- •1Геометрия на плоскости и в пространстве.
- •1.1Скалярное произведение.
- •. Симметричность
- •Линейность
- •1.2Векторное и смешанное произведение.
- •1.3Уравнение прямой и плоскости в пространстве
- •2Евклидово пространство. Скалярное произведение.
- •Симметричность:
- •2.1 Изменение матрицы Грама при изменении базиса.
- •2.2 Ортогональность.
- •2.3 Процесс ортогонализации.
- •2.4 Ортогональное дополнение. Ортогональная проекция и составляющая.
- •2.5 Геометрический смысл определителя матрицы Грама. Неравенство Адамара.
- •2.6. Расстояния. Псевдорешения. Нормальные решения. Нормальные псевдорешения.
- •2.6.1Псевдорешения. Метод наименьших квадратов.
- •2.6.2Нормальное решение
- •2.6.3Нормальное псевдорешение.
- •3Унитарное пространство.
- •4Билинейные функции, квадратичные формы.
- •4.1Билинейные формы. Квадратичные формы.
- •4.2 Полуторалинейные формы. Эрмитовы формы.
- •4.3 Изменение матрицы билинейной (полуторалинейной) формы при изменении базиса.
- •4.4 Приведение квадратичных форм (симметричных билинейных форм, эрмитовых форм) к простейшему виду.
- •4.4.1Метод выделения квадратов (Лагранжа).
- •4.4.2Приведение квадратичных форм к нормальному виду элементарными преобразованиями
- •4.4.3Закон инерции квадратичных форм.
- •4.4.4Теорема Якоби
- •4.4.5Критерий Сильвестра.
- •5Квадрики.
- •5.1 Алгебраическая поверхность
- •5.2 Уравнение квадрики.
- •5.3Изменение квадрики при аффинном преобразовании
- •5.4 Приведение уравнения квадрики к простейшему виду
- •5.5Аффинная классификация кривых второго порядка.
- •5.6Аффинная классификация поверхностей второго порядка
- •6.1.3Изменение матрицы линейного оператора при изменении базиса.
- •6.2Алгебра линейных операторов.
- •6.3 Простейший вид матрицы линейного оператора.
- •6.3.1Эквивалентность матриц
- •6.3.2Ранг, дефект линейного оператора.
- •7Линейное преобразование
- •7.1Линейное преобразование. Его матрица
- •7.2Изменение матрицы линейного преобразования при изменении базиса.
- •7.3 Алгебра линейных преобразований.
- •7.4 Инвариантные пространства
- •7.5 Собственные векторы и собственные числа. Характеристическое уравнение.
- •7.6Коэффициенты характеристического уравнения. След матрицы.
- •7.7 Диагонализируемые преобразования
- •7.8 Теорема Шура
- •8 Сопряженные преобразования.
- •8.1 Линейное преобразование и билинейные функции
- •8.2 Сопряженное преобразование. Свойства.
- •Если w инвариантное подпространство , то ортогональное дополнение к w инвариантно относительно .
- •8.3 Нормальное преобразование и его свойства.
- •8.4 Ортогональные преобразования
- •8.5Самосопряженное преобразование.
- •8.6Полярное разложение
- •9 Приведение квадратичных форм
- •9.1 Приведение квадратичных форм к главным осям.
- •9.2 Приведение пары квадратичных форм
- •9.2.1Первый способ
- •9.2.2Пучок матриц
- •9.3 Приведение квадрики ортогональным преобразованием. Ортогональные инварианты и полуинварианты.
- •9.4Ортогональная классификация кривых второго порядка
- •9.5Ортогональная классификация поверхностей второго порядка.
- •10 Аннулирующий многочлен
- •10.1Аннулирующий многочлен вектора.
- •10.2Аннулирующий многочлен подпространства
- •10.3Функции от матриц
- •10.4Вычисление линейных рекуррентных последовательностей
1.3Уравнение прямой и плоскости в пространстве
Плоскость – линейное многообразие размерности 2. Плоскость в пространстве задаётся одним уравнением . Подпространство, соответствующее плоскости, задаётся однородным уравнением . В ортонормированном базисе левая часть уравнения является скалярным произведением вектора и вектора плоскости . Таким образом, множество векторов плоскости состоит только из тех векторов, которые ортогональны вектору нормали . Расстояние от точки до плоскости равно . Следовательно, коэффициент определяет удалённость плоскости от начала координат
Прямая в пространстве задаётся системой из двух уравнений (см. раздел Error: Reference source not found) , причём ранг матрицы, образованной коэффициентами при неизвестных, равен 2. Разберём геометрический смысл коэффициентов. Представив прямую как пересечение двух плоскостей, приходим к выводу, что векторы и образуют базис плоскости перпендикулярной исходной прямой.
2Евклидово пространство. Скалярное произведение.
Пусть V линейное пространство над полем вещественных чисел. Функция , ставящая каждой паре векторов в соответствие число, называется скалярным произведением если выполнены аксиомы
Линейность по первому аргументу .
Симметричность:
Положительная определенность при .
Пространство над полем вещественных чисел в котором введено скалярное произведение называется евклидовым.
Величина называется длиной вектора.
Пусть базис V. Выразим скалярное произведение векторов через координаты векторов. Координаты вектора x в базисе e обозначим через . Тогда . Пользуясь свойством линейности выводим . Используя симметричность скалярного произведения и линейности по первому аргументу выводим . Обозначим через G матрицу Грама базисных векторов, то есть матрицу на пересечении строки i столбца j стоит скалярное произведение i-го и j-го вектора . Используя матричные операции умножения получаем .
2.1 Изменение матрицы Грама при изменении базиса.
Допустим, в евклидовом пространстве V заданы два базиса и . Обозначим через матрицу перехода, связывающие координаты вектора в разных базисах. Пусть для определённости . Скалярное произведение не зависит от выбора базиса, поэтому . Подставим в правую часть равенства вместо координат вектора в базисе e их выражение через координаты в базисе f. В результате придём к равенству . Поскольку полученное равенство справедливо для любых векторов x и y, то выводим .
2.2 Ортогональность.
Определение 2.2. Векторы называются ортогональными, если их скалярное произведение равно 0.
Теорема 2.1 (Пифагора). Пусть векторы x и y ортогональны, тогда .
Доказательство. , т.к. в силу ортогональности.
Теорема 2.2 (неравенство Бесселя). Пусть векторы x и y ортогональны, тогда .
Доказательство. По теореме Пифагора . Поскольку , то , что и требовалось.
Теорема 2.3 (неравенство Коши-Буняковского-Шварца). .
Доказательство. Для любого a справедливо неравенство . Раскроем левую часть . В левой части неравенства записан квадратный трехчлен. Выделим из него полный квадрат . Положив получим неравенство из которого вытекает . Извлекая квадратный корень, получаем требуемое.
Неравенство Коши-Буняковского-Шварца позволяет ввести угол между векторами, то есть косинус угла равен отношению .
Определение 2.3 Система векторов называется ортогональной, если каждая пара векторов из этой системе ортогональна.
Свойство 2.6. Ортогональная система векторов линейно не зависима.
Доказательство. Пусть - ортогональная система векторов и . Тогда . Таким образом и система векторов линейно независима.
Свойство 2.7. Матрица Грама ортогональной системы векторов – диагональная.