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

Матрицы и определители. методические указания для практических и самостоятельных работ по дисциплине «Элементы высшей математики». Хошимова Ф.Ф

.pdf
Скачиваний:
23
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
444 Кб
Скачать
☆

МАТРИЦЫ

И

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ

Методические указания для практических и самостоятельных работ по дисциплине

«Элементы высшей математики» для студентов 1-го и 2-го курса всех специальностей

Воронеж 2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Строительно-политехнический колледж

МАТРИЦЫ И ОПРЕДЕЛИТЕЛИ

Методические указания для практических и самостоятельных работ

по дисциплине «Элементы высшей математики» для студентов 1-го и 2-го курса

всех специальностей

Воронеж 2021

УДК 512.63(07) ББК 22.143я7

Составитель Ф.Ф. Хошимова

МАТРИЦЫ И ОПРЕДЕЛИТЕЛИ: методические указания для практических и самостоятельