить острый угол , нужно правую часть (3.23) взять по абсолютной величине:

 

 

Если (условие параллельности прямых), то . Если (условие перпендикулярности прямых), то правая часть (3.23) не определена . Тогда полагают, что .

Плоскостями.)

??? Плоскость в пространстве

План лекции

1. Уравнение плоскости. Полное и неполные уравнения плоскости.

2. Частные случаи уравнения плоскости.

3. Нормальное уравнение плоскости. Расстояние от точки до плоскости.

4. Взаимное расположение двух плоскостей в пространстве.

 

1. Уравнение плоскости. Полное и неполные уравнения плоскости.

Всякая плоскость в пространстве, снабженном декартовой системой координат, есть множество вех точек, удовлетворяющих некоторому линейному уравнению вида:

(1)

Обратно, множество всех точек ,являющихся решениями произвольного уравнения (1), есть плоскость.

(1) – общее уравнение плоскости.

Пусть точка лежит в плоскости (1), тогда выполняется равенство: (2)

Вычтем (2) из (1):

Следовательно, векторы и ортогональны. Таким образом, вектор является нормалью к плоскости (1) и называется нормальным вектором плоскости.

Неполные уравнения плоскости:

А) - уравнение плоскости, проходящей через начало координат;

Б) - уравнение плоскости, параллельной оси ;

В) - уравнение плоскости, параллельной оси ;

Г) - уравнение плоскости, параллельной оси ;

Д) - уравнение плоскости, параллельной координатной плоскости ;

Е) - уравнение плоскости, параллельной координатной плоскости ;

Ж) - уравнение плоскости, параллельной координатной плоскости .

2. Частные случаи уравнения плоскости.

Всякую плоскость в пространстве можно задать, указав какую – ни будь ее точку и два произвольных приложенных к этой точке неколлинеарных вектора:

и .

Прилагая векторы и к точке , получим всевозможные закрепленные векторы вида , где - произвольные вещественные числа; концы этих векторов и заполняют плоскость, проходящую через точку и два приложенных к ней вектора .

В координатной форме уравнение (3) записывается так:

(4)

(4) – параметрическое уравнение плоскости.

Уравнение (4) выражают линейную зависимость столбцов матрицы

Что эквивалентно равенству:

(5)

Пример. Найти уравнение плоскости, проходящей через три данные точки: ; ; .

Решение. Искомая плоскость содержит точку и неколлинеарные векторы:

и , следовательно, ее уравнение можно записать в виде (5):

Если все коэффициенты уравнения (1) отличны от нуля, тогда его можно записать в виде:

Или

(6)

Где ; ; .

(6) – уравнение плоскости в отрезках, т.к. числа - алгебраические значения отрезков, отсеченных плоскостью (1) на осях координат.

3. Нормальное уравнение плоскости. Расстояние от точки до плоскости.

Пусть дана плоскость . Проведем через начало координат прямую , будем называть эту прямую нормалью; точка - пересечение плоскости и нормали . Обозначим через углы, которые составляет вектор с осями координат; . Выведем уравнение плоскости , считая известными . Для этого возьмем на плоскости произвольную точку , тогда , отсяда

Или

(7)

(7) – нормальное уравнение плоскости.

Теорема. Расстояние от точки до плоскости вычисляется по формуле:

Доказательство. Спроектируем точку на нормаль ; - ее проекция, тогда или , но ; , следовательно,

Теорема доказана.

Если плотность задана общим уравнением (1), то расстояние от точки до этой плоскости находится по формуле:

4. Взаимное расположение двух плоскостей в пространстве.

Пусть в пространстве даны две плоскости и :

Соответствующие им векторы нормали имеют вид

,

Плоскости в пространстве могут быть параллельны, совпадать, перпендикулярны и, наконец, пересекаться под произвольным углом.

Рассмотрим эти случаи.

А) Плоскости и параллельны, следовательно, , т.е. .

Б) Плоскости и совпадают, следовательно, уравнения, их описывающие, эквивалентны, т.е. .

В) Плоскости пересекаются под прямым углом, тогда и , т.е. .

Г) Плоскости пересекаются под произвольным углом; найдем этот угол. За угол между плоскостями принимается угол между любыми двумя перпендикулярными к ним векторами, следовательно, это будет угол между нормалями и , а его можно вычислить по формуле:

 

 

УГОЛ МЕЖДУ ПЛОСКОСТЯМИ

Рассмотрим две плоскости α₁ и α₂, заданные соответственно уравнениями:

Под углом между двумя плоскостями будем понимать один из двугранных углов, образованных этими плоскостями. Очевидно, что угол между нормальными векторами и плоскостей α₁ и α₂ равен одному из указанных смежных двугранных углов или . Поэтому . Т.к. и , то

.

Пример. Определить угол между плоскостями x +2 y -3 z +4=0 и 2 x +3 y + z +8=0.

Эллипс.

 

Эллипсом называется множество точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух фиксированных точек F ₁ и F ₂ этой плоскости, называемых фокусами, есть величина постоянная.

 

Замечание. При совпадении точек F ₁ и F ₂ эллипс превращается в окружность.

