Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методическое пособие 704

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
5 Mб
Скачать

398. Линейный оператор A , действующий в унитарном пространстве, имеет в ортонормированном базисе e1, e2 мат-

рицу

 

2

1 i

. Найдите матрицу сопряженного опера-

Ae

 

 

 

 

1 i

1 i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тора

A* в базисе

f , f

2

, если

f

e

e ,

f

2

e

ie . Является

 

 

 

1

 

1

1

2

 

1

2

ли оператор A* эрмитовым?

399. Выясните, является ли эрмитовым оператор A , если в некотором ортонормированном базисе он имеет матрицу:

 

 

1

 

 

2 3i

i

 

 

1)

2 3i

 

3

2 i ;

 

 

 

i

 

 

2 i

1

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

 

5

i

;

4)

0

1

;

 

i

 

 

 

 

 

1

 

 

1

2i

 

 

1

2 3i

i

 

2)

2 3i

 

3

2 i ;

 

i

2

i

1

 

 

 

 

1

1 i

0

 

 

5) 1 i

3

i .

 

 

0

i

1

 

 

 

 

 

400.Выясните, при каких условиях диагональная матрица будет ортогональной.

401.Выясните, является ли унитарным линейный оператор A , имеющий в ортонормированном базисе унитарного про-

странства матрицу:

 

1

 

1

i

 

 

1

i

0

 

1)

 

;

2)

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

0 1

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

i

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

402. Докажите, что если один и тот же вектор x является собственным для линейного оператора A и сопряженного

оператора A* с собственными значениями 1 и 2 соответ-

ственно, то 1 2 .

403. Докажите, что если подпространство L инвариантно относительно линейного оператора A , то ортогональное до-

полнение L инвариантно относительно сопряженного оператора A* .

71

КВАДРАТИЧНЫЕ ФОРМЫ

404. Запишите матрицу данной квадратичной формы:

1)

f (x , x ) x2

2x2

x x

;

2)

f (x , x ) x2

2x x

2

;

 

1

2

1

2

1

2

 

 

1

2

1

1

 

3)f (x1, x2 , x3 ) 3x12 4x22 4x32 5x1x2 3x1x3 x2 x3 ;

4)f (x1, x2 , x3 , x4 ) x12 2x22 x42 2x2 x4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

405.

Запишите квадратичную форму в виде aij xi x j ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j 1

если дана ее матрица:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

1

0

4

1)

2)

 

0

2

3

 

 

3

;

 

.

 

 

4

 

 

4

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

406.Приведите квадратичную форму к каноническому виду ортогональным преобразованием, укажите соответствующий канонический базис. Найдите положительный и отрицательный индекс инерции:

1)f (x1, x2 , x3 ) 3x12 3x22 2x1x2 4x1x3 4x2 x3 ;

2)f (x1, x2 , x3 ) 2x12 x22 4x1x2 4x2 x3 ;

3)f (x1, x2 , x3 ) 2x12 5x22 5x32 4x1x2 4x1x3 8x2 x3 ;

4)f (x1, x2 , x3 ) 6x12 5x22 7x32 4x1x2 4x1x3 ;

5)f (x1, x2 , x3 ) x12 x22 x32 4x1x2 4x1x3 4x2 x3 ;

6)f (x1, x2 , x3 ) x12 5x22 x32 4x1x2 2x1x3 4x2 x3 .

407.Приведите квадратичную форму к каноническому виду методом Лагранжа и запишите соответствующее преобразование переменных:

1)f (x1, x2 , x3 ) x12 5x22 4x32 2x1x2 4x1x3 ;

2)f (x1, x2 , x3 ) 4x12 x22 x32 4x1x2 4x1x3 3x2 x3 .

72

408. Определите, является ли данная квадратичная форма положительно (отрицательно) определенной:

1)9x12 6x22 6x32 12x1x2 10x1x3 2x2 x3 ;

2)12x1x2 12x1x3 6x2 x3 11x12 6x22 6x32 ;

3) x2

15x2 4x x 2x x 6x x ; 4)

4x2 2x2 2x x 2x x 2x x

;

1

 

2

1

2

1

3

2

3

1

3

1

2

1

3

 

2

3

5) 4x2

x2

2x x 2x x 2x x ; 6)

x2

4x2

4x2

8x2

8x x

;

 

 

 

1

3

1

2

1

3

2

3

1

2

3

4

 

2

4

 

 

7)2x42 x1x2 x1x3 2x2 x3 2x2 x4 .

409.Найдите все значения параметра , при которых квадратичная форма положительно определена:

1)5x12 x22 x32 4x1x2 2x1x3 2x2 x3 ;

2)2x12 x22 3x32 2 x1x2 2x1x3 ;

3)x12 x22 5x32 2 x1x2 2x1x3 4x2 x3 ;

4)x12 4x22 x32 2 x1x2 10x1x3 6x2 x3 .

410.Найдите все значения параметра , при которых квадратичная форма отрицательно определена:

1)x12 x22 3x32 2x1x2 2x1x3 4x2 x3 ;

2)x12 x22 ( 3)x32 2x1x2 2 x1x3 2x2 x3 ;

3)2x12 8x22 3x32 2 x1x2 4x1x3 2 x2 x3 ;

4)2x12 5x22 x32 6x1x2 6x1x3 10x2 x3 .

411.Докажите, что для квадратичной формы f (x1,..., xn )

над

следующие утверждения эквивалентны:

(а) f

отрицательно определена;

(б) отрицательный индекс инерции f равен n ;

(в) в матрице квадратичной формы все главные угловые миноры нечетного порядка – отрицательны, а четного порядка - положительны.

412. Докажите, что квадрат длины вектора | x |2 в n -мерном

евклидовом пространстве является положительно определенной квадратичной формой.

73

ЧАСТЬ 2. ЗАДАНИЯ К ТИПОВЫМ РАСЧЕТАМ

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ТИПОВЫХ РАСЧЕТОВ

При выполнении и оформлении заданий типовых расчетов необходимо соблюдать следующие правила.

1.Вариант назначается преподавателем. Как правило, вариант постоянный и совпадает с порядковым номером студента в академической группе.

2.Работу следует выполнять в отдельной тетради в клетку. На внешней обложке тетради должны быть указаны фамилия и инициалы студента, номер группы, номер варианта.

3.Задания выполняются шариковой или гелевой ручкой (не карандашом). В тетради должны быть поля для замечаний преподавателя.

4.Каждое задание выполняется с новой страницы. Задания нумеруются, причем номер задания должен соответствовать его номеру в задачнике. Условие задачи необходимо переписать, а затем привести ее решение. Решение каждой задачи необходимо заканчивать записью ответа.

5.Решения задач и пояснения к ним должны быть достаточно подробными, аккуратными, без сокращения слов. Для задач по аналитической геометрии надо сделать поясняющий рисунок.

6.Все вычисления, в том числе и вспомогательные, необходимо делать полностью. Вычисления нужно производить по возможности точно в обыкновенных или десятичных дробях, не делать округлений в промежуточных вычислениях.

7.Типовой расчет должен быть сдан преподавателю в установленные сроки. Кроме того, типовой расчет должен быть защищен в письменном или устном виде (по указанию преподавателя).

74

ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ

ЗАДАЧА 1. Векторы c и d построены по данным векторам a и b . Выясните (аналитически и геометрически) являются ли векторы c , d коллинеарными, ортогональными.

1)

a (1, 2) ,

b (3, 0) ,

c 2a 4b ,

d 3a 4b ;

2)

a (1, 2) ,

b (3, 4) ,

c 2a 4b ,

d 3a 2b ;

3)

a (2, 3) ,

b ( 3, 5) ,

c a 4b ,

d 3a 3b ;

4)

a (3, 4) ,

b ( 5, 2) ,

c a 4b ,

d 3a 3b ;

5)

a ( 5, 2) ,

b ( 3, 4) ,

c 2a b ,

d 2a 5b ;

6)

a ( 4, 3) ,

b (0, 10), c 2a b ,

d 2a b ;

7)

a (4, 2) ,

b ( 5, 6) ,

c a 3b ,

d 2a 3b ;

8)

a ( 4, 5) ,

b ( 1, 5) ,

c a 3b ,

d 2a 3b ;

9)

a ( 5, 3) ,

b (3, 4) ,

c a 3b ,

d 4a 3b ;

10)

a ( 3, 2) ,

 

b ( 4, 5) ,

c a 3b ,

 

d 3a 2b ;

11)

a ( 2, 3) ,

 

b (1, 2) , c 3a b ,

d 5a 2b ;

12)

a (2, 3) ,

b ( 4, 2) ,

c 3a b ,

d a 5b ;

13)

a ( 3, 1) ,

b (5, 3) ,

c 2a 4b ,

d 2a 3b ;

14)

a ( 4, 2) ,

 

b (2, 3) ,

c 3a b ,

d 3a 3b ;

15)

a (2, 4) ,

b ( 4, 2) , c 2a 4b ,

d 2a 5b ;

16)

a ( 3, 5) ,

 

b ( 5, 6) ,

c 2a 4b ,

 

d 3a b ;

17)

a (2, 3) ,

 

b (6, 4) ,

c a 4b ,

d 2a 3b ;

18)

a (5, 2) ,

 

b ( 5, 8) ,

c a 4b ,

d 3a 2b ;

19)

a ( 3, 2) ,

b ( 4, 5) , c 2a b ,

d 4a 3b ;

20)

a (2, 6) ,

b ( 5, 2) ,

c 2a b ,

d 4a 2b .

75

ЗАДАЧА 2. Найдите скалярное произведение векторов a и

b ,

построенных по векторам p

и q , если известны длины

векторов p и q и угол между ними.

 

 

1)

a 3 p q ,

b p 2q ,

 

| p | 4 ,

| q | 1 ,

( p, q) 4 ;

2)

a p 3q ,

b p 2q ,

 

| p | 1 5 ,

| q | 1 ,

( p, q) 2 ;

3)

a 3 p 2q ,

b p 5q ,

| p | 4 ,

| q | 1 2 ,

( p, q) 5 6 ;

4)

a p 2q ,

b 2 p q ,

 

| p | 2 ,

 

| q | 3 ,

( p, q) 3 4 ;

5)

a p 3q ,

b p 2q ,

 

| p | 2 ,

| q | 3 ,

( p, q) 3 ;

6)

a 2 p q ,

b p 3q ,

 

| p | 3 ,

| q | 2 ,

( p, q) 2 ;

7)

a 4 p q ,

b p q ,

| p | 7 ,

| q | 2 ,

( p, q) 4 ;

8)

a p 4q ,

b 3 p q ,

 

| p | 1,

| q | 2 ,

( p, q) 6 ;

9)

a p 4q ,

b 2 p q ,

 

| p | 7 ,

 

| q | 2 ,

( p, q) 3 ;

10)

a 7 p 2q ,

b p 3q ,

| p | 1

2 , | q | 2 , ( p, q) 2 ;

11)

a 6 p q ,

b p q ,

| p | 3 ,

| q | 4 ,

( p, q) 4 ;

12)

a 10 p q ,

b 3 p 2q , | p | 4 , | q | 1 ,

( p, q) 6 ;

13)

a 6 p q ,

b p 2q ,

 

| p | 8 ,

| q | 1 2 ,

( p, q) 3 ;

14)

a 3 p 4q ,

b q p ,

 

| p | 2, 5 , | q | 2 ,

( p, q) 2 ;

15)

a 5 p q ,

b p q ,

|

p | 5 ,

| q | 3 ,

( p, q) 5 6 ;

16)

a 3 p q ,

b p 3q ,

 

| p | 7 ,

| q | 2 ,

( p, q) 4 ;

17)

a p 3q ,

b 3 p q ,

 

| p | 3 ,

| q | 5 ,

( p, q) 2 3 ;

18)

a 7 p q ,

b p 3q ,

 

| p | 3 ,

| q | 1 ,

( p, q) 3 4 ;

19)

a 5 p q ,

b p 3q ,

 

| p | 1,

| q | 2 ,

( p, q) 3 ;

20)

a 2 p 3q ,

b 3 p q ,

| p | 4 , | q | 1 ,

( p, q) 6 .

76

ЗАДАЧА 3. Найдите скалярное и векторное произведение векторов c 2a b и d a 3b , построенных по данным векторам a и b .

1)

a ( 2,1,1) , b (3, 2, 4) ;

2)

a (1, 2, 4) , b (2, 1, 3) ;

3)

a (5, 2, 2) , b (3, 3, 4) ;

4)

a (2, 2,1) , b ( 2, 3, 0) ;

5)

a (2, 4,1) , b (3,1, 2) ;

6)

a ( 2,1,1) , b (0, 2, 5) ;

7)

a (0,1,1) , b (3, 1, 0) ;

8)

a (0, 1, 1) , b (1, 3,8) ;

9)

a ( 2,1, 0) , b (1, 0, 1) ;

10)

a (0,1,1) , b ( 3, 1,1) ;

11)

a ( 2,1,1) , b (1, 0, 1) ;

12)

a ( 2,1, 2) , b ( 1, 0, 3) ;

13)

a (1, 1, 1), b ( 2, 3, 1) ;

14)

a (2, 1, 3) , b (0,1,1) ;

15)

a (2,1, 2) , b ( 1, 0, 2) ;

16)

a (1, 1, 0), b (0, 3, 2) ;

17)

a (2,1, 0) , b (1,1, 3) ;

18)

a (2,1, 2) , b (0,1,1) ;

19)

a (1, 0, 1), b (0, 3, 1) ;

20)

a (0,1,1) , b ( 3, 1,1) .

