48759

Полный курс высшей математики

Конспект

Математика и математический анализ

Матрицей размера mn где m число строк n число столбцов называется таблица чисел расположенных в определенном порядке. Если число столбцов матрицы равно числу строк m=n то матрица называется квадратной. Матрица вида: = E называется единичной матрицей. Если mn = nm то матрица называется симметрической.

Русский

2013-12-14

3.49 MB

3 чел.

 “Курс высшей математики. Часть1.”

П О Л Н Ы Й

К У Р С

В Ы С Ш Е Й

М А Т Е М А Т И К И

www.lekcii.at.ua

Линейная алгебра. Основные определения.

 Основные действия над матрицами.

 Транспонированная матрица.

 Определители.

 Дополнительный минор.

 Элементарные преобразования.

 Миноры.

 Алгебраические дополнения.

 Обратная матрица.

 Базисный минор матрицы.

 Ранг матрицы.

 Эквивалентные матрицы.

 Теорема о базисном миноре.

 Матричный метод решения систем уравнений.

 Метод Крамера.

 Решение произвольных систем уравнений.

 Совместные системы.

 Определенные системы.

 Однородная система.

 Элементарные преобразования систем уравнений.

 Теорема Кронекера - Капелли.

 Метод Гаусса.

 Элементы векторной алгебры.

 Коллинеарные векторы.

 Компланарные векторы.

 Линейные операции над векторами.

 Свойства векторов.

 Базис.

 Линейная зависимость векторов.

 Система координат.

 Ортонормированный базис.

 Линейные операции над векторами в координатах.

 Скалярное произведение векторов.

 Векторное произведение векторов.

 Смешанное произведение векторов.

 Уравнение поверхности в пространстве.

 Общее уравнение плоскости.

 Уравнение плоскости, проходящей через 3 точки.

 Уравнение плоскости по 2 точкам и вектору, коллинеарному плоскости.

 Уравнение плоскости по точке и 2 векторам, коллинеарным плоскости.

 Уравнение плоскости по точке и вектору нормали.

 Уравнение плоскости в отрезках.

 Уравнение плоскости в векторной форме.

 Расстояние от точки до плоскости.

 Аналитическая геометрия.

 Уравнение линии на плоскости.

 Уравнение прямой на плоскости.

 Общее уравнение прямой.

 Уравнение прямой по точке и вектору нормали.

 Уравнение прямой, проходящей через 2 точки.

 Уравнение прямой по точке и угловому коэфициенту.

 Уравнение прямой по точке и направляющему вектору.

 Уравнение прямой в отрезках.

 Нормальное уравнение прямой.

 Угол между прямыми на плоскости.

 

Уравнение прямой, проходящей через данную точку перпендикулярноданной прямой.               

 Расстояние от точки до прямой на плоскости.

 Кривые второго порядка.

 Окружность.

 Эллипс.

 Фокусы.

 Эксцентриситет.

 Директрисы.

 Гипербола.

 Эксцентриситет гиперболы.

 Директрисы гиперболы.

 Парабола.

 Полярная система координат.

 Аналитическая геометрия в пространстве.

 Уравнение линии в пространстве.

 Уравнение прямой по точке и направляющему вектору.

 Параметрическое уравнение прямой.

 Направляющие косинусы.

 Угловой коэффициент.

 Уравнение прямой в пространстве, проходящей через две точки.

 Общие уравнения прямой.

 Угол между плоскостями.

 Условия параллельности и перпендикулярности плоскостей.

 Угол между прямыми.

 Условия параллельности и перпендикулярности прямых.

 Угол между прямой и плоскостью.

 Условия параллельности и перпендикулярности прямой и плоскости.

 Поверхности второго порядка. 

 Цилиндрические поверхности.

 Поверхности вращения.

 Сфера.

Трехосный эллипсоид.

Однополостный гиперболоид.

Двуполостный гиперболоид.

Эллиптический параболоид.

Гиперболический параболоид.

Конус второго порядка.

Цилиндрическая и сферическая системы координат.

Связь цилиндрической и декартовой систем координат.

Связь сферической и декартовой системы координат.

Линейное (векторное) пространство.

Свойства линейных пространств.

Линейные преобразования.

Матрицы линейных преобразований.

Собственные значения и собственные векторы линейныхпреобразований.

Характеристическое уравнение.

Собственное направление.

Преобразование подобия.

 Квадратичные формы.

 Определитель квадратичной формы.

 Приведение квадратичных форм к каноническому виду.

 Введение в математический анализ.

 Числовая последовательность.

 Ограниченные и неограниченные последовательности.

 Предел.

 Монотонные последовательности.

 Число е.

 Связь натурального и десятичного логарифмов.

 Предел функции в точке.

 Односторонние пределы.

 Предел функции при стремлении аргумента к бесконечности.

 Основные теоремы о пределах.

 Ограниченные функции.

 Бесконечно малые функции.

 Свойства бесконечно малых функций.

 Бесконечно большие функции и их связь с бесконечно малыми.

 Сравнение бесконечно малых функций.

 Свойства эквивалентных бесконечно малых функций.

 Некоторые замечательные пределы.

Непрерывность функции в точке.

Разрывная функция.

Непрерывная функция.

Свойства непрерывных функций.

Непрерывность некоторых элементарных функций.

Точки разрыва и их классификация.

Непрерывность функции на интервале и на отрезке.

 Свойства функций, непрерывных на отрезке.

 Равномерно непрерывные функции.

 Комплексные числа.

 Тригонометрическая форма числа.

 Действия с комплексными числами.

 Формула Муавра.

 Показательная форма комплексного числа.

 Уравнение Эйлера.

 Разложение многочлена на множители.

 Теорема Безу.

 Основная теорема алгебры.

 Элементы высшей алгебры.

 Основные понятия теории множеств.

 Операции над множествами.

 Отношения.

 Бинарные отношения.

 Свойства бинарных отношений.

Алгебраические структуры.

Группа.

Изоморфизм.

Абелева группа.

Кольцо.

Поле.

Дискретная математика.

Элементы комбинаторики.

Перестановки.

Размещения.

Сочетания.

Бином Ньютона.

Элементы математической логики.

Основные равносильности.

Булевы функции.

Предикаты и кванторы.

 Графы и сети. Основные определение.

 Марицы графов.

 Достижимость и связность.

 Эйлеровы и гамильтоновы графы.

 Деревья и циклы.

 Элементы топологии.

 Метрическое пространство.

 Открытые и замкнутые множества.

 Непрерывные отображения.

 Гомеоморфизм.

 Топологическое произведение.

 Связность.

 Компактность.

 

Линейная алгебра.

Основные определения.

Определение. Матрицей размера mn, где m- число строк, n- число столбцов, называется таблица чисел, расположенных в определенном порядке. Эти числа называются элементами матрицы. Место каждого элемента однозначно определяется номером строки и столбца, на пересечении которых он находится. Элементы матрицы обозначаются aij, где i- номер строки, а j- номер столбца.

А =

Основные действия над матрицами.

 Матрица может состоять как из одной строки, так и из одного столбца. Вообще говоря, матрица может состоять даже из одного элемента.

Определение. Если число столбцов матрицы равно числу строк (m=n), то матрица называется квадратной.

 Определение.  Матрица вида:

= E,

называется единичной матрицей.

Определение. Если amn = anm , то матрица называется симметрической.

Пример.    - симметрическая матрица

Определение. Квадратная матрица вида  называется диагональной матрицей.

 Сложение и вычитание матриц сводится к соответствующим операциям над их элементами. Самым главным свойством этих операций является то, что они определены только для матриц одинакового размера. Таким образом, возможно определить операции сложения и вычитания матриц:

Определение. Суммой (разностью) матриц является матрица, элементами которой являются соответственно сумма (разность) элементов исходных матриц.

cij = aij  bij

С = А + В = В + А.

 Операция умножения (деления) матрицы любого размера на произвольное число сводится к  умножению (делению) каждого элемента матрицы на это число.

(А+В) =А  В

А() = А  А

Пример. Даны матрицы А = ; B = , найти 2А + В.

2А = ,                                 2А + В = .

Операция умножения матриц.

 

Определение: Произведением матриц называется матрица, элементы которой могут быть вычислены по следующим формулам:

AB = C;

.

Из приведенного определения видно, что операция умножения матриц определена только для матриц, число столбцов первой из которых равно числу строк второй.

Свойства операции умножения матриц.

1)Умножение матриц не коммутативно, т.е. АВ ВА даже если определены оба произведения. Однако, если для каких – либо матриц соотношение АВ=ВА выполняется, то такие матрицы называются перестановочными.

Самым характерным примером может служить единичная матрица, которая является перестановочной с любой другой матрицей того же размера.

Перестановочными могут быть только квадратные матрицы одного и того же порядка.

АЕ = ЕА = А

Очевидно, что для любых матриц выполняются следующее свойство:

AO = O;  OA = O,

где О – нулевая матрица.

2) Операция перемножения матриц ассоциативна, т.е. если определены произведения АВ и (АВ)С, то определены ВС и А(ВС), и выполняется равенство:

(АВ)С=А(ВС).

3) Операция умножения матриц дистрибутивна по отношению к сложению, т.е. если имеют смысл выражения  А(В+С) и (А+В)С, то соответственно:

А(В + С) = АВ + АС

(А + В)С = АС + ВС.

4) Если произведение АВ определено, то для любого числа верно соотношение:

(AB) = (A)B = A(B).

5) Если определено произведение АВ , то определено произведение ВТАТ и выполняется равенство:

(АВ)Т = ВТАТ, где

индексом Т обозначается транспонированная матрица.

6) Заметим также, что для любых квадратных матриц det (AB) = detAdetB.

Что такое det будет рассмотрено ниже.

  Определение. Матрицу В называют транспонированной матрицей А, а переход от А к В транспонированием, если элементы каждой строки матрицы А записать в том же порядке в столбцы матрицы В.

А = ;                  В = АТ=;

другими словами,  bji = aij.

В качестве следствия из предыдущего свойства (5) можно записать, что:

(ABC)T = CTBTAT,

при условии, что определено произведение матриц АВС.

 Пример.    Даны матрицы А = , В = , С =  и число = 2. Найти АТВ+С.

 AT = ;                 ATB = =  = ;

C = ;                           АТВ+С = + = .

 Пример. Найти произведение матриц А =  и В = .

АВ = = .

ВА = = 21 + 44 + 13 = 2 + 16 + 3 = 21.

 Пример. Найти произведение матриц А=, В =

АВ = = = .

 

Определители.( детерминанты).

 Определение. Определителем квадратной матрицы А= называется число, которое может быть вычислено по элементам матрицы  по формуле:

                                                               det A = ,     где                         (1)

М – детерминант матрицы, полученной из исходной вычеркиванием первой строки и k – го столбца. Следует обратить внимание на то, что определители имеют только квадратные матрицы, т.е. матрицы, у которых число строк равно числу столбцов.

 

Формула (1) позволяет вычислить определитель матрицы по первой строке, также справедлива формула вычисления определителя по первому столбцу:

                                                               det  A =                                     (2)

Вообще говоря, определитель может вычисляться по любой строке или столбцу матрицы, т.е. справедлива формула:

                                                    detA = ,     i = 1,2,…,n.                         (3)

Очевидно, что различные матрицы могут иметь одинаковые определители.

Определитель единичной матрицы равен 1.

Для указанной матрицы А число М называется дополнительным минором  элемента матрицы a1k. Таким образом, можно заключить, что каждый элемент матрицы имеет свой дополнительный минор. Дополнительные миноры существуют только в квадратных матрицах.

 

 Определение. Дополнительный минор произвольного элемента квадратной матрицы aij  равен определителю матрицы, полученной из исходной вычеркиванием i-ой строки и j-го столбца.

 

Свойство1. Важным свойством определителей является следующее соотношение:

                                                                         det A = det AT;                                       

 

Свойство 2.                   det ( A B) = det A det B.

 

Свойство 3.                   det (AB) = detAdetB

 

Свойство 4.  Если в квадратной матрице поменять местами какие-либо две строки (или столбца), то определитель матрицы изменит знак, не изменившись по абсолютной величине.

 

Свойство 5. При умножении столбца (или строки) матрицы на число ее определитель умножается на это число.

 

Свойство 6. Если в матрице А строки или столбцы линейно зависимы, то ее определитель равен нулю.

Определение: Столбцы (строки) матрицы называются линейно зависимыми, если существует их линейная комбинация, равная нулю, имеющая нетривиальные (не равные нулю) решения.

 Свойство 7. Если матрица содержит нулевой столбец или нулевую строку, то ее определитель равен нулю. (Данное утверждение очевидно, т.к. считать определитель можно именно по нулевой строке или столбцу.)

 

Свойство 8. Определитель матрицы не изменится, если к элементам одной из его строк(столбца) прибавить(вычесть) элементы другой строки(столбца), умноженные на какое-либо число, не равное нулю.

 

Свойство 9. Если для элементов какой- либо строки или столбца матрицы верно соотношение: d = d1  d2  , e = e1  e2 , f = f1  f2 , то верно:

 Пример. Вычислить определитель матрицы А =

= -5 + 18 + 6 = 19.

 Пример:. Даны матрицы А = , В = .  Найти det (AB).

1-й способ: det A = 4 – 6 = -2;      det B = 15 – 2 = 13;            det (AB) = det A det B = -26.

2- й способ:  AB = ,       det (AB) = 718 - 819 = 126 –

– 152  = -26.

Элементарные преобразования.

Определение. Элементарными преобразованиями матрицы назовем следующие преобразования:

1) умножение строки на число, отличное от нуля;

2) прибавление к одной строке другой строки;

3) перестановка строк;

4) вычеркивание (удаление) одной из одинаковых строк (столбцов);

5) транспонирование;

Те же операции, применяемые для столбцов, также называются элементарными преобразованиями.

С помощью элементарных преобразований можно к какой-либо строке или столбцу прибавить линейную комбинацию остальных строк ( столбцов ).

 

 

Миноры.

Выше было использовано понятие дополнительного минора матрицы. Дадим определение  минора матрицы.

 Определение. Если в матрице А выделить несколько произвольных строк и столько же произвольных столбцов, то определитель, составленный из элементов, расположенных на пересечении этих строк и столбцов называется минором матрицы А. Если выделено s строк и столбцов, то полученный минор называется минором порядка s.

Заметим, что вышесказанное применимо не только к квадратным матрицам, но и к прямоугольным.

Если вычеркнуть из исходной квадратной матрицы А выделенные строки и столбцы, то определитель полученной матрицы будет являться дополнительным минором.

Алгебраические дополнения.

 Определение. Алгебраическим дополнением минора матрицы называется  его дополнительный минор, умноженный на (-1) в степени, равной сумме номеров строк и номеров столбцов минора матрицы.

В частном случае, алгебраическим дополнением элемента матрицы называется его минор, взятый со своим знаком, если сумма номеров столбца и строки, на которых стоит элемент, есть число четное и с противоположным знаком, если нечетное.

 Теорема Лапласа. Если выбрано s строк матрицы с номерами i1, … ,is, то определитель этой матрицы равен сумме произведений всех миноров, расположенных в выбранных строках на их алгебраические дополнения.

Обратная матрица.

Определим операцию деления матриц как операцию, обратную умножению.

 Определение. Если существуют квадратные матрицы Х и А, удовлетворяющие условию:

XA = AX = E,

где Е - единичная матрица того же самого порядка, то матрица Х называется обратной к матрице А и обозначается А-1.

Каждая квадратная матрица с определителем, не равным нулю имеет обратную матрицу и притом только одну.

Рассмотрим общий подход к нахождению обратной матрицы.

Исходя из определения произведения матриц, можно записать:

AX = E , i=(1,n), j=(1,n),

eij = 0,                      i j,

eij = 1,                       i = j .

Таким образом, получаем систему уравнений:

,

Решив эту систему, находим элементы матрицы Х.

 Пример. Дана матрица А = , найти А-1.

             

Таким образом, А-1=.

Однако, такой способ не удобен при нахождении обратных матриц больших порядков, поэтому обычно применяют следующую формулу:

,

где Мji- дополнительный минор элемента аji матрицы А.

 Пример. Дана матрица А = , найти А-1.

det A = 4 - 6 = -2.

M11=4;       M12= 3;        M21= 2;        M22=1

  x11= -2;      x12= 1;       x21= 3/2;      x22= -1/2

Таким образом, А-1=.

Cвойства обратных матриц.

Укажем следующие свойства обратных матриц:

  1.  (A-1)-1 = A;

                                                            2) (AB)-1 = B-1A-1

                                                            

                                                            3) (AT)-1 = (A-1)T.

 

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” возможно запустить програрамму, которая находит обратную матрицу и подробно описывает весь ход решения для матрицы размера 3х3.

Для запуска программы дважды щелкните на значке

В открывшемся лкне программы введите элементы матрицы по строкам и нажмите Enter.

Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple ( Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.

Пример.  Дана матрица А = , найти А3.

А2 = АА =  = ;            A3 = = .

Отметим, что матрицы  и  являются перестановочными.

 Пример.    Вычислить определитель .

= -1

= -1(6 – 4) – 1(9 – 1) + 2(12 – 2) = -2 – 8 + 20 = 10.

= = 2(0 – 2) – 1(0 – 6) = 2.

=  = 2(-4) – 3(-6) = -8 + 18 = 10.

Значение определителя: -10 + 6 – 40 = -44.

Базисный минор матрицы.

Ранг матрицы.

Как было сказано выше, минором матрицы порядка s называется определитель матрицы, образованной из элементов исходной матрицы, находящихся на пересечении каких - либо выбранных s строк и s столбцов.

 

Определение.  В матрице порядка mn минор порядка r называется базисным, если он не равен нулю, а все миноры порядка r+1 и выше равны нулю, или не существуют вовсе, т.е. r совпадает с меньшим из чисел m или n.

Столбцы и строки матрицы, на которых стоит базисный минор, также называются базисными.

В матрице может быть несколько различных базисных миноров, имеющих одинаковый порядок.

 Определение. Порядок базисного минора матрицы называется рангом матрицы и обозначается Rg А.

Очень важным свойством элементарных преобразований  матриц является то, что они не изменяют ранг матрицы.

 Определение. Матрицы, полученные в результате элементарного преобразования, называются эквивалентными.

 Надо отметить, что равные матрицы и эвивалентные матрицы - понятия совершенно различные.

 Теорема. Наибольшее число линейно независимых столбцов в матрице равно числу линейно независимых строк.

Т.к. элементарные преобразования не изменяют ранг матрицы, то можно существенно упростить процесс нахождения ранга матрицы.

 

 Пример.   Определить ранг матрицы.

 ,         RgA = 2.

  Пример: Определить ранг матрицы.

  ,    Rg = 2.

 

Пример. Определить ранг матрицы.

,  Rg = 2.

Если с помощью элементарных преобразований не удается найти матрицу, эквивалентную исходной, но меньшего размера, то нахождение ранга матрицы следует начинать с вычисления миноров наивысшего возможного порядка. В вышеприведенном примере – это миноры порядка 3. Если хотя бы один из них не равен нулю, то ранг матрицы равен порядку этого минора.

Теорема о базисном миноре.

 Теорема. В произвольной матрице А каждый столбец (строка) является линейной комбинацией столбцов (строк), в которых расположен базисный минор.

Таким образом, ранг произвольной матрицы А равен максимальному числу линейно независимых строк (столбцов) в матрице.

 

Если А- квадратная матрица и detA = 0, то по крайней мере один из столбцов – линейная комбинация остальных столбцов. То же самое справедливо и для строк. Данное утверждение следует из свойства линейной зависимости при определителе равном нулю.

Матричный метод решения систем линейных уравнений.

Матричный метод применим к решению систем уравнений, где число уравнений равно числу неизвестных.

Метод удобен для решения систем невысокого порядка.

Метод основан на применении свойств умножения матриц.

Пусть дана система уравнений:  

Составим матрицы:   A = ;             B = ;           X = .

Систему уравнений можно записать:

AX = B.

Сделаем следующее преобразование: A-1AX = A-1B,

т.к.   А-1А = Е, то  ЕХ = А-1В

Х = А-1В

Для применения данного метода необходимо находить обратную матрицу, что может быть связано с вычислительными трудностями при решении систем высокого порядка.

 Пример. Решить систему уравнений:

Х = , B = , A =

Найдем обратную матрицу А-1.

= det A = 5(4-9) + 1(2 – 12) – 1(3 – 8) = -25 – 10 +5 = -30.

M11 =  = -5;                  M21 =  = 1;                   M31 =    = -1;

M12 =                M22 =                     M32 =

M13 =                  M23 =                     M33 =

                    A-1 = ;

Cделаем проверку:

AA-1 = =E.

Находим матрицу Х.

Х = = А-1В = = .

Итого решения системы: x =1; y = 2; z = 3.

 

Несмотря на ограничения возможности применения данного метода и сложность вычислений при больших значениях коэффициентов, а также систем высокого порядка, метод может быть легко реализован на ЭВМ.

Метод Крамера.

(Габриель Крамер (1704-1752) швейцарский математик)

Данный метод также применим только в случае систем линейных уравнений, где число переменных совпадает с числом уравнений. Кроме того, необходимо ввести ограничения на коэффициенты системы. Необходимо, чтобы все уравнения были линейно независимы, т.е. ни одно уравнение не являлось бы линейной комбинацией остальных.

Для этого необходимо, чтобы определитель матрицы системы не равнялся 0.

det A  0;

Действительно, если какое- либо уравнение системы есть линейная комбинация остальных, то если к элементам какой- либо строки прибавить элементы другой, умноженные на какое- либо число, с помощью линейных преобразований можно получить нулевую строку. Определитель в этом случае будет равен нулю.

Теорема. (Правило Крамера):

 Теорема. Система из n уравнений с n неизвестными

в случае, если определитель матрицы системы не равен нулю, имеет единственное решение и это решение находится по формулам:

xi = i/, где

= det A,  а i – определитель матрицы, получаемой из матрицы системы заменой столбца i столбцом свободных членов bi.

i =

 Пример.

A = ;   1= ;  2= ;   3= ;

x1 = 1/detA;       x2 = 2/detA;        x3 = 3/detA;

 Пример.   Найти решение системы уравнений:

= = 5(4 – 9) + (2 – 12) – (3 – 8) = -25 – 10 + 5 = -30;

1 =  = (28 – 48) – (42 – 32) = -20 – 10 = -30.

x1 = 1/ = 1;

2 =  = 5(28 – 48) – (16 – 56) = -100 + 40 = -60.

x2 = 2/ = 2;

3 =  = 5( 32 – 42) + (16 – 56) = -50 – 40 = -90.

x3 = 3/ = 3.

Как видно, результат совпадает с результатом, полученным выше матричным методом.

Если система однородна, т.е. bi = 0, то при 0 система имеет единственное нулевое решение x1 = x2 = … = xn = 0.

При = 0 система имеет бесконечное множество решений.

Для самостоятельного решения:

;             Ответ: x = 0; y = 0; z = -2.

Решение произвольных систем линейных уравнений.

Как было сказано выше, матричный метод и метод Крамера применимы только к тем системам линейных уравнений, в которых число неизвестных равняется числу уравнений. Далее рассмотрим произвольные системы линейных уравнений.

 Определение. Система m уравнений с n неизвестными в общем виде записывается следующим образом:

                                                   ,                                    (1)

где aij – коэффициенты, а bi – постоянные. Решениями системы являются n чисел, которые при подстановке в систему превращают каждое ее уравнение в тождество.

 Определение. Если система имеет хотя бы одно решение, то она называется совместной. Если система не имеет ни одного решения, то она называется несовместной.

 

 Определение. Система называется определенной, если она имеет только одно решение и неопределенной, если более одного.

 Определение. Для системы линейных уравнений вида (1) матрица

А =  называется матрицей системы, а матрица

А*=  называется расширенной матрицей системы

 Определение. Если b1, b2, …,bm = 0, то система называется однородной. однородная система всегда совместна.

Элементарные преобразования систем.

К элементарным преобразованиям относятся:

1)Прибавление к обеим частям одного уравнения соответствующих частей другого, умноженных на одно и то же число, не равное нулю.

2)Перестановка уравнений местами.

3)Удаление из системы уравнений, являющихся тождествами для всех х.

Теорема Кронекера – Капелли.

(условие совместности системы)

(Леопольд Кронекер (1823-1891) немецкий математик)

 Теорема: Система совместна (имеет хотя бы одно решение) тогда и только тогда, когда ранг матрицы системы равен рангу расширенной матрицы.

RgA = RgA*.

Очевидно, что система (1) может быть записана в виде:

x1 + x2 + … + xn 

 Доказательство.

1) Если решение существует, то столбец свободных членов есть линейная комбинация столбцов матрицы А, а значит добавление этого столбца в матрицу, т.е. переход АА* не изменяют ранга.

2) Если RgA = RgA*, то это означает, что они имеют один и тот же базисный минор. Столбец свободных членов – линейная комбинация столбцов базисного минора, те верна запись, приведенная выше.

Пример. Определить совместность системы линейных уравнений:

A =

~ .                            RgA = 2.

A* =           RgA* = 3.

Система несовместна.

 Пример. Определить совместность системы линейных уравнений.

                    А = ;  = 2 + 12 = 14 0;    RgA = 2;

A* =

       RgA* = 2.

Система совместна. Решения: x1 = 1;  x2 =1/2.

Метод Гаусса.

(Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) немецкий математик)

В отличие от матричного метода и метода Крамера, метод Гаусса может быть применен к системам линейных уравнений с произвольным числом уравнений и неизвестных. Суть метода заключается в последовательном исключении неизвестных.

Рассмотрим систему линейных уравнений:

 

 Разделим обе части 1–го  уравнения на a11  0, затем:

1) умножим на а21 и вычтем из второго уравнения

2) умножим на а31 и вычтем из третьего уравнения

                                    и т.д.

Получим:

,   где d1j = a1j/a11,  j = 2, 3, …, n+1.

dij = aij – ai1d1j         i = 2, 3, … , n;       j = 2, 3, … , n+1.

 Далее повторяем эти же действия для второго уравнения системы, потом – для третьего и т.д.

 Пример. Решить систему линейных уравнений методом Гаусса.

Составим расширенную матрицу системы.

А* =

Таким образом, исходная система может быть представлена в виде:

, откуда получаем:  x3 = 2; x2 = 5; x1 = 1.

 Пример. Решить систему методом Гаусса.

Составим расширенную матрицу системы.

Таким образом, исходная система может быть представлена в виде:

, откуда получаем:  z = 3; y = 2; x = 1.

Полученный ответ совпадает с ответом, полученным для данной системы методом Крамера и матричным методом.

Для самостоятельного решения:

                       Ответ: {1, 2, 3, 4}.

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” можно запустить программу, которая решит любую систему линейных уравнений 3- го порядка методом Крамера и методом Гаусса или систему 4 – го порядка методом Гаусса. Достаточно ввести только коэффициенты при переменных системы. Программа выдаст подробный отчет о ходе решения и результатах.

Для запуска программы дважды щелкните на значке:

В открывшемся окне выберите необходимый метод решения и следуйте имеющимся в программе указаниям.

Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple ( Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.

Элементы векторной алгебры.

 Определение. Вектором называется направленный отрезок (упорядоченная пара точек). К векторам относится также и нулевой вектор, начало и конец которого совпадают.

 

 Определение. Длиной (модулем) вектора называется расстояние между началом и концом вектора.

 Определение. Векторы называются коллинеарными, если они расположены на одной или параллельных прямых. Нулевой вектор коллинеарен любому вектору.

 Определение. Векторы называются компланарными, если существует плоскость, которой они параллельны.

Коллинеарные векторы всегда компланарны, но не все компланарные векторы коллинеарны.

 Определение. Векторы называются равными, если они коллинеарны, одинаково направлены и имеют одинаковые модули.

Всякие векторы можно привести к общему началу, т.е. построить векторы, соответственно равные данным и имеющие общее начало. Из определения равенства векторов следует, что любой вектор имеет бесконечно много векторов, равных ему.

 Определение. Линейными операциями над векторами называется сложение и умножение на число.

Суммой векторов является вектор -

Произведение - , при этом  коллинеарен .

Вектор  сонаправлен с вектором ( ), если > 0.

Вектор  противоположно направлен с вектором (), если < 0.

Свойства векторов.

1)  + = +  - коммутативность.

2)  + (+ ) = ( + )+

3)  +  =  

4)  +(-1)  =

5) () = () – ассоциативность

6) (+) = + - дистрибутивность

7) ( + ) = +

8) 1 =  

Определение.

1) Базисом в пространстве называются любые 3 некомпланарных вектора, взятые в определенном порядке.

2) Базисом на плоскости называются любые 2 неколлинеарные векторы, взятые в определенном порядке.

3)Базисом на прямой называется любой ненулевой вектор.

 Определение. Если   - базис в пространстве и  , то числа , и - называются компонентами или координатами вектора  в этом базисе.

В связи с этим можно записать следующие свойства:

равные векторы имеют одинаковые координаты,

при умножении вектора на число его компоненты тоже умножаются на это число,

= .

при сложении векторов складываются их соответствующие компоненты.

;                                       ;

+ = .

Линейная зависимость векторов.

 Определение. Векторы   называются линейно зависимыми, если существует такая линейная комбинация , при не равных нулю одновременно i , т.е. .

Если же только при i = 0 выполняется , то векторы называются линейно независимыми.

 Свойство 1. Если среди векторов  есть нулевой вектор, то эти векторы линейно зависимы.

 Свойство 2. Если к системе линейно зависимых векторов добавить один или несколько векторов, то полученная система тоже будет линейно зависима.

 Свойство 3. Система векторов линейно зависима тогда и только тогда, когда один из векторов раскладывается в линейную комбинацию остальных векторов.

 Свойство 4. Любые 2 коллинеарных вектора линейно зависимы и, наоборот, любые 2 линейно зависимые векторы коллинеарны.

 Свойство 5. Любые 3 компланарных вектора линейно зависимы и, наоборот, любые 3 линейно зависимые векторы компланарны.

 Свойство 6. Любые 4 вектора линейно зависимы.

Система координат.

Для определения положения произвольной точки могут использоваться различные системы координат. Положение произвольной точки в какой- либо системе координат должно однозначно определяться. Понятие системы координат представляет собой совокупность точки начала отсчета (начала координат) и некоторого базиса. Как на плоскости, так и в пространстве возможно задание самых разнообразных систем координат. Выбор системы координат зависит от характера поставленной геометрической, физической или технической задачи. Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые на практике системы координат.

Декартова система координат.

Зафиксируем в пространстве точку О и рассмотрим произвольную точку М.

Вектор  назовем радиус- вектором точки М. Если в пространстве задать некоторый базис, то точке М можно сопоставить некоторую тройку чисел – компоненты ее радиус- вектора.

 Определение. Декартовой системой координат в пространстве называется совокупность точки и базиса. Точка называется началом координат. Прямые, проходящие через начало координат называются осями координат.

1-я ось – ось абсцисс

2-я ось – ось ординат

3-я ось – ось апликат

Чтобы найти компоненты вектора нужно из координат его конца вычесть координаты начала.

Если заданы точки А(x1, y1, z1),   B(x2, y2, z2), то = (x2 x1, y2 –  y1, z2z1).

 Определение. Базис называется ортонормированным, если его векторы попарно ортогональны и равны единице.

 Определение. Декартова система координат, базис которой ортонормирован называется декартовой прямоугольной системой координат.

 Пример. Даны векторы(1; 2; 3), (-1; 0; 3), (2; 1; -1) и (3; 2; 2) в некотором базисе. Показать, что векторы ,  и  образуют базис и найти координаты вектора  в этом базисе.

Векторы образуют базис, если они линейно независимы, другими словами, если  уравнения, входящие в систему:

          линейно независимы.

Тогда .

Это условие выполняется, если определитель матрицы системы отличен от нуля.

   Для решения этой системы воспользуемся методом Крамера.

1 =

;

2 =

3 =

Итого, координаты вектора в базисе , , :    { -1/4, 7/4, 5/2}.

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” можно запустить программу, которая позволит разложить любой вектор по любому новому базису, т.е. решить предыдущий пример для любых векторов , , , .

Для запуска программы дважды щелкните по значку:

В открывшемся окне программы введите координаты векторов и нажмите Enter.

Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple ( Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.

 Длина вектора в координатах определяется как расстояние между точками начала и конца вектора. Если заданы две точки в пространстве А(х1, y1, z1), B(x2, y2, z2), то  .

Если точка М(х, у, z) делит отрезок АВ в соотношении /, то координаты этой точки определяются как:

 В частном случае координаты середины отрезка находятся как:

x =  (x1 + x2)/2;         y = (y1 + y2)/2;            z = (z1 + z2)/2.

Линейные операции над векторами в координатах.

Пусть заданы векторы в прямоугольной системе координат

тогда

Скалярное произведение векторов.

 Определение. Скалярным произведением векторов  и  называется число, равное произведению длин этих сторон на косинус угла между ними.

= cos

 Свойства скалярного произведения:

  1.   = 2;
  2.   = 0, если или = 0 или  = 0.
  3.   = ;
  4.  (+) = + ;
  5.  (m) = (m) = m();

Если рассматривать векторы в декартовой прямоугольной системе координат, то

= xa xb +  ya yb + za zb;

 Используя полученные равенства, получаем формулу для вычисления угла между векторами:

;

 

Пример.  Найти (5 + 3)(2 - ), если

10- 5+ 6- 3 = 10,

т.к. .

 

 Пример. Найти угол между векторами и , если

.

Т.е.  = (1, 2, 3),     = (6, 4, -2)

= 6 + 8 – 6 = 8:

.

cos =

 Пример.  Найти скалярное произведение (3 - 2)(5 - 6), если

15- 18- 10+ 12 = 15

+ 1236 = 240 – 336 + 432 = 672 – 336 = 336.

 Пример. Найти угол между векторами и , если

.

Т.е.  = (3, 4, 5),     = (4, 5, -3)

= 12 + 20 - 15 =17 :

.

cos =

 Пример. При каком m векторы  и  перпендикулярны.

= (m, 1, 0);      = (3, -3, -4)

.

 Пример. Найти скалярное произведение векторов  и , если

()() =

= 10 +

+ 27 + 51 + 135 + 72 + 252 = 547.

Векторное произведение векторов.

 Определение. Векторным произведением векторов и  называется вектор , удовлетворяющий следующим условиям:

1) , где - угол между векторами и ,

2) вектор ортогонален векторам и

3) , и  образуют правую тройку векторов.

Обозначается:  или.

                                                    

                                                            

                                                               

                                      

                                                             

Свойства векторного произведения векторов:

1) ;

2) , если  или = 0 или = 0;

3) (m)= (m) = m();

4) (+ ) = + ;

5) Если заданы векторы (xa, ya, za) и (xb, yb, zb) в декартовой прямоугольной системе координат с единичными векторами , то

=

6) Геометрическим смыслом векторного произведения векторов является площадь параллелограмма, построенного на векторах и .

 Пример.  Найти векторное произведение векторов  и

.

= (2, 5, 1);    = (1, 2, -3)

.

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” можно запустить программу, которая может найти скалярное и векторное произведения двух векторов. Для запуска программы дважды щелкните на значке:

В открывшемся окне программы введите координаты векторов и нажмите Enter. После получения скалярного произведения нажмите Enter еще раз – будет получено векторное произведение.

Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple ( Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.

 Пример. Вычислить площадь треугольника с вершинами А(2, 2, 2), В(4, 0, 3),

С(0, 1, 0).

 

  (ед2).

 Пример. Доказать, что векторы , и  компланарны.

, т.к. векторы линейно зависимы, то они компланарны.

 Пример. Найти площадь параллелограмма, построенного на векторах , если

(ед2).

Смешанное произведение векторов.

 Определение. Смешанным произведением векторов ,  и  называется число, равное скалярному произведению вектора  на вектор, равный векторному произведению векторов  и .

Обозначается или (, ,).

Смешанное произведение по модулю равно объему параллелепипеда, построенного на векторах ,  и .

                            

   

    

    

  

      

Свойства смешанного произведения:

1)Смешанное произведение равно нулю, если:

 а)хоть один из векторов равен нулю;

 б)два из векторов коллинеарны;

 в)векторы компланарны.

2)

3)

4)

5) Объем треугольной пирамиды, образованной векторами ,  и , равен

6)Если , , то

 Пример. Доказать, что точки А(5; 7; 2), B(3; 1; -1), C(9; 4; -4), D(1; 5; 0) лежат в одной плоскости.

Найдем координаты векторов:

Найдем смешанное произведение полученных векторов:

,

Таким образом, полученные выше векторы компланарны, следовательно точки A, B, C и D лежат в одной плоскости.

 Пример. Найти объем пирамиды и длину высоты, опущенной на грань BCD, если вершины имеют координаты A(0; 0; 1), B(2; 3; 5), C(6; 2; 3), D(3; 7; 2).

Найдем координаты векторов:

Объем пирамиды

Для нахождения длины высоты пирамиды найдем сначала площадь основания BCD.

Sосн = (ед2)

Т.к. V = ;     (ед)

Уравнение поверхности в пространстве.

 Определение. Любое уравнение, связывающее координаты x, y, z любой точки поверхности является уравнением этой поверхности.

Общее уравнение плоскости.

 Определение. Плоскостью называется поверхность, вес точки которой удовлетворяют общему уравнению:

Ax + By + Cz + D = 0,

где А, В, С – координаты вектора -вектор нормали к плоскости.

Возможны следующие частные случаи:

А = 0 – плоскость параллельна оси Ох

В = 0 – плоскость параллельна оси Оу

С = 0 – плоскость параллельна оси Оz

D = 0 – плоскость проходит через начало координат

А = В = 0 – плоскость параллельна плоскости хОу

А = С = 0 – плоскость параллельна плоскости хОz

В = С = 0 – плоскость параллельна плоскости yOz

А = D = 0 – плоскость проходит через ось Ох

В = D = 0 – плоскость проходит через ось Оу

С = D = 0 – плоскость проходит через ось Oz

А = В = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью хОу

А = С = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью xOz

В = С = D = 0 – плоскость совпадает с плоскостью yOz

Уравнение плоскости, проходящей через три точки.

Для того, чтобы через три какие- либо точки пространства можно было провести единственную плоскость, необходимо, чтобы эти точки не лежали на одной прямой.

 Рассмотрим точки М1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2), M3(x3, y3, z3) в общей декартовой системе координат.

Для того, чтобы произвольная точка М(x, y, z) лежала в одной плоскости с точками М1, М2, М3 необходимо, чтобы векторы  были компланарны.

() = 0

Таким образом,              

Уравнение плоскости, проходящей через три точки:

Уравнение плоскости по двум точкам и вектору, коллинеарному плоскости.

Пусть заданы точки М1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2) и вектор .

Составим уравнение плоскости, проходящей через данные точки М1 и М2 и произвольную точку М(х, у, z) параллельно вектору .

Векторы и вектор  должны быть компланарны, т.е.

() = 0

Уравнение плоскости:

 

Уравнение плоскости по одной точке и двум векторам,

коллинеарным плоскости.

Пусть заданы два вектора  и , коллинеарные плоскости. Тогда для произвольной точки М(х, у, z), принадлежащей плоскости, векторы  должны быть компланарны.

 Уравнение плоскости:

Уравнение плоскости по точке и вектору нормали.

 Теорема. Если в пространстве задана точка М00, у0, z0), то уравнение плоскости, проходящей через точку М0 перпендикулярно вектору нормали (A, B, C) имеет вид:  

A(xx0) + B(yy0) + C(zz0) = 0.

 Доказательство. Для произвольной точки М(х, у, z), принадлежащей плоскости, составим вектор . Т.к. вектор  - вектор нормали, то он перпендикулярен плоскости, а, следовательно, перпендикулярен и вектору . Тогда скалярное произведение

= 0

Таким образом, получаем уравнение плоскости

Теорема доказана.

Уравнение плоскости в отрезках.

Если в общем уравнении Ах + Ву + Сz + D = 0 поделить обе части на -D

,

заменив , получим уравнение плоскости в отрезках:

 Числа a, b, c являются точками пересечения плоскости соответственно с осями х, у, z.

Уравнение плоскости в векторной форме.

где

- радиус- вектор текущей точки М(х, у, z),

- единичный вектор, имеющий направление, перпендикуляра, опущенного на плоскость из начала координат.

, и - углы, образованные этим вектором с осями х, у, z.

p – длина этого перпендикуляра.

В координатах это уравнение имеет вид:

 

xcos + ycos + zcos - p = 0.

Расстояние от точки до плоскости.

Расстояние от произвольной точки М00, у0, z0)  до плоскости Ах+Ву+Сz+D=0 равно:

 Пример. Найти уравнение плоскости, зная, что точка Р(4; -3; 12) – основание перпендикуляра, опущенного из начала координат на эту плоскость.

 

Таким образом, A = 4/13;  B = -3/13;   C = 12/13, воспользуемся формулой:

A(x – x0) + B(y – y0) + C(z – z0) = 0.

 Пример. Найти уравнение плоскости, проходящей через две точки P(2; 0; -1) и

Q(1; -1; 3)  перпендикулярно плоскости 3х + 2у – z + 5 = 0.

Вектор нормали к плоскости 3х + 2у – z + 5 = 0 параллелен искомой плоскости.

Получаем:

 Пример. Найти уравнение плоскости, проходящей через точки А(2, -1, 4) и

В(3, 2, -1) перпендикулярно плоскости х + у + 2z – 3 = 0.

Искомое уравнение плоскости имеет вид: Ax + By + Cz + D = 0, вектор нормали к этой плоскости (A, B, C). Вектор (1, 3, -5) принадлежит плоскости. Заданная нам плоскость, перпендикулярная искомой имеет вектор нормали (1, 1, 2). Т.к. точки А и В принадлежат обеим плоскостям, а плоскости взаимно перпендикулярны, то

Таким образом, вектор нормали (11, -7, -2). Т.к. точка А принадлежит искомой плоскости, то ее координаты должны удовлетворять уравнению этой плоскости, т.е. 112 + 71 - 24 + D = 0;    D = -21.

 Итого, получаем уравнение плоскости: 11x - 7y – 2z – 21 = 0.

 Пример. Найти уравнение плоскости, зная, что точка Р(4, -3, 12) – основание перпендикуляра, опущенного из начала координат на эту плоскость.

Находим координаты вектора нормали = (4,  -3, 12). Искомое уравнение плоскости имеет вид: 4x – 3y + 12z + D = 0. Для нахождения коэффициента D подставим в уравнение координаты точки Р:

16 + 9 + 144 + D = 0

D = -169

Итого, получаем искомое уравнение: 4x – 3y + 12z – 169 = 0

Пример. Даны координаты вершин пирамиды А1(1; 0; 3), A2(2; -1; 3), A3(2; 1; 1),

A4(1; 2; 5).

  1.  Найти длину ребра А1А2.

  1.  Найти угол между ребрами А1А2 и А1А4.

 

  1.  Найти угол между ребром А1А4 и гранью А1А2А3.

Сначала найдем вектор нормали к грани А1А2А3  как векторное произведение векторов и.

= (2-1; 1-0; 1-3) = (1; 1; -2);

 Найдем угол между вектором нормали и вектором .

-4 – 4 = -8.

Искомый угол между вектором и плоскостью будет равен = 900 - .

  1.  Найти площадь грани А1А2А3.

  1.  Найти объем пирамиды.

(ед3).

  1.  Найти уравнение плоскости А1А2А3.

Воспользуемся формулой уравнения плоскости, проходящей через три точки.

2x + 2y + 2z – 8 = 0

x + y + z – 4 = 0;

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” можно запустить программу, которая решит рассмотренный выше пример для любых координат вершин пирамиды.

Для запуска программы дважды щелкните на значке:

В открывшемся окне программы введите координаты вершин пирамиды и, нажимите Enter. Таким образом, поочередно могут быть получены все пункты решения.

Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple ( Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.

Аналитическая геометрия.

Уравнение линии на плоскости.

Как известно, любая точка на плоскости определяется двумя координатами в какой- либо системе координат. Системы координат могут быть различными в зависимости от выбора базиса и начала координат.

 Определение. Уравнением линии называется соотношение y = f(x) между координатами точек, составляющих эту линию.

Отметим, что уравнение линии может быть выражено параметрическим способом, то есть каждая координата каждой точки выражается через некоторый независимый параметр t.

Характерный пример – траектория движущейся точки. В этом случае роль параметра играет время.

Уравнение прямой на плоскости.

 Определение. Любая прямая на плоскости может быть задана уравнением первого порядка

Ах + Ву + С = 0,

причем постоянные А, В не равны нулю одновременно, т.е. А2 + В2  0. Это уравнение первого порядка называют общим уравнением прямой.

В зависимости от значений постоянных А,В и С возможны следующие частные случаи:

C = 0, А 0, В 0 – прямая проходит через начало координат

А = 0, В 0, С 0 { By + C = 0}- прямая параллельна оси Ох

В = 0, А 0, С 0 { Ax + C = 0} – прямая параллельна оси Оу

В = С = 0, А 0 – прямая совпадает с осью Оу

А = С = 0, В 0 – прямая совпадает с осью Ох

Уравнение прямой может быть представлено в различном виде в зависимости от каких – либо заданных начальных условий.

Уравнение прямой по точке и вектору нормали.

Определение. В декартовой прямоугольной системе координат вектор с компонентами (А, В) перпендикулярен прямой , заданной уравнением Ах + Ву + С = 0.

Пример. Найти уравнение прямой, проходящей через точку А(1, 2) перпендикулярно вектору (3, -1).

Составим при А = 3 и В = -1 уравнение прямой: 3х – у + С = 0. Для нахождения коэффициента С подставим в полученное выражение координаты заданной точки А.

Получаем: 3 – 2 + C = 0, следовательно С = -1.

Итого: искомое уравнение: 3х – у – 1 = 0.

Уравнение прямой, проходящей через две точки.

Пусть в пространстве заданы две точки M1(x1, y1, z1) и M2(x2, y2, z2), тогда уравнение прямой, проходящей через эти точки:

 Если какой- либо из знаменателей равен нулю, следует приравнять нулю соответствующий числитель.

На плоскости записанное выше уравнение прямой упрощается:

если х1 х2  и х = х1, еслих1 = х2.

Дробь = k называется угловым коэффициентом прямой.

Пример. Найти уравнение прямой, проходящей через точки А(1, 2) и В(3, 4).

Применяя записанную выше формулу, получаем:

Уравнение прямой по точке и угловому коэффициенту.

Если общее уравнение прямой Ах + Ву + С = 0 привести к виду:

и обозначить , то полученное уравнение называется уравнением прямой с угловым коэффициентом k.

Уравнение прямой по точке и направляющему вектору.

По аналогии с пунктом, рассматривающим уравнение прямой через вектор нормали можно ввести задание прямой через точку и направляющий вектор прямой.

 Определение. Каждый ненулевой вектор (1, 2), компоненты которого удовлетворяют условию А1 + В2 = 0 называется направляющим вектором прямой

Ах + Ву + С = 0.

 Пример. Найти уравнение прямой с направляющим вектором (1, -1) и проходящей через точку А(1, 2).

Уравнение искомой прямой будем искать в виде: Ax + By + C = 0. В соответствии с определением, коэффициенты должны удовлетворять условиям:

1A + (-1)B = 0, т.е.   А = В.

Тогда уравнение прямой имеет вид: Ax + Ay + C = 0, или x + y + C/A = 0.

при х = 1, у = 2 получаем С/A = -3, т.е. искомое уравнение:

х + у - 3 = 0

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

xcos + ysin - p = 0 –

нормальное уравнение прямой.

Знак нормирующего множителя надо выбирать так, чтобы С < 0.

р – длина перпендикуляра, опущенного из начала координат на прямую, а - 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 = 12/13; sin = -5/13; p = 5.

 Cледует 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 см2.

Уравнение прямой имеет вид: ,           a = b = 1;     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 х1 =  у1 = 0;  x2 = -2; y2 = -3.

 Для самостоятельного решения: Составить уравнения прямых, проходящих через точку М(-3, -4) и параллельных осям координат.

Ответ: { x + 3 = 0;   y + 4 = 0}.

 

Угол между прямыми на плоскости.

 Определение. Если заданы две прямые y = k1x + b1,  y = k2x + b2, то острый угол между этими прямыми будет определяться как

.

Две прямые параллельны, если k1 = k2.

Две прямые перпендикулярны, если k1 = -1/k2.

 Теорема. Прямые Ах + Ву + С = 0 и А1х + В1у + С1 = 0 параллельны, когда пропорциональны коэффициенты А1 = А,  В1 = В. Если еще и С1 = С, то прямые совпадают.

Координаты точки пересечения двух прямых находятся как решение системы двух уравнений.

Уравнение прямой, проходящей через данную точку

перпендикулярно данной прямой.

 Определение. Прямая, проходящая через точку М11, у1) и перпендикулярная к прямой у = kx + b представляется уравнением:

Расстояние от точки до прямой.

Теорема. Если задана точка М(х0, у0), то расстояние до прямой Ах + Ву + С =0 определяется как

.

 Доказательство. Пусть точка М11, у1) – основание перпендикуляра, опущенного из точки М на заданную прямую. Тогда расстояние между точками М и М1:

                                                                                               (1)

Координаты x1 и у1 могут быть найдены как решение системы уравнений:

Второе уравнение системы – это уравнение прямой, проходящей через заданную точку М0 перпендикулярно заданной прямой.

Если преобразовать первое уравнение системы к виду:

A(x – x0) + B(y – y0) + Ax0 + By0 + C = 0,

то, решая, получим:

Подставляя эти выражения в уравнение (1), находим:

.

Теорема доказана.

 Пример. Определить угол между прямыми: y = -3x + 7;  y = 2x + 1.

K1 = -3;   k2 = 2          tg = ;    = /4.

 Пример. Показать, что прямые 3х – 5у + 7 = 0 и 10х + 6у – 3 = 0 перпендикулярны.

Находим: k1 = 3/5,    k2 = -5/3,  k1k2 = -1, следовательно, прямые перпендикулярны.

 Пример. Даны вершины треугольника А(0; 1), B(6; 5), C(12; -1). Найти уравнение высоты, проведенной из вершины С.

Находим уравнение стороны АВ: ; 4x = 6y – 6;

2x – 3y + 3 = 0;

Искомое уравнение высоты имеет вид: Ax + By + C = 0 или y = kx + b.

k = . Тогда y = . Т.к. высота проходит через точку С, то ее координаты удовлетворяют данному уравнению: откуда b = 17. Итого: .

Ответ: 3x + 2y – 34 = 0.

 Для самостоятельного решения: Даны стороны треугольника x + y – 6 = 0,

3x – 5y + 15 = 0, 5x – 3y – 14 = 0. Составить уравнения его высот.

 Указание: Сначала следует найти координаты вершин треугольника, как точек пересечения сторон, затем воспользоваться методом, рассмотренном в предыдущем примере.

 Ответ: { xy = 0; 5x + 3y – 26 = 0; 3x + 5y – 26 = 0}.

Кривые второго порядка.

Кривая второго порядка может быть задана уравнением

Ах2 + 2Вху + Су2 + 2Dx + 2Ey + F = 0.

Существует система координат (не обязательно декартова прямоугольная), в которой данное уравнение может быть представлено в одном из видов, приведенных ниже.

  1.   - уравнение эллипса.
  2.   - уравнение мнимого эллипса.
  3.   - уравнение гиперболы.
  4.  a2x2c2y2 = 0 – уравнение двух пересекающихся прямых.
  5.  y2 = 2px – уравнение параболы.
  6.  y2a2 = 0 – уравнение двух параллельных прямых.
  7.  y2 + a2 = 0 – уравнение двух “мнимых” параллельных прямых.
  8.  y2 = 0 – пара совпадающих прямых.
  9.  (xa)2 + (yb)2 = R2 – уравнение окружности.

Окружность.

В окружности (xa)2 + (yb)2 = R2  центр имеет координаты (a; b).

 Пример. Найти координаты центра и радиус окружности, если ее уравнение задано в виде:

2x2 + 2y2 – 8x + 5y – 4 = 0.

Для нахождения координат центра и радиуса окружности данное уравнение необходимо привести к виду, указанному выше в п.9. Для этого выделим полные квадраты:

x2 + y2 – 4x + 2,5y – 2 = 0

x2 – 4x + 4 –4 + y2 + 2,5y + 25/16 – 25/16 – 2 = 0

(x – 2)2 + (y + 5/4)2 – 25/16 – 6 = 0

(x – 2)2 + (y + 5/4)2 = 121/16

Отсюда находим О(2; -5/4);   R = 11/4.

Эллипс.

 Определение. Эллипсом называется линия, заданная уравнением  .

 Определение. Фокусами называются такие две точки, сумма расстояний от которых до любой точки эллипса есть постоянная величина.

     у

      М

               r1     

                r2

      F1           O         F2                       х

F1, F2 – фокусы.   F1 = (c; 0);    F2(-c; 0)

с – половина расстояния между фокусами;

a – большая полуось;

b – малая полуось.

 Теорема. Фокусное расстояние и полуоси эллипса связаны соотношением:

a2 = b2 + c2.

 Доказательство:   В случае, если точка М находится на пересечении эллипса с вертикальной осью, r1 + r2 = 2(по теореме Пифагора). В случае, если точка М находится на пересечении эллипса с горизонтальной осью, r1 + r2 = ac + a + c. Т.к. по определению сумма r1 + r2 – постоянная величина, то , приравнивая, получаем:

a2 = b2 + c2

r1 + r2 = 2a.

 Определение. Форма эллипса определяется характеристикой, которая является отношением фокусного расстояния к большей оси и называется эксцентриситетом.

Е = с/a.

Т.к. с < a, то е < 1.

 Определение. Величина k = b/a называется коэффициентом сжатия эллипса, а величина 1 – k = (ab)/a называется сжатием эллипса.

Коэффициент сжатия и эксцентриситет связаны соотношением: k2 = 1 – e2.

Если a = b (c = 0, e = 0, фокусы сливаются), то эллипс превращается в окружность.

Если для точки М(х1, у1) выполняется условие: , то она находится внутри эллипса, а если  , то точка находится вне эллипса.

 Теорема. Для произвольной точки М(х, у), принадлежащей эллипсу верны соотношения:

r1 = aex, r2 = a + ex.

 Доказательство.  Выше было показано, что r1 + r2 = 2a. Кроме того, из геометрических соображений можно записать:

После возведения в квадрат и приведения подобных слагаемых:

Аналогично доказывается, что r2 = a + ex.    Теорема доказана.

С эллипсом связаны две прямые, называемые директрисами. Их уравнения:

x = a/e;   x = -a/e.

 Теорема. Для того, чтобы точка лежала на эллипсе, необходимо и достаточно, чтобы отношение расстояния до фокуса к расстоянию до соответствующей директрисы равнялось эксцентриситету е.

 Пример. Составить уравнение прямой, проходящей через левый фокус и нижнюю вершину эллипса, заданного уравнением:

  1.  Координаты нижней вершины: x = 0; y2 = 16;  y = -4.
  2.  Координаты левого фокуса: c2 = a2b2 = 25 – 16 = 9;  c = 3;  F2(-3; 0).
  3.  Уравнение прямой, проходящей через две точки:

 Пример. Составить  уравнение эллипса, если его фокусы F1(0; 0), F2(1; 1), большая ось равна 2.

Уравнение эллипса имеет вид: . Расстояние между фокусами:

2c = , таким образом, a2b2 = c2 = ½

по условию 2а = 2, следовательно а = 1, b =  

Итого: .

Гипербола.

 Определение. Гиперболой называется множество точек плоскости, для которых модуль разности расстояний от двух данных точек, называемых фокусами есть величина постоянная, меньшая расстояния между фокусами.

     y

                   M(x, y)

      b

            r1

            r2

          x

          F1          a        F2

    c

По определению r1r2= 2a.  F1, F2 – фокусы гиперболы. F1F2 = 2c.

Выберем на гиперболе произвольную точку М(х, у). Тогда:

обозначим с2 – а2 = b2 (геометрически эта величина – меньшая полуось)

 Получили каноническое уравнение гиперболы.

Гипербола симметрична относительно середины отрезка, соединяющего фокусы и относительно осей координат.

Ось 2а называется действительной осью гиперболы.

Ось 2b называется мнимой осью гиперболы.

Гипербола имеет две асимптоты, уравнения которых

 Определение. Отношение называется  эксцентриситетом гиперболы, где с – половина расстояния между фокусами, а – действительная полуось.

С учетом того, что с2 – а2 = b2:

 Если а = b, e =  , то гипербола называется равнобочной (равносторонней).

 Определение. Две прямые, перпендикулярные действительной оси гиперболы и расположенные симметрично относительно центра на расстоянии a/e от него, называются директрисами гиперболы. Их уравнения: .

 Теорема. Если r – расстояние от произвольной точки М гиперболы до какого- либо фокуса, d – расстояние от той же точки до соответствующей этому фокусу директрисы, то отношение r/d – величина постоянная, равная эксцентриситету.

 Доказательство. Изобразим схематично гиперболу.

    y

     a/e    d

              M(x, y)

        r1

  0        a          F1                         x

OF1 = c

Из очевидных геометрических соотношений можно записать:

a/e + d = x, следовательно d = xa/e.

(xc)2 + y2 = r2

Из канонического уравнения: , с учетом b2 = c2a2:

Тогда т.к. с/a = e, то r = exa.

Итого: .

Для левой ветви гиперболы доказательство аналогично. Теорема доказана.

 Пример. Найти уравнение гиперболы, вершины и фокусы которой находятся в соответствующих вершинах и фокусах эллипса .

Для эллипса: c2 = a2b2.

Для гиперболы: c2 = a2 + b2.

              

       

         

                         

Уравнение гиперболы: .

 Пример. Составить уравнение гиперболы, если ее эксцентриситет равен 2, а фокусы совпадают с фокусами эллипса с уравнением

Находим фокусное расстояние c2 = 25 – 9 = 16.

Для гиперболы: c2 = a2 + b2 = 16,         e = c/a = 2;          c = 2a;          c2 = 4a2;      a2 = 4;

b2 = 16 – 4 = 12.

Итого:  - искомое уравнение гиперболы.

Парабола.

 Определение. Параболой называется множество точек плоскости, каждая из которых находится на одинаковом расстоянии от данной точки, называемой фокусом, и от данной прямой, называемой директрисой и не проходящей через фокус.

 

Расположим начало координат посередине между фокусом и директрисой.

         у

         А        М(х, у)

              О             F     x

       p/2            p/2

Величина р (расстояние от фокуса до директрисы) называется параметром параболы. Выведем каноническое уравнение параболы.

Из геометрических соотношений:  AM = MF;  AM = x + p/2;

MF2 = y2 + (x – p/2)2

(x + p/2)2 = y2 + (x – p/2)2

x2 +xp + p2/4 = y2 + x2 – xp + p2/4

y2 = 2px

 Уравнение директрисы: x = -p/2.

 

Пример. На параболе у2 = 8х найти точку, расстояние которой от директрисы равно 4.

Из уравнения параболы получаем, что р = 4.

r = x + p/2 = 4; следовательно:

x = 2;  y2 = 16;   y = 4.  Искомые точки: M1(2; 4),  M2(2; -4).

Системы координат.

Любая точка на плоскости может быть однозначно определена при помощи различных координатных систем, выбор которых определяется различными факторами. Способ задания начальных условий для решения какой – либо конкретной технической задачи может определить выбор той или иной системы координат. Для удобства проведения вычислений часто предпочтительнее использовать системы координат, отличные от декартовой прямоугольной системы. Кроме того, наглядность представления окончательного ответа зачастую тоже сильно зависит от выбора системы координат. Ниже рассмотрим некоторые наиболее часто используемые системы координат.

Полярная система координат.

 Определение. Точка О называется полюсом, а луч lполярной осью.

Суть задания какой- либо системы координат на плоскости состоит в том, чтобы каждой точке плоскости поставить в соответствие пару действительных чисел, определяющих положение этой точки на плоскости. В случае полярной системы координат роль этих чисел играют расстояние точки от полюса и угол между полярной осью и радиус– вектором этой точки. Этот угол называется полярным углом.

       М

          r

        r =

        

     0

        l

Можно установить связь между полярной системой координат и декартовой прямоугольной системой, если поместить начало декартовой прямоугольной системы в полюс, а полярную ось направить вдоль положительного направления оси Ох.

Тогда координаты произвольной точки в двух различных системах координат связываются соотношениями:

x = rcos;       y = rsin;      x2 + y2 = r2

 

Пример. Уравнение кривой в полярной системе координат имеет вид:

. Найти уравнение кривой в декартовой прямоугольной системе координат, определит тип кривой, найти фокусы и эксцентриситет. Схематично построить кривую.

Воспользуемся связью декартовой прямоугольной и полярной системы координат: ;

 Получили каноническое уравнение эллипса. Из уравнения видно, что центр эллипса сдвинут вдоль оси Ох на 1/2 вправо, большая полуось a равна 3/2, меньшая полуось b равна , половина расстояния между фокусами равно с = = 1/2. Эксцентриситет равен е = с/a = 1/3. Фокусы F1(0; 0) и F2(1; 0).

    y

       

    F1                   F2

  -1  0         ½         1                       2                           x

        -

 Пример. Уравнение кривой в полярной системе координат имеет вид:

. Найти уравнение кривой в декартовой прямоугольной системе координат, определит тип кривой, найти фокусы и эксцентриситет. Схематично построить кривую.

Подставим в заданное уравнение формулы, связывающие полярную и декартову прямоугольную системы координат.

 Получили каноническое уравнение гиперболы. Из уравнения видно, что гипербола сдвинута вдоль оси Ох на 5 влево, большая полуось а равна 4, меньшая полуось b равна 3, откуда получаем c2 = a2 + b2 ; c = 5;   e = c/a = 5/4.

Фокусы F1(-10; 0), F2(0; 0).

Построим график этой гиперболы.

            y

       3

         F1       -9                -5                   -1 0   F2                                     x

                -3

 

Аналитическая геометрия в пространстве.

Уравнение линии в пространстве.

Как на плоскости, так и в пространстве, любая линия может быть определена как совокупность точек, координаты которых в некоторой выбранной в пространстве системе координат удовлетворяют уравнению:

F(x, y, z) = 0.

Это уравнение называется уравнением линии в пространстве.

Кроме того, линия в пространстве может быть определена и иначе. Ее можно рассматривать как линию пересечения двух поверхностей, каждая из которых задана каким- либо уравнением.

Пусть F(x, y, z) = 0 и Ф(x, y, z) = 0 – уравнения поверхностей, пересекающихся по линии L.

Тогда пару уравнений

назовем уравнением линии в пространстве.

Уравнение прямой в пространстве по точке и

направляющему вектору.

Возьмем произвольную прямую и вектор (m, n, p), параллельный данной прямой. Вектор называется направляющим вектором прямой.

На прямой возьмем две произвольные точки М0(x0, y0, z0) и M(x, y, z).

                  z

                             M1

        

              M0

                          

            0              y

   x

Обозначим радиус- векторы этих точек как и , очевидно, что -  = .

Т.к. векторы  и  коллинеарны, то верно соотношение = t, где t – некоторый параметр.

Итого, можно записать: =  + t.

Т.к. этому уравнению удовлетворяют координаты любой точки прямой, то полученное уравнение – параметрическое уравнение прямой.

Это векторное уравнение может быть представлено в координатной форме:

 Преобразовав эту систему и приравняв значения параметра t, получаем канонические уравнения прямой в пространстве:

.

 Определение. Направляющими косинусами прямой называются направляющие косинусы вектора , которые могут быть вычислены по формулам:

;    .

 

Отсюда получим: m : n : p = cos : cos : cos.

Числа m, n, p называются угловыми коэффициентами прямой. Т.к. - ненулевой вектор, то m, n и p не могут равняться нулю одновременно, но одно или два из этих чисел могут равняться нулю. В этом случае в уравнении прямой следует приравнять нулю соответствующие числители.

Уравнение прямой в пространстве, проходящей

через две точки.

Если на прямой в пространстве отметить две произвольные точки M1(x1, y1, z1) и M2(x2, y2, z2), то координаты этих точек должны удовлетворять полученному выше уравнению прямой:

.

Кроме того, для точки М1 можно записать:

.

Решая совместно эти уравнения, получим:

.

Это уравнение прямой, проходящей через две точки в пространстве.

Общие уравнения прямой в пространстве.

Уравнение прямой может быть рассмотрено как уравнение линии пересечения двух плоскостей.

Как было рассмотрено выше, плоскость в векторной форме может быть задана уравнением:

+ D = 0, где

- нормаль плоскости; - радиус- вектор произвольной точки плоскости.

Пусть в пространстве заданы две плоскости: + D1 = 0 и + D2 = 0, векторы нормали имеют координаты: (A1, B1, C1), (A2, B2, C2); (x, y, z).

Тогда общие уравнения прямой в векторной форме:

 Общие уравнения прямой в координатной форме:

Практическая задача часто состоит в приведении уравнений прямых в общем виде к каноническому виду.

Для этого надо найти произвольную точку прямой и числа m, n, p.

При этом направляющий вектор прямой может быть найден как векторное произведение векторов нормали к заданным плоскостям.

 Пример. Найти каноническое уравнение, если прямая задана в виде:

 Для нахождения произвольной точки прямой, примем ее координату х = 0, а затем подставим это значение в заданную систему уравнений.

, т.е. А(0, 2, 1).

Находим компоненты направляющего вектора прямой.

 

Тогда канонические уравнения прямой:

Пример.  Привести к каноническому виду уравнение прямой, заданное в виде:

 Для нахождения произвольной точки прямой, являющейся линией пересечения указанных выше плоскостей, примем z = 0. Тогда:

;

2x – 9x – 7 = 0;

x = -1; y = 3;

Получаем: A(-1; 3; 0).

Направляющий вектор прямой: .

Итого:

Угол между плоскостями.

             

         1

                                       0

                   

 Угол между двумя плоскостями в пространстве связан с углом между нормалями к этим плоскостям 1 соотношением: = 1 или = 1800 - 1, т.е.

cos = cos1.

Определим угол 1. Известно, что плоскости могут быть заданы соотношениями:

, где

(A1, B1, C1), (A2, B2, C2). Угол между векторами нормали найдем из их скалярного произведения:

.

Таким образом, угол между плоскостями находится по формуле:

 Выбор знака косинуса зависит от того, какой угол между плоскостями следует найти – острый, или смежный с ним тупой.

Условия параллельности и перпендикулярности

плоскостей.

На основе полученной выше формулы для нахождения угла между плоскостями можно найти условия параллельности и перпендикулярности плоскостей.

 

Для того, чтобы плоскости были перпендикулярны необходимо и достаточно, чтобы косинус угла между плоскостями равнялся нулю. Это условие выполняется, если:

.

Плоскости параллельны, векторы нормалей коллинеарны: .Это условие выполняется, если: .

Угол между прямыми в пространстве.

Пусть в пространстве заданы две прямые. Их параметрические уравнения:

l1:   

l2:   

 Угол между прямыми и угол между направляющими векторами этих прямых связаны соотношением: = 1 или = 1800 - 1. Угол между направляющими векторами находится из скалярного произведения. Таким образом:

.

Условия параллельности и перпендикулярности

прямых в пространстве.

Чтобы две прямые были параллельны необходимо и достаточно, чтобы направляющие векторы этих прямых были коллинеарны, т.е. их соответствующие координаты были пропорциональны.

Чтобы две прямые были перпендикулярны необходимо и достаточно, чтобы направляющие векторы этих прямых были перпендикулярны, т.е. косинус угла между ними равен нулю.

Угол между прямой и плоскостью.

 Определение. Углом между прямой и плоскостью называется любой угол между прямой и ее проекцией на эту плоскость.

                            

        

          

             

 Пусть плоскость задана уравнением , а прямая - . Из геометрических соображений (см. рис.) видно, что искомый угол = 900 - , где - угол между векторами  и . Этот угол может быть найден по формуле:

В координатной форме:

Условия параллельности и перпендикулярности

прямой и плоскости в пространстве.

Для того, чтобы прямая и плоскость были параллельны, необходимо и достаточно, чтобы вектор нормали к плоскости и направляющий вектор прямой были перпендикулярны. Для этого необходимо, чтобы их скалярное произведение было равно нулю.

 Для того, чтобы прямая и плоскость были перпендикулярны, необходимо и достаточно, чтобы вектор нормали к плоскости и направляющий вектор прямой были коллинеарны. Это условие выполняется, если векторное произведение этих векторов было равно нулю.

Поверхности второго порядка.

 Определение. Поверхности второго порядка – это поверхности, уравнения которых в прямоугольной системе координат являются уравнениями второго порядка.

Цилиндрические поверхности.

 Определение. Цилиндрическими поверхностями называются поверхности, образованные линиями, параллельными какой- либо фиксированной прямой.

Рассмотрим поверхности, в уравнении которых отсутствует составляющая z, т.е. направляющие параллельны оси Оz. Тип линии на плоскости ХOY (эта линия называется направляющей поверхности) определяет характер цилиндрической поверхности. Рассмотрим некоторые частные случаи в зависимости от уравнения направляющих:

  1.  - эллиптический цилиндр.

 

2) - гиперболический цилиндр.

  1.  x2 = 2pyпараболический цилиндр.

Поверхности вращения.

 Определение. Поверхность, описываемая некоторой линией, вращающейся вокруг неподвижной прямой d, называется поверхностью вращения с осью вращения d.

Если уравнение поверхности в прямоугольной системе координат имеет вид:

F(x2 + y2, z) = 0, то эта поверхность – поверхность вращения с осью вращения Оz.

Аналогично: F(x2 + z2, y) = 0 – поверхность вращения с осью вращения Оу,

F(z2 + y2, x) = 0 – поверхность вращения с осью вращения Ох.

Запишем уравнения поверхностей вращения для некоторых частных случаев:

  1.   - эллипсоид вращения
  2.   - однополостный гиперболоид вращения
  3.   - двуполостный гиперболоид вращения 
  4.   - параболоид вращения

Аналогично могут быть записаны уравнения для рассмотренных выше поверхностей вращения, если осью вращения являются оси Ох или Оу.

Однако, перечисленные выше поверхности являются всего лишь частными случаями поверхностей второго порядка общего вида, некоторые типы которых рассмотрены ниже:

Сфера:  

Трехосный эллипсоид:

В сечении эллипсоида плоскостями, параллельными координатным плоскостям, получаются эллипсы с различными осями.

Однополостный гиперболоид:

Двуполостный гиперболоид:

 

Эллиптический параболоид:

Гиперболический параболоид:

Конус второго порядка:

Цилиндрическая и сферическая системы координат.

Как и на плоскости, в пространстве положение любой точки может быть определено тремя координатами в различных системах координат, отличных от декартовой прямоугольной системы. Цилиндрическая и сферическая системы координат являются обобщением для пространства полярной системы координат, которая была подробно рассмотрена выше.

 

Введем в пространстве точку О и луч l, выходящий из точки О, а также вектор . Через точку О можно провести единственную плоскость, перпендикулярную вектору нормали .

Для введения соответствия между цилиндрической, сферической и декартовой прямоугольной системами координат точку О совмещяют с началом декартовой прямоугольной системы координат, луч l – с положительным направлением оси х, вектор нормали – с осью z.

Цилиндрическая и сферическая системы координат используются в тех случаях, когда уравнение кривой или поверхности в декартовой прямоугольной системе координат выглядят достаточно сложно, и операции с таким уравнением представляются трудоемкими.

Представление уравнений в цилиндрической и сферической системе позволяет значительно упростить вычисления, что будет показано далее.

         z

           М

      

                     h

                                     0                       x

          r

           M1

     y

 ОМ1 = r;    MM1 = h;

 Если из точки М опустить перпендикуляр ММ1 на плоскость, то точка М1 будет иметь на плоскости полярные координаты (r, ).

Определение. Цилиндрическими координатами точки М называются  числа (r, , h), которые определяют положение точки М в пространстве.

Определение. Сферическими координатами точки М называются числа (r,,), где - угол между и нормалью.

Связь цилиндрической и декартовой прямоугольной

системами координат.

Аналогично полярной системе координат на плоскости можно записать соотношения, связывающие между собой различные системы координат в пространстве. Для цилиндрической и декартовой прямоугольной систем эти соотношения имеют вид:

 h = z;         x = rcos;     y  = rsin;   cos = ;    sin = .

Связь сферической системы координат с

декартовой прямоугольной.

В случае сферической системы координат соотношения имеют вид:

Линейное (векторное) пространство.

Как известно, линейные операции (сложение, вычитание, умножение на число) определены по-своему для каждого множества (числа, многочлены, направленные отрезки, матрицы). Сами операции различны, но их свойства одинаковы.

Эта общность свойств позволяет обобщить понятие линейных операций для любых множеств вне зависимости от того, что это за множества (числа, матрицы и т.д.).

Для того, чтобы дать определение линейного (векторного) пространства рассмотрим некоторое множество L действительных элементов, для которых определены операции сложения и умножения на число.

Эти операции обладают свойствами:

1) Коммутативность + = +

2) Ассоциативность  (+) + = + (+)

3)Существует такой нулевой вектор , что +=для  L

4) Для  L существует вектор  = -, такой, что +=

5)1 =

6) () = ()

7) Распределительный закон ( + ) = +

8) (+) = +

 Определение: Множество L называется линейным (векторным) пространством, а его элементы называются векторами.

Важно не путать понятие вектора, приведенное выше с понятием вектора как направленного отрезка на плоскости или в пространстве. Направленные отрезки являются всего лишь частным случаем элементов линейного (векторного) пространства. Линейное (векторное) пространство – понятие более широкое. Примерами таких пространств могут служить множество действительных чисел, множество векторов на плоскости и в пространстве, матрицы и т.д.

Если операции сложения и умножения на число определены для действительных элементов, то линейное (векторное) пространство является вещественным пространством, если для комплексных элементов – комплексным пространством.

Свойства линейных пространств.

1) В каждом линейном пространстве существует только один нулевой элемент.

2) Для каждого элемента существует только один противоположный элемент.

3) Для каждого  L верно 0 = 0

4) Для каждого   R и  L  верно =

5) Если  = , то = 0 или  =

6) (-1)  = -

Линейные преобразования.

 Определение: Будем считать, что в линейном пространстве L задано некоторое линейное преобразование А, если любому элементу  L по некоторому правилу ставится в соответствие элемент А L.

 Определение: Преобразование А  называется линейным, если для любых векторов  L и  L и любого верно:

A(+) = A+A 

A() = A

 Определение: Линейное преобразование называется тождественным, если оно преобразует элемент линейного пространства сам в себя.

Е =

 Пример. Является ли А линейным преобразованием. А=+;   0.

Запишем преобразование А для какого- либо элемента .  А = +

Проверим, выполняется ли правило операции сложения для этого преобразования А(+) = ++; A() + A() = +++, что верно только при = 0, т.е. данное преобразование А нелинейное.

 Определение: Если в пространстве L имеются векторы линейного преобразования , то другой вектор является линейной комбинацией векторов .

 Определение: Если  только при = = … = = 0, то векторы называются линейно независимыми.

 Определение: Если в линейном пространстве L есть n линейно независимых векторов, но любые n + 1 векторов линейно зависимы, то пространство L называется n-мерным, а совокупность линейно независимых векторов называется базисом линейного пространства L.

 Следствие: Любой вектор линейного пространства может быть представлен в виде линейной комбинации векторов базиса.

Матрицы линейных преобразований.

Пусть в n- мерном линейном пространстве с базисом ,,…, задано линейное преобразование А. Тогда векторы А,А,…,А- также векторы этого пространства и их можно представить в виде линейной комбинации векторов базиса:

A= a11+ a21+…+ an1

A= a12+ a22+…+ an2

……………………………….

A= an1+ an2+…+ ann

Тогда матрица А =  называется матрицей линейного преобразования А.

Если в пространстве L взять вектор = x1+ x2+…+ xn, то A L.

, где

……………………………..

 Эти равенства можно назвать линейным преобразованием в базисе ,,…,.

В матричном виде:

,             А,        

 Пример. Найти матрицу линейного преобразования, заданного в виде:

x = x + y

y = y + z

z = z + x

x = 1x + 1y + 0z

y = 0x + 1y + 1z

z = 1x + 0y + 1z

A =

На практике действия над линейными преобразованиями сводятся к действиям над их матрицами.

Определение: Если вектор переводится в вектор  линейным преобразованием с матрицей А, а вектор  в вектор  линейным преобразованием с матрицей В, то последовательное применение этих преобразований равносильно линейному преобразованию, переводящему вектор  в вектор (оно называется произведением составляющих преобразований).

С = ВА

 Пример. Задано линейное преобразование А, переводящее вектор в вектор  и линейное преобразование В, переводящее вектор  в вектор . Найти матрицу линейного преобразования, переводящего вектор  в вектор .

С = ВА

Т.е.

 Примечание: Если А= 0, то преобразование вырожденное, т.е., например, плоскость преобразуется не в целую плоскость, а в прямую.

Собственные значения и собственные векторы

линейного преобразования.

 

 Определение: Пусть L – заданное n- мерное линейное пространство. Ненулевой вектор L называется собственным вектором линейного преобразования А, если существует такое число , что выполняется равенство:

A.

При этом число называется собственным значением (характеристическим числом) линейного преобразования А, соответствующего вектору .

Определение: Если линейное преобразование А в некотором базисе ,,…, имеет матрицу А = , то собственные значения линейного преобразования А можно найти как корни 1, 2, … ,n уравнения:

 Это уравнение называется характеристическим уравнением, а его левая часть- характеристическим многочленом линейного преобразования А.

Следует отметить, что характеристический многочлен линейного преобразования не зависит от выбора базиса.

Рассмотрим частный случай. Пусть А – некоторое линейное преобразование плоскости, матрица которого равна . Тогда преобразование А может быть задано формулами:

;         

в некотором базисе .

Если преобразование А имеет собственный вектор с собственным значением , то А.

     или      

Т.к. собственный вектор ненулевой, то х1 и х2 не равны нулю одновременно. Т.к.  данная система однородна, то для того, чтобы она имела нетривиальное решение, определитель системы должен быть равен нулю. В противном случае по правилу Крамера система имеет единственное решение – нулевое, что невозможно.

Полученное уравнение является характеристическим уравнением линейного преобразования А.

Таким образом, можно найти собственный вектор (х1, х2) линейного преобразования А с собственным значением , где - корень характеристического уравнения, а х1 и х2 – корни системы уравнений при подстановке в нее значения .

Понятно, что если характеристическое уравнение не имеет действительных корней, то линейное преобразование А не имеет собственных векторов.

Следует отметить, что если - собственный вектор преобразования А, то и любой вектор ему коллинеарный – тоже собственный с тем же самым собственным значением  .

Действительно, . Если учесть, что векторы имеют одно начало, то эти векторы образуют так называемое собственное направление или собственную прямую.

Т.к. характеристическое уравнение может иметь два различных действительных корня 1 и 2, то в этом случае при подстановке их в систему уравнений получим бесконечное количество решений.  (Т.к. уравнения линейно зависимы). Это множество решений определяет две собственные прямые.

Если характеристическое уравнение имеет два равных корня 1 = 2 = , то либо имеется лишь одна собственная прямая, либо, если при подстановке в систему она превращается в систему вида: . Эта система удовлетворяет любым значениям х1 и х2. Тогда все векторы будут собственными, и такое преобразование называется преобразованием подобия.

Пример. Найти характеристические числа и собственные векторы линейного преобразования с матрицей А = .

Запишем линейное преобразование в виде:

Составим характеристическое уравнение:

2 -  8 + 7 = 0;

Корни характеристического уравнения: 1 = 7;  2 = 1;

Для корня 1 = 7:

Из системы получается зависимость: x1 – 2x2 = 0. Собственные векторы для первого корня характеристического уравнения имеют координаты: (t; 0,5t) где t- параметр.

Для корня 2 = 1:

Из системы получается зависимость: x1 + x2 = 0. Собственные векторы для второго корня характеристического уравнения имеют координаты: (t; -t) где t- параметр.

Полученные собственные векторы можно записать в виде:

 Пример. Найти характеристические числа и собственные векторы линейного преобразования с матрицей А = .

Запишем линейное преобразование в виде:

Составим характеристическое уравнение:

2 -  4 + 4 = 0;

Корни характеристического уравнения: 1 = 2 = 2;

Получаем:

Из системы получается зависимость: x1x2 = 0. Собственные векторы для первого корня характеристического уравнения имеют координаты: (t; t) где t- параметр.

Собственный вектор можно записать: .

Рассмотрим другой частный случай. Если - собственный вектор линейного преобразования А, заданного в трехмерном линейном пространстве, а х1, х2, х3 – компоненты этого вектора в некотором базисе  , то

,

где - собственное значение (характеристическое число) преобразования А.

Если матрица линейного преобразования А имеет вид:

, то

Характеристическое уравнение:  

Раскрыв определитель, получим кубическое уравнение относительно . Любое кубическое уравнение с действительными коэффициентами имеет либо один, либо три действительных корня.

Тогда любое линейное преобразование в трехмерном пространстве имеет собственные векторы.

Пример. Найти характеристические числа и собственные векторы линейного преобразования А, матрица линейного преобразования А = .

Составим характеристическое уравнение:

(1 - )((5 - )(1 - ) - 1) - (1 - - 3) + 3(1 - 15 + 3) = 0

(1 - )(5 - 5 - + 2 - 1) + 2 + - 42 + 9 = 0

(1 - )(4 - 6 + 2) + 10 - 40 = 0

4 - 6 + 2 - 4 + 62 - 3 + 10 - 40 = 0

-3 + 72 – 36 = 0

-3 + 92 - 22 – 36 = 0

-2( + 2) + 9(2 – 4) = 0

( + 2)(-2 + 9 - 18) = 0

Собственные значения:     1 = -2;  2 = 3;   3 = 6;

1) Для 1 = -2:    

Если принять х1 = 1, то   х2 = 0;    x3 = -1;

Собственные векторы:  

2) Для 2 = 3:    

Если принять х1 = 1, то   х2 = -1;    x3 = 1;

Собственные векторы:  

3) Для 3 = 6:    

Если принять х1 = 1, то   х2 = 2;    x3 = 1;

Собственные векторы:  

 Пример. Найти характеристические числа и собственные векторы линейного преобразования А, матрица линейного преобразования А = .

Составим характеристическое уравнение:

-(3 + )((1 - )(2 - ) – 2) + 2(4 - 2 - 2) - 4(2 - 1 + ) = 0

-(3 + )(2 - - 2 + 2 - 2) + 2(2 - 2) - 4(1 + ) = 0

-(3 + )(2 - 3) + 4 - 4 - 4 - 4 = 0

-32 + 9 - 3 + 32 - 8 = 0

-3 + = 0

1 = 0;   2 = 1;    3 = -1;

Для 1 = 0:  

 

Если принять х3 = 1, получаем     х1 = 0,  х2 = -2

Собственные векторы        t,  где t – параметр.

Для самостоятельного решения:   Аналогично найти и  для 2 и 3.

Квадратичные формы.

 Определение: Однородный многочлен второй степени относительно переменных х1 и х2 

Ф(х1, х2) = а11 

не содержащий свободного члена и неизвестных в первой степени называется квадратичной формой переменных х1 и х2.

Определение: Однородный многочлен второй степени относительно переменных х1, х2 и х3 

 

не содержащий свободного члена и неизвестных в первой степени называется квадратичной формой переменных х1, х2 и х3.

Рассмотрим квадратичную форму двух переменных. Квадратичная форма имеет симметрическую матрицу А = . Определитель этой матрицы называется определителем квадратичной формы.

Пусть на плоскости задан ортогональный базис . Каждая точка плоскости имеет в этом базисе координаты х1, х2.

Если задана квадратичная форма Ф(х1, х2) = а11, то ее можно рассматривать как функцию от переменных х1 и х2.

Приведение квадратичных форм к каноническому

виду.

Рассмотрим некоторое линейное преобразование А с матрицей .

Это симметрическое преобразование можно записать в виде:

y1 = a11x1 + a12x2

y2 = a12x1 + a22x2

где у1 и у2 – координаты вектора  в базисе .

Очевидно, что квадратичная форма может быть записана в виде

Ф(х1, х2) = х1у1 + х2у2.

Как видно, геометрический смысл числового значения квадратичной формы Ф в точке с координатами х1 и х2 – скалярное произведение .

Если взять другой ортонормированный базис на плоскости, то в нем квадратичная форма Ф будет выглядеть иначе, хотя ее числовое значение в каждой геометрической точке и не изменится. Если найти такой базис, в котором квадратичная форма не будет содержать координат в первой степени, а только координаты в квадрате, то квадратичную форму можно будет привести к каноническому виду.

Если в качестве базиса взять совокупность собственных векторов линейного преобразования, то в этом базисе матрица линейного преобразования имеет вид:

.

При переходе к новому базису от переменных х1 и х2 мы переходим к переменным  и . Тогда:

 Тогда .

Выражение  называется каноническим видом квадратичной формы. Аналогично можно привести к каноническому виду квадратичную форму с большим числом переменных.

Теория квадратичных форм используется для приведения к каноническому виду уравнений кривых и поверхностей второго порядка.

Пример. Привести к каноническому виду квадратичную форму

Ф(х1, х2) = 27.

Коэффициенты: а11 = 27,   а12 = 5,   а22 = 3.

Составим характеристическое уравнение: ;

(27 - )(3 - ) – 25 = 0

2 - 30 + 56 = 0

1 = 2;   2 = 28;

Пример. Привести к каноническому виду уравнение второго порядка:

17x2 + 12xy + 8y2 – 20 = 0.

Коэффициенты а11 = 17,   а12 = 6,   а22 = 8.      А =

Составим характеристическое уравнение:

(17 - )(8 - ) - 36 = 0

136 - 8 - 17 + 2 – 36 = 0

2 - 25 + 100 = 0

1 = 5,     2 = 20.

Итого:  - каноническое уравнение эллипса.

Пример. Используя теорию квадратичных форм, привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка. Схематично изобразить график.

 Решение: Составим характеристическое уравнение квадратичной формы : при

Решив это уравнение, получим 1 = 2, 2 = 6.

Найдем координаты собственных векторов:

полагая m1 = 1, получим  n1 =

полагая m2 = 1, получим  n2 =

Собственные векторы:

Находим координаты единичных векторов нового базиса.

Имеем следующее уравнение линии в новой системе координат:

Каноническое уравнение линии в новой системе координат будет иметь вид:

Пример. Используя теорию квадратичных форм, привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка. Схематично изобразить график.

 Решение: Составим характеристическое уравнение квадратичной формы : при

Решив это уравнение, получим 1 = 1, 2 = 11.

Найдем координаты собственных векторов:

полагая m1 = 1, получим  n1 =

полагая m2 = 1, получим  n2 =

Собственные векторы:

Находим координаты единичных векторов нового базиса.

Имеем следующее уравнение линии в новой системе координат:

Каноническое уравнение линии в новой системе координат будет иметь вид:

 Пример. Используя теорию квадратичных форм, привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка. Схематично изобразить график.

4ху + 3у2 + 16 = 0

Коэффициенты: a11 = 0;    a12 = 2;    a22 = 3.

Характеристическое уравнение:

Корни: 1 = -1,   2 = 4.

Для 1 = -1                                          Для 2 = 4

                                  

m1 = 1;     n1 = -0,5;                                 m2 = 1;    n2 = 2;

= (1; -0,5)                       = (1; 2)

         

        

Получаем:   -каноническое уравнение гиперболы.

При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” возможно запустить программу, которая решает рассморенные выше примеры для любых начальных условий.

Для запуска программы дважды щелкните на значке:

В открывшемся окне программы введите коэффициенты квадратичной формы и нажмите Enter.

Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple ( Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.

Введение в математический анализ.

Числовая последовательность.

 Определение. Если каждому натуральному числу n поставлено в соответствие число хn, то говорят, что задана последовательность

x1, х2, …, хn = {xn}

 Общий элемент последовательности является функцией от n.

xn = f(n)

Таким образом последовательность может рассматриваться как функция.

Задать последовательность можно различными способами – главное, чтобы был указан способ получения любого члена последовательности.

 Пример. {xn} = {(-1)n} или {xn} = -1; 1; -1; 1; …

               {xn} = {sinn/2} или {xn} = 1; 0; 1; 0; …

Для последовательностей можно определить следующие операции:

  1.  Умножение последовательности на число m: m{xn} = {mxn}, т.е. mx1, mx2, …
  2.  Сложение (вычитание) последовательностей: {xn} {yn}    = {xn  yn}.
  3.  Произведение последовательностей: {xn}{yn} = {xnyn}.
  4.  Частное последовательностей:  при {yn} 0.

Ограниченные и неограниченные последовательности.

 Определение. Последовательность {xn} называется  ограниченной, если существует такое число М>0, что для любого n верно неравенство:

т.е. все члены последовательности принадлежат промежутку (-М; M).

 Определение. Последовательность {xn}называется ограниченной сверху, если для любого n существует такое число М, что

xn  M.

 Определение. Последовательность {xn}называется ограниченной снизу, если для любого n существует такое число М, что

xn  M

 Пример. {xn} = n – ограничена снизу  {1, 2, 3, … }.

 Определение. Число а называется пределом последовательности {xn}, если для любого положительного >0 существует такой номер N, что для всех n > N выполняется условие:

Это записывается:    lim xn = a.

В этом случае говорят, что последовательность {xn}сходится к а при n.

 Свойство: Если отбросить какое- либо число членов последовательности, то получаются новые последовательности, при этом если сходится одна из них, то сходится и другая.

 Пример.  Доказать, что предел последовательности lim .

Пусть при n > N верно , т.е.  . Это верно при , таким образом, если за N взять целую часть от , то утверждение, приведенное выше, выполняется.

 Пример. Показать, что при n последовательность 3,  имеет пределом число 2.

Итого: {xn}= 2 + 1/n;    1/n = xn – 2

Очевидно, что существует такое число n, что , т.е. lim {xn} = 2.

 Теорема. Последовательность не может иметь более одного предела.

 Доказательство. Предположим, что последовательность {xn}имеет два предела a и b, не равные друг другу.

xn  a; xn  b;    a  b.

Тогда по определению существует такое число >0, что

Запишем выражение:

А т.к. - любое число, то , т.е. a = b. Теорема доказана.

 Теорема. Если xn  a, то .

 Доказательство. Из xn  a следует, что . В то же время:

, т.е.    , т.е. . Теорема доказана.

 Теорема.  Если xn  a, то последовательность {xn} ограничена.

Следует отметить, что обратное утверждение неверно, т.е. из ограниченности последовательности не следует ее сходимость.

Например, последовательностьне имеет предела, хотя

Монотонные последовательности.

 Определение. 1) Если xn+1 > xn для всех n, то последовательность возрастающая.

                        2)Если xn+1  xn для всех n, то последовательность неубывающая.

    3)Если xn+1 < xn для всех n, то последовательность убывающая.

                       4)Если xn+1  xn для всех n, то последовательность невозрастающая

Все эти последовательности называются монотонными. Возрастающие и убывающие последовательности называются строго монотонными.

 Пример. {xn} = 1/n – убывающая и ограниченная

    {xn} = n – возрастающая и неограниченная.

 Пример. Доказать, что последовательность {xn}= монотонная возрастающая.

Найдем член последовательности {xn+1}=

Найдем знак разности: {xn}-{xn+1}=

, т.к. nN, то знаменатель положительный при любом n.

Таким образом, xn+1 > xn. Последовательность возрастающая, что и следовало доказать.

 Пример. Выяснить является возрастающей или убывающей последовательность

{xn} = .

Найдем .  Найдем разность

, т.к.  nN, то 1 – 4n <0, т.е. хn+1 < xn. Последовательность монотонно убывает.

Следует отметить, что монотонные последовательности ограничены по крайней мере с одной стороны.

 Теорема. Монотонная ограниченная последовательность имеет предел.

 Доказательство. Рассмотрим монотонную неубывающую последовательность

х1  х2  х3  хn  xn+1 

Эта последовательность ограничена сверху: xn  M, где М – некоторое число.

Т.к. любое, ограниченное сверху, числовое множество имеет четкую верхнюю грань, то для любого >0 существует такое число N, что xN > a - , где а – некоторая верхняя грань множества.

Т.к. {xn}- неубывающая последовательность, то при N > n  а - < xN  xn,

xn > a - .

Отсюда a - < xn < a +

- < xn – a <    или    xn - a< ,    т.е. lim xn = a.

Для остальных монотонных последовательностей доказательство аналогично.

Теорема доказана.

Число е.

Рассмотрим последовательность {xn} = .

Если последовательность {xn} монотонная и ограниченная, то она имеет конечный предел.

По формуле бинома Ньютона:

или, что то же самое

Покажем, что последовательность {xn} – возрастающая. Действительно, запишем выражение xn+1 и сравним его с выражением xn:

Каждое слагаемое в выражении xn+1 больше соответствующего значения xn, и, кроме того, у xn+1 добавляется еще одно положительное слагаемое. Таким образом, последовательность {xn} возрастающая.

Докажем теперь, что при любом n ее члены не превосходят трех: xn < 3.

Итак, последовательность - монотонно возрастающая и ограниченная сверху, т.е. имеет конечный предел. Этот предел принято обозначать буквой е.

Из неравенства  следует, что е 3. Отбрасывая в равенстве для {xn} все члены, начиная с четвертого, имеем:

переходя к пределу, получаем

Таким образом, число е заключено между числами 2,5 и 3. Если взять большее количество членов ряда, то можно получить более точную оценку значения числа е.

Можно показать, что число е иррациональное и его значение равно 2,71828…

Аналогично можно показать, что , расширив требования к х до любого действительного числа:

Предположим:                                  

Найдем  

Число е является основанием натурального логарифма.

Выше представлен график функции y = lnx.

Связь натурального и десятичного логарифмов.

Пусть х = 10у, тогда  lnx = ln10y , следовательно lnx = yln10  

у = , где М = 1/ln10 0,43429…- модуль перехода.

Предел функции в точке.

          y      f(x)

   

                                            A +

                                                 A

                                             A -

    0                      a -  a  a +      x

Пусть функция f(x) определена в некоторой окрестности точки х = а (т.е. в самой точке х = а функция может быть и не определена)

 Определение. Число А называется пределом функции f(x) при ха, если для любого >0 существует такое число >0, что для всех х таких, что

0 < x - a <

верно неравенство                                f(x) - A< .

То же определение может быть записано в другом виде:

Если а - < x < a + ,  x  a, то верно неравенство А - < f(x) < A + .

Запись предела функции в точке:

 Определение. Если f(x)  A1 при х а только при x < a, то  - называется пределом функции f(x) в точке х = а слева, а если f(x)  A2 при х а только при x > a, то  называется пределом функции f(x) в точке х = а справа.

     у

         f(x)

     А2

     А1

           0            a                                    x

Приведенное выше определение относится к случаю, когда функция f(x) не определена в самой точке х = а, но определена в некоторой сколь угодно малой окрестности этой точки.

 

Пределы А1 и А2 называются также односторонними пределами функции f(x) в точке х = а. Также говорят, что А – конечный предел функции f(x).

Предел функции при стремлении аргумента к бесконечности.

 Определение. Число А называется пределом функции f(x) при х, если для любого числа >0 существует такое число М>0, что для всех х, х>M выполняется неравенство

При этом предполагается, что функция f(x) определена в окрестности бесконечности.

Записывают:  

   

Графически можно представить:    

     y       y

     A       A

     0       0

          x                    x

     y       y

     A       A

     0       0

        x       x

Аналогично можно определить пределы  для любого х>M и

для любого х<M.

Основные теоремы о пределах.

 Теорема 1. , где С = const.

Следующие теоремы справедливы при предположении, что функции f(x) и g(x) имеют конечные пределы при ха.

 Теорема 2. 

Доказательство этой теоремы будет приведено ниже.

 Теорема 3. 

 Следствие. 

 Теорема 4.     при

 Теорема 5. Если f(x)>0 вблизи точки х = а и , то А>0.

Аналогично определяется знак предела при f(x) < 0, f(x) 0, f(x) 0.

 Теорема 6. Если g(x)  f(x)  u(x) вблизи точки х = а и , то и .

 Определение. Функция f(x) называется ограниченной вблизи точки х = а, если существует такое число М>0, что f(x)<M вблизи точки х = а.

 Теорема 7. Если функция f(x) имеет конечный предел при ха, то она ограничена вблизи точки х = а.

 

Доказательство. Пусть , т.е. , тогда

или

, т.е.

где М = + А

Теорема доказана.

Бесконечно малые функции.

 Определение.  Функция f(x) называется бесконечно малой при ха, где а может быть числом или одной из величин , + или -, если .

Бесконечно малой функция может быть только если указать к какому числу стремится аргумент х. При различных значениях а функция может быть бесконечно малой или нет.

 Пример. Функция f(x) = xn является бесконечно малой при х0 и не является бесконечно малой при х1, т.к. .

 Теорема. Для того, чтобы функция f(x) при ха имела предел, равный А, необходимо и достаточно, чтобы вблизи точки х = а выполнялось условие

f(x) = A + (x),

где (х) – бесконечно малая при х а ((х)0 при х а).

 Свойства бесконечно малых функций:

  1.  Сумма фиксированного числа бесконечно малых функций при ха тоже бесконечно малая функция при ха.
  2.  Произведение фиксированного числа бесконечно малых функций при ха тоже бесконечно малая функция при ха.
  3.  Произведение бесконечно малой функции на функцию, ограниченную вблизи точки х = а является бесконечно малой функцией при ха.
  4.  Частное от деления бесконечно малой функции на функцию, предел которой не равен нулю есть величина бесконечно малая.

Используя понятие бесконечно малых функций, приведем доказательство некоторых теорем о пределах, приведенных выше.

Доказательство теоремы 2. Представим f(x) = A + (x), g(x) = B + (x), где

, тогда

f(x) g(x) = (A + B) + (x) + (x)

A + B = const,  (х) + (х) – бесконечно малая, значит

Теорема доказана.

Доказательство теоремы 3. Представим f(x) = A + (x), g(x) = B + (x), где

, тогда

AB = const,  (х) и (х) – бесконечно малые, значит

Теорема доказана.

Бесконечно большие функции и их связь с

бесконечно малыми.

 Определение. Предел функции f(x) при ха, где а- число, равен бесконечности, если для любого числа М>0 существует такое число >0, что неравенство

f(x)>M

выполняется при всех х, удовлетворяющих условию

0 < x - a <

Записывается .

Собственно, если в приведенном выше определении заменить условие f(x)>M на f(x)>M, то получим:

а если заменить на f(x)<M, то:

Графически приведенные выше случаи можно проиллюстрировать следующим образом:

          a  x           a   x  a     x

 Определение. Функция называется бесконечно большой при ха, где а – чосли или одна из величин , + или -, если , где А – число или одна из величин , + или -.

Связь бесконечно больших и бесконечно малых функций осуществляется в соответствии со следующей теоремой.

 Теорема. Если f(x)0 при ха (если х ) и не обращается в ноль, то

Сравнение бесконечно малых функций.

Пусть (х), (х) и (х) – бесконечно малые функции при х а. Будем обозначать эти функции , и соответственно. Эти бесконечно малые функции можно сравнивать по быстроте их убывания, т.е. по быстроте их стремления к нулю.

Например, функция f(x) = x10 стремится к нулю быстрее, чем функция f(x) = x.

 Определение. Если , то функция называется бесконечно малой более высокого порядка, чем функция .

 Определение. Если , то и называются бесконечно малыми одного порядка.

 Определение. Если то функции и называются эквивалентными бесконечно малыми. Записывают ~ .

 Пример.  Сравним бесконечно малые при х0 функции f(x) = x10 и f(x) = x.

т.е. функция f(x) = x10 – бесконечно малая более высокого порядка, чем f(x) = x.

 Определение. Бесконечно малая функция называется бесконечно малой порядка k относительно бесконечно малой функции , если предел  конечен и отличен от нуля.

Однако следует отметить, что не все бесконечно малые функции можно сравнивать между собой. Например, если отношение  не имеет предела, то функции несравнимы.

 

 Пример. Если , то при х0 , т.е. функция - бесконечно малая порядка 2 относительно функции .

 Пример. Если , то при х0  не существует, т.е. функция и несравнимы.

Свойства эквивалентных бесконечно малых.

1) ~ ,    

2) Если ~ и ~ , то ~ ,      

3) Если ~ , то ~ ,           

      4) Если ~ 1 и ~ 1 и , то и   или .

Следствие:  а) если ~ 1  и , то и

                               б) если ~ 1 и , то

Свойство 4 особенно важно на практике, т.к. оно фактически означает, что предел отношения бесконечно малых не меняется при замене их на эквивалентные бесконечно малые. Этот факт дает возможность при нахождении пределов заменять бесконечно малые на эквивалентные им функции, что может сильно упростить вычисление пределов.

 Пример. Найти предел

Так как tg5x ~ 5x и sin7x ~ 7x при х 0, то, заменив функции эквивалентными бесконечно малыми, получим:

 Пример. Найти предел .

Так как 1 – cosx =  при х0, то .

 Пример. Найти предел

Если и - бесконечно малые при ха, причем - бесконечно малая более высокого порядка, чем , то = + - бесконечно малая, эквивалентная . Это можно доказать следующим равенством .

Тогда говорят, что - главная часть бесконечно малой функции .

 Пример.  Функция х2 +х – бесконечно малая при х0, х – главная часть этой функции. Чтобы показать это, запишем = х2, = х, тогда

.

Некоторые замечательные пределы.

Первый замечательный предел. , где P(x) = a0xn + a1xn-1 +…+an,  

Q(x) = b0xm + b1xm-1 +…+bm - многочлены.

Итого:

Второй замечательный предел. 

Третий замечательный предел. 

Часто если непосредственное нахождение предела какой – либо функции представляется сложным, то можно путем преобразования функции свести задачу к нахождению замечательных пределов.

Кроме трех, изложенных выше, пределов можно записать следующие полезные на практике соотношения:

 Пример. Найти предел.

Пример. Найти предел.

 Пример. Найти предел.

 Пример. Найти предел.

 Пример. Найти предел.

 Пример. Найти предел   .

Для нахождения этого предела разложим на множители числитель и знаменатель данной дроби.

x2 – 6x + 8 = 0;                                    x2 – 8x + 12 = 0;

D = 36 – 32 = 4;                                 D = 64 – 48 = 16;

x1 = (6 + 2)/2 = 4;                               x1 = (8 + 4)/2 = 6;

x2 = (6 – 2)/2 = 2 ;                               x2 = (8 – 4)/2 = 2;

Тогда

 Пример. Найти предел.

 домножим числитель и знаменатель дроби на сопряженное выражение: =

=.

 

Пример. Найти предел.

 Пример. Найти предел .

Разложим числитель и знаменатель на множители.

x2 – 3x + 2 = (x – 1)(x – 2)

x3 – 6x2 + 11x – 6 = (x – 1)(x – 2)(x – 3), т.к.

x3 – 6x2 + 11x – 6    x - 1

                                                      x3x2                      x2 – 5x + 6

                                                        - 5x2 + 11x

                                                        - 5x2 + 5x

                 6x - 6

       6x - 6                     0

x2 – 5x + 6 = (x – 2)(x – 3)

Тогда

 Пример. Найти предел.

 Для самостоятельного решения:

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.  

8)  - не определен.

Непрерывность функции в точке.

 Определение. Функция f(x), определенная в окрестности некоторой точки х0, называется непрерывной в точке х0, если предел функции и ее значение в этой точке равны, т.е.

Тот же факт можно записать иначе:

 Определение. Если функция f(x) определена в некоторой окрестности точки х0, но не является непрерывной в самой точке х0, то она называется разрывной функцией, а точка х0 – точкой разрыва.

Пример непрерывной функции:

    y

   f(x0)+

      f(x0)

   f(x0)-

0  x0-   x0 x0+                                  x

Пример разрывной функции:

     y

   f(x0)+

      f(x0)

   f(x0)-

      x0           x

 Определение. Функция f(x) называется непрерывной в точке х0, если для любого положительного числа >0 существует такое число >0, что для любых х, удовлетворяющих условию

верно неравенство                               .

 Определение.  Функция f(x) называется непрерывной в точке х = х0, если приращение функции в точке х0 является бесконечно малой величиной.

f(x) = f(x0) + (x)

где (х) – бесконечно малая при хх0.

Свойства непрерывных функций.

1) Сумма, разность и произведение непрерывных в точке х0 функций – есть функция, непрерывная в точке х0.

2) Частное двух непрерывных функций – есть непрерывная функция при условии, что g(x) не равна нулю в точке х0.

 3) Суперпозиция непрерывных функций – есть непрерывная функция.

Это свойство может быть записано следующим образом:

Если u = f(x),  v = g(x) – непрерывные функции в точке х = х0, то функция v = g(f(x)) – тоже непрерывнаяфункция в этой точке.

Справедливость приведенных выше свойств можно легко доказать, используя теоремы о пределах.

Непрерывность некоторых элементарных функций.

1) Функция f(x) = C, C = const – непрерывная функция на всей области определения.

2) Рациональная функция  непрерывна для всех значений х, кроме тех, при которых знаменатель обращается в ноль. Таким образом, функция этого вида непрерывна на всей области определения.

3) Тригонометрические функции непрерывны на своей области определения.

Докажем свойство 3 для функции y = sinx.

Запишем приращение функции y = sin(x + x) – sinx, или после преобразования:

Действительно, имеется предел произведения двух функций  и . При этом функция косинус – ограниченная функция при х0 , а т.к.

предел функции синус , то она является бесконечно малой при х0.

Таким образом, имеется произведение ограниченной функции на бесконечно малую, следовательно это произведение, т.е. функция у – бесконечно малая. В соответствии с рассмотренными выше определениями, функция у = sinx – непрерывная функция для любого значения х = х0 из области определения, т.к. ее приращение в этой точке – бесконечно малая величина.

Аналогично можно доказать непрерывность остальных тригонометрических функций на всей области определения.

Вообще следует заметить, что все основные элементарные функции непрерывны на всей своей области определения.

Точки разрыва и их классификация.

Рассмотрим некоторую функцию f(x), непрерывную в окрестности точки х0, за исключением может быть самой этой точки. Из определения точки разрыва функции следует, что х = х0 является точкой разрыва, если  функция не определена в этой точке, или не является в ней непрерывной.

Следует отметить также, что непрерывность функции может быть односторонней. Поясним это следующим образом.

Если односторонний предел (см. выше) , то функция называется непрерывной справа.

               х0

Если односторонний предел (см. выше) , то функция называется непрерывной слева.

              х0

 Определение. Точка х0 называется точкой разрыва функции f(x), если f(x) не определена в точке х0 или не является непрерывной в этой точке.

 Определение. Точка х0 называется точкой разрыва 1- го рода, если в этой точке функция f(x) имеет конечные, но не равные друг другу левый и правый пределы.

Для выполнения условий этого определения не требуется, чтобы функция была определена в точке х = х0, достаточно того, что она определена слева и справа от нее.

Из определения можно сделать вывод, что в точке разрыва 1 – го рода функция может иметь только конечный скачок. В некоторых частных случаях точку разрыва 1 – го рода еще иногда называют устранимой точкой разрыва, но подробнее об этом поговорим ниже.

Определение. Точка х0 называется точкой разрыва 2 – го рода, если в этой точке функция f(x) не имеет хотя бы одного из односторонних пределов или хотя бы один из них бесконечен.

Пример. Функция Дирихле (Дирихле Петер Густав(1805-1859) – немецкий математик, член- корреспондент Петербургской АН 1837г)

не является непрерывной в любой точке х0.

Пример. Функция f(x) =  имеет в точке х0 = 0 точку разрыва 2 – го рода, т.к.

.

 Пример. f(x) =

Функция не определена в точке х = 0, но имеет в ней конечный предел , т.е. в точке х = 0 функция имеет точку разрыва 1 – го рода. Это – устранимая точка разрыва, т.к. если доопределить функцию:

График этой функции:

 Пример.  f(x) = =

               y

     

     1

     0   x

     -1

Эта функция также обозначается sign(x) – знак х. В точке х = 0 функция не определена. Т.к. левый и правый пределы функции различны, то точка разрыва – 1 – го рода. Если доопределить  функцию в точке х  = 0, положив f(0) = 1, то функция будет непрерывна справа, если положить f(0) = -1, то функция будет непрерывной слева, если положить f(x) равное какому- либо числу, отличному от 1 или –1, то функция не будет непрерывна ни слева, ни справа, но во всех случаях  тем не менее  будет иметь в точке х = 0 разрыв 1 – го рода. В этом примере точка разрыва 1 – го рода не является устранимой.

Таким образом, для того, чтобы точка разрыва 1 – го рода была устранимой, необходимо, чтобы односторонние пределы справа и слева были конечны и равны, а  функция была бы в этой точке не определена.

Непрерывность функции на интервале и на отрезке.

 Определение. Функция f(x) называется непрерывной на интервале (отрезке), если она непрерывна в любой точке интервала (отрезка).

При этом не требуется непрерывность функции на концах отрезка или интервала, необходима только односторонняя непрерывность на концах отрезка или интервала.

Свойства функций, непрерывных на отрезке.

 Свойство 1: (Первая теорема Вейерштрасса (Вейерштрасс Карл (1815-1897)- немецкий математик)). Функция, непрерывная на отрезке, ограничена на этом отрезке, т.е. на отрезке [a, b] выполняется условие –M  f(x)  M.

Доказательство этого свойства основано на том, что функция, непрерывная в точке х0, ограничена в некоторой ее окрестности, а если разбивать отрезок [a, b] на бесконечное количество отрезков, которые “стягиваются” к точке х0, то образуется некоторая окрестность точки х0.

Свойство 2: Функция, непрерывная на отрезке [a, b], принимает на нем наибольшее и наименьшее значения.

Т.е. существуют такие значения х1 и х2, что f(x1) = m,  f(x2) = M, причем

m  f(x)  M

Отметим эти наибольшие и наименьшие значения функция может принимать на отрезке и несколько раз (например – f(x) = sinx).

Разность между наибольшим и наименьшим значением функции на отрезке называется колебанием функции на отрезке.

Свойство 3: (Вторая теорема Больцано – Коши). Функция, непрерывная на отрезке [a, b], принимает на этом отрезке все значения между двумя произвольными величинами.

Свойство 4: Если функция f(x) непрерывна в точке х = х0, то существует некоторая окрестность точки х0, в которой функция сохраняет знак.

Свойство 5: (Первая теорема Больцано (1781-1848) – Коши). Если функция f(x)- непрерывная на отрезке [a, b] и имеет на концах отрезка значения противоположных знаков, то существует такая точка внутри этого отрезка, где f(x) = 0.

Т.е. если sign(f(a)) sign(f(b)), то  х0: f(x0) = 0.

Определение. Функция f(x) называется равномерно непрерывной на отрезке [a, b], если для любого >0 существует >0 такое, что для любых точек х1[a,b] и x2[a,b] таких, что

х2 – х1<

верно неравенство                                    f(x2) – f(x1) <

Отличие равномерной непрерывности от “обычной” в том, что для любого существует свое , не зависящее от х, а при “обычной” непрерывности зависит от и х.

 Свойство 6: Теорема Кантора (Кантор Георг (1845-1918)- немецкий математик). Функция, непрерывная на отрезке, равномерно непрерывна на нем.

(Это свойство справедливо только для отрезков, а не для интервалов и полуинтервалов.)

 Пример. 

 Функция  непрерывна на интервале (0, а), но не является на нем равномерно непрерывной, т.к. существует такое число >0 такое, что существуют значения х1 и х2 такие, чтоf(x1) – f(x2)>, - любое число при условии, что х1 и х2 близки к нулю.

 Свойство 7: Если функция f(x) определена, монотонна и непрерывна на некотором промежутке, то и обратная ей функция х = g(y) тоже однозначна, монотонна и непрерывна.

 Пример. Исследовать на непрерывность функцию и определить тип точек разрыва, если они есть.

                                     

в точке х = -1 функция непрерывна             в точке х = 1 точка разрыва 1 – го рода      

          

     у

          3

          2

 

     -4                       -1      0        1      х

Пример. Исследовать на непрерывность функцию и определить тип точек разрыва, если они есть.

                                     

в точке х = 0 функция непрерывна             в точке х = 1 точка разрыва 1 – го рода                         

               у

    

     2

     

         1

                                              -       -/2         0      1                                   x

Комплексные числа.

 Определение. Комплексным числом z называется выражение , где a и b – действительные числа, i – мнимая единица, которая определяется соотношением:

 При этом число a называется действительной частью числа z (a = Re z), а b- мнимой частью (b = Im z).

Если a =Re z =0, то число z будет чисто мнимым, если b = Im z = 0, то число z будет действительным.

 Определение. Числа  и называются комплексно – сопряженными.

 Определение. Два комплексных числа  и  называются равными, если соответственно равны их действительные и мнимые части:

 Определение. Комплексное число равно нулю, если соответственно равны нулю действительная и мнимая части.

Понятие комплексного числа имеет геометрическое истолкование. Множество комплексных чисел является расширением множества действительных чисел за счет включения множества мнимых чисел. Комплексные числа включают в себя все множества чисел, которые изучались ранее. Так натуральные, целые, рациональные, иррациональные, действительные числа являются, вообще говоря, частными случаями комплексных чисел.

Если любое действительное число может быть геометрически представлено в виде точки на числовой прямой, то комплексное число представляется точкой на плоскости, координатами которой будут соответственно действительная и мнимая части комплексного числа. При этом горизонтальная ось будет являться действительной числовой осью, а вертикальная - мнимой осью.

          у

      A(a, b)

           r                   b

     

         0  a        x

Таким образом, на оси ОХ располагаются действительные числа, а на оси ОY – чисто мнимые.

С помощью подобного геометрического представления можно представлять числа в так называемой тригонометрической форме.

Тригонометрическая форма числа.

Из геометрических соображений видно, что . Тогда комплексное число можно представить в виде:

 Такая форма записи называется тригонометрической формой записи комплексного числа.

При этом величина r называется модулем комплексного числа, а угол наклона - аргументом комплексного числа.

.

Из геометрических соображений видно:

Очевидно, что комплексно – сопряженные числа имеют одинаковые модули и противоположные аргументы.

Действия с комплексными числами.

Основные действия с комплексными числами вытекают из действий с многочленами.

1) Сложение и вычитание. 

2) Умножение.

В тригонометрической форме:

,

С случае комплексно – сопряженных чисел:

3) Деление.

В тригонометрической форме:

 4) Возведение в степень.

Из операции умножения комплексных чисел следует, что

В общем случае получим:

,

где n целое положительное число.

Это выражение называется формулой Муавра.

(Абрахам де Муавр (1667 – 1754) – английский математик)

Формулу Муавра можно использовать для нахождения тригонометрических функций двойного, тройного и т.д. углов.

 Пример. Найти формулы sin2 и cos2.

Рассмотрим некоторое комплексное число

Тогда с одной стороны .

По формуле Муавра:

Приравнивая, получим

Т.к. два комплексных числа равны, если равны их действительные и мнимые части, то

Получили известные формулы двойного угла.

5) Извлечение корня из комплексного числа.

Возводя в степень, получим:

Отсюда:

 Таким образом, корень n – ой степени из комплексного числа имеет n различных значений.

Показательная форма комплексного числа.

Рассмотрим показательную функцию

Можно показать, что функция w может быть записана в виде:

 Данное равенство называется уравнением Эйлера. Вывод этого уравнения будет рассмотрен позднее. (См. ).

Для комплексных чисел будут справедливы следующие свойства:

1)

2)

3)   где m – целое число.

Если в уравнении Эйлера показатель степени принять за чисто мнимое число (х=0), то получаем:

 Для комплексно – сопряженного числа получаем:

 Из этих двух уравнений получаем:

 Этими формулами пользуются для нахождения значений степеней тригонометрических функций через функции кратных углов.

Если представить комплексное число в тригонометрической форме:

и воспользуемся формулой Эйлера:

 Полученное равенство и есть показательная форма комплексного числа.

Разложение многочлена на множители.

 Определение. Функция  вида f(x) называется целой рациональной функцией от х.

 Теорема Безу. (Этьенн Безу (1730 – 1783) – французский математик)

 При делении многочлена f(x) на разность xa получается остаток, равный f(a).

 Доказательство. При делении многочлена f(x) на разность xa частным будет многочлен f1(x) степени на единицу меньшей, чем f(x), а остатком – постоянное число R.

Переходя к пределу при х  a, получаем f(a) = R.

 Следствие. Если, а – корень многочлена, т.е. f(a) = 0, то многочлен f(x) делится на (х – а) без остатка.

 Определение. Если уравнение имеет вид Р(х) = 0, где Р(х) – многочлен степени n, то это уравнение называется алгебраическим уравнением степени n.

 Теорема. (Основная теорема алгебры) Всякая целая рациональная функция f(x) имеет, по крайней мере, один корень, действительный или комплексный.

 Теорема. Всякий многочлен n – ой степени разлагается на n линейных множителей вида (xa) и множитель, равный коэффициенту при xn.

 Теорема. Если два многочлена тождественно равны друг другу, то коэффициенты одного многочлена равны соответствующим коэффициентам другого.

Если среди корней многочлена встречаются кратные корни, то разложение на множители имеет вид:

ki  - кратность соответствующего корня.

Отсюда следует, что любой многочлен n – ой степени имеет ровно n корней (действительных или комплексных).

Это свойство имеет большое значение для решения алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений и играет важную роль в анализе функций.

Рассмотрим несколько примеров действий с комплексными числами.

 Пример. Даны два комплексных числа . Требуется а) найти значение выражения в алгебраической форме, б) для числа  найти тригонометрическую форму, найти z20, найти корни уравнения

  1.  Очевидно, справедливо следующее преобразование:

Далее производим деление двух комплексных чисел:

Получаем значение заданного выражения: 16(-i)4 = 16i4 =16.

б) Число  представим в виде , где

Тогда .

Для нахождения  воспльзуемся формулой Муавра.

Если , то

Элементы высшей алгебры.

Основные понятия теории множеств.