Выведем уравнение эллипса, выбрав декартову систему

у М(х,у) координат так, чтобы ось Ох совпала с прямой F ₁ F ₂, начало

r₁ r₂ координат – с серединой отрезка F ₁ F ₂. Пусть длина этого

отрезка равна 2 с, тогда в выбранной системе координат

F₁ O F₂ x F ₁(- c, 0), F ₂(c, 0). Пусть точка М(х, у) лежит на эллипсе, и

сумма расстояний от нее до F ₁ и F ₂ равна 2 а.

Тогда r ₁ + r ₂ = 2 a, но ,

поэтому Введя обозначение b ² = a ²- c ² и проведя несложные алгебраические преобразования, получим каноническое уравнение эллипса:

 

 

Замечание. При ином выборе системы координат эллипс может задаваться не каноническим уравнением (11.1), а уравнением второй степени другого вида.

 

Свойства эллипса:

1) Эллипс имеет две взаимно перпендикулярные оси симметрии (главные оси эллипса) и центр симметрии (центр эллипса). Если эллипс задан каноническим уравнением, то его главными осями являются оси координат, а центром – начало координат. Поскольку длины отрезков, образованных пересечением эллипса с главными осями, равны 2 а и 2 b (2 a >2 b), то главная ось, проходящая через фокусы, называется большой осью эллипса, а вторая главная ось – малой осью.

2) Весь эллипс содержится внутри прямоугольника

3) Эксцентриситет эллипса e < 1.

 

 

Можно доказать, что уравнение (11.7) равносильно исходному уравнению.

Оно называется каноническим уравнением эллипса. Эллипс- кривая второго порядка.

 

Гипербола.

Гиперболой называется множество точек плоскости, для которых модуль разности расстояний до двух фиксированных точек F ₁ и F ₂ этой плоскости, называемых фокусами, есть величина постоянная.

| r₁ - r₂| = 2 a, откуда Если обозначить b ² = c ² - a ², отсюда можно получить

 

- каноническое уравнение гиперболы

 

Свойства гиперболы:

1) Гипербола имеет две оси симметрии (главные оси гиперболы) и центр симметрии (центр гиперболы). При этом одна из этих осей пересекается с гиперболой в двух точках, называемых вершинами гиперболы. Она называется действительной осью гиперболы (ось Ох для канонического выбора координатной системы). Другая ось не имеет общих точек с гиперболой и называется ее мнимой осью (в канонических координатах – ось Оу). По обе стороны от нее расположены правая и левая ветви гиперболы. Фокусы гиперболы располагаются на ее действительной оси.

2) Ветви гиперболы имеют две асимптоты, определяемые уравнениями

и .

3) Наряду с гиперболой (11.3) можно рассмотреть так называемую сопряженную гиперболу, определяемую каноническим уравнением

, (11.3`)

для которой меняются местами действительная и мнимая ось с сохранением тех же асимптот.

4) Эксцентриситет гиперболы e > 1.

5) Отношение расстояния r_i от точки гиперболы до фокуса F_i к расстоянию d_i от этой точки до отвечающей фокусу директрисы равно эксцентриситету гиперболы.

Доказательство можно провести так же, как и для эллипса.

 

 

Парабола.

 

Параболой называется множество точек плоскости, для которых расстояние до некоторой фиксированной точки F этой плоскости равно расстоянию до некоторой фиксированной прямой. Точка F называется фокусом параболы, а прямая – ее директрисой.

у Для вывода уравнения параболы выберем декартову

систему координат так, чтобы ее началом была середина

d M(x,y) перпендикуляра FD, опущенного из фокуса на директри-

r су, а координатные оси располагались параллельно и

перпендикулярно директрисе. Пусть длина отрезка FD

D O F x равна р. Тогда из равенства r = d следует, что

поскольку

Алгебраическими преобразованиями это уравнение можно привести к виду: y ² = 2 px

называемому каноническим уравнением параболы. Величина р называется параметром параболы.

 

Свойства параболы:

1) Парабола имеет ось симметрии (ось параболы). Точка пересечения параболы с осью называется вершиной параболы. Если парабола задана каноническим уравнением, то ее осью является ось Ох, а вершиной – начало координат.

2) Вся парабола расположена в правой полуплоскости плоскости Оху.

 

Замечание. Используя свойства директрис эллипса и гиперболы и определение параболы, можно доказать следующее утверждение:

Множество точек плоскости, для которых отношение е расстояния до некоторой фиксированной точки к расстоянию до некоторой прямой есть величина постоянная, представляет собой эллипс (при e <1), гиперболу (при e >1) или параболу (при е =1).

 

Квадратичные формы

Определение квадратичной формы

Квадратичная форма переменных - функция

- коэффициенты квадратичной формы. Без ограничения общности считают тогда

Если переменные принимают действительные значения и квадратичная форма называется действительной.

Матричная запись квадратичной формы

Матрица

называется матрицей квадратичной формы, ее ранг - рангом квадратичной формы. Квадратичная форма называется невырожденной, если

Главные миноры матрицы A называются главными минорами квадратичной формы.

В пространстве квадратичную форму можно записать в виде где X - координатный столбец вектора

В пространстве квадаратичную форму можно представить в виде где f - линейный самосопряженный оператор, матрица которого в некотором ортонормированном базисе равна A.

 

Векторное пространство. Пространства арифметических и алгебраических векторов.

Вектор- элемент линейного пространства