ЗАДАЧА 4. Выясните, компланарны ли данные векторы:

1)

a (3, 7, 2) ,

 

b ( 2, 0, 1), c (2, 2,1) ;

2)

a (1, 2, 6) ,

 

b (1, 0,1) ,

c (2, 6,17);

3)

a (6, 3, 4) ,

 

b ( 1, 2, 1) ,

c (2,1, 2) ;

4)

a (2, 3, 2) ,

 

b (4, 7, 5) ,

c (2, 0, 1) ;

5)

a (5, 3, 4) ,

 

b (1, 0, 1) ,

c (4, 2, 4) ;

6)

a (3,10, 5) ,

 

b ( 2, 2, 3) ,

c (2, 4, 3) ;

7)

a ( 2, 4, 3) , b (4, 3,1),

c (6, 7, 4) ;

8)

a (3,1, 1) ,

 

b (1, 0, 1) ,

c (8, 3, 2) ;

9)

a (4,1, 2) ,

b (9, 2, 5), c (1,1, 1) ;

10)

a (5, 3, 4) ,

 

b (4, 3, 3) ,

c (9, 5, 8) ;

11)

a (7, 3, 4) ,

b ( 1, 2, 1) ,

c (4, 2, 4) ;

77

12)

a (3, 4, 2) ,

b (1,1, 0) ,

c (8,11, 6) ;

13)

a (4, 1, 6), b (1, 3, 7) ,

c (2, 1, 4) ;

14)

a (3,1, 0) ,

b ( 5, 4, 5) ,

c (4, 2, 4) ;

15)

a (3, 0, 3) ,

b (8,1, 6),

c (1,1, 1) ;

16)

a (1, 1, 4) ,

b (1, 0, 3),

c (1, 3, 8) ;

17)

a (6, 3, 4) ,

b ( 1, 2, 1) ,

c (2,1, 2) ;

18)

a (4,1,1) ,

b ( 9, 4, 9) ,

c (6, 2, 6);

19)

a (3, 2,1) ,

b (1, 3, 7) , c (1, 2, 3) ;

20)

a (6, 7, 4) ,

b (4, 3,1),

c (2, 0, 1) .

ЗАДАЧА 5. Дан параллелограмм ABCD , три вершины которого заданы. Найдите четвертую вершину D и острый угол параллелограмма.

1)

A( 1, 2, 3) ,

B( 4,1, 2) ,

C(5, 2, 7) ;

2)

A(1, 2, 3) ,

B(3, 4, 2) ,

C( 4, 3, 2) ;

3)

A(2, 3, 1) ,

B( 3, 5, 3) ,

C(4, 3, 4) ;

4)

A(3, 4, 2) ,

B( 5, 2, 3) ,

C( 1, 7, 2) ;

5)

A( 5, 2, 4) ,

B( 3, 4, 2) ,

C(6, 3, 3) ;

6)

A( 4, 3, 5) ,

B(2, 5, 6) ,

C( 2, 3, 5) ;

7)

A(4, 2, 3) ,

B( 5, 6, 4) ,

C( 2, 3, 4) ;

8)

A( 4, 5, 2) ,

B( 1, 5, 8) ,

C(3, 2, 4) ;

9)

A( 5, 3, 2) ,

B(3, 4, 5) ,

C(4, 2, 3) ;

10)

A( 3, 2, 6) ,

B( 4, 5, 2) ,

C(1, 3, 5) ;

11)

A( 2, 3, 1) ,

B(1, 2, 4) ,

C(2, 7, 5) ;

12) A(2, 3,1) ,

B( 4, 2, 3) ,

C( 3, 2, 4) ;

13) A( 3, 1, 2) ,

B(5, 3, 3) ,

C(3, 4, 4) ;

14)

A( 4, 2, 3) ,

B(2, 3, 5) ,

C(7, 2, 1) ;

15) A(2, 4, 5) ,

B( 4, 2, 3) ,

C( 3, 3, 6) ;

16)

A( 3, 5, 4) ,

B( 5, 6, 2) ,

C(3, 5, 2) ;

78

17)

A(2, 3, 4) ,

B(6, 4, 5) ,

C( 3, 4, 2) ;

18)

A(5, 2, 4) ,

B( 5, 8, 1) ,

C( 2, 4, 3) ;

19)

A( 3, 2, 5) ,

B(4, 5, 3) ,

C(2, 3, 4) ;

20)

A(2, 6, 3) ,

B( 5, 2, 4) ,

C( 3, 5,1) .

ЗАДАЧА 6. Даны вершины треугольника ABC . Найдите его площадь и косинус внутреннего угла B .

1)

A( 1, 3, 3) ,

B(2, 2,1) ,

C(0, 3, 2) ;

2)

 

A( 3,1, 3),

B(1, 7, 2) ,

C(7, 3, 3) ;

3)

 

A(0, 2,1),

B(4, 0,1) ,

C(3, 4, 2) ;

4)

 

A( 1, 2,1),

B( 4, 3,1) ,

C(5, 4, 2) ;

5)

 

A(2, 3, 1) ,

B( 3, 4,1) ,

C( 2, 2, 4) ;

6)

 

A(3, 4, 6),

B(1, 2, 6) ,

C( 3, 5,1) ;

7)

 

A(4, 3, 2),

B( 1, 4, 3) ,

C(6, 3, 2) ;

8)

 

A(0, 3, 4),

B(1,1, 2) ,

C(5, 0, 4) ;

9)

 

A(2, 1, 0),

B( 2,1,1) ,

C(2, 2, 1) ;

10)

A( 1, 7,1),

B(3, 1, 2) ,

C( 5, 3,1) ;

11)

A(2, 3, 4),

B( 4, 3, 0) ,

C(2, 6, 2) ;

12)

A(3, 2, 2) ,

B(0, 1, 3) ,

C(1, 2, 2) ;

13)

A(3, 4, 2) ,

B(2,1, 5) ,

C(5, 2, 2) ;

14)

A(5, 0, 4),

B(4, 1,1) ,

C(7, 0, 2) ;

15)

A(2, 2, 2),

B(3, 5, 7) ,

C(4,8, 0) ;

16)

A( 1, 2, 7),

B(3,1, 4) ,

C(4, 5,1) ;

17)

A(2, 6, 4),

B(1, 3, 3) ,

C(4, 4, 4) ;

18)

A( 1, 2, 0),

B(1, 4, 5) ,

C( 4, 6, 3) ;

19)

A(2, 5, 2),

B(1, 3, 2) ,

C(2, 3, 0) ;

20)

A(2,1, 5),

B(1, 3, 2) ,

C(4, 5, 3) .

79

ЗАДАЧА 7. Найдите уравнение прямой, проходящей через данные точки A и В. Преобразуйте полученное уравнение к виду: а) общему, б) каноническому, в) параметрическому, г) в отрезках, д) с угловым коэффициентом. Постройте прямую.

1)

A( 1, 2) ,

B(4, 6) ;

2)

A( 3, 4) ,

B(11, 7) ;

3)

A( 2, 5) ,

B(8, 3) ;

4)

A( 1, 3) ,

B(4, 5) ;

5)

A( 5, 6) ,

B( 3, 2) ;

6)

A(1, 7) ,

B(2, 6) ;

7)

A(2, 6) ,

B(5, 3) ;

8)

A( 5, 7) ,

B(4,1) ;

9)

A(1, 4) ,

B( 1, 2) ;

10)

A( 4, 6) ,

B(5, 2) ;

11)

A(1, 7) ,

B(12, 5) ;

12)

A( 8, 3) ,

B(4, 6) ;

13)

A( 4, 6) ,

B(8, 3) ;

14)

A(1, 2) ,

B( 3, 4) ;

15)

A(6, 3) ,

B(1, 2) ;

16)

A( 1, 2) ,

B(5, 3) ;

17)

A( 2, 4) ,

B(4, 3) ;

18)

A(3, 5) ,

B(12, 5) ;

19)

A( 3, 7) ,

B(7, 8) ;

20)

A( 3, 4) ,

B(7, 5) .

ЗАДАЧА 8. Найдите уравнение прямой, которая проходит через точку A и через точку пересечения двух данных прямых.

1)

A(1, 2) ,

2x y 1 0 ,

x 3y 4 0 ;

2)

A(4, 3) ,

5x 2 y 1 0 ,

2x 3y 4 0 ;

3)

A(1, 1) ,

7x 2 y 5 0 ,

x 5 y 4 0 ;

4)

A(0, 3) ,

x 4 y 3 0 ,

x 5 y 4 0 ;

5)

A(2, 2) ,

3x 2 y 1 0 ,

x 3y 4 0 ;

6)

A( 2, 0) ,

2x 3y 5 0 ,

x 4 y 3 0 ;

7)

A(1, 2) ,

2x y 6 0 ,

3x 5 y 5 0 ;

8)

A(2,1) ,

2x y 3 0 ,

3x 5 y 11 0 ;

9)

A( 1, 3) ,

3x 2 y 5 0 ,

x 2 y 1 0 ;

10) A(2, 3) ,

x y 2 0 ,

x 2 y 1 0 ;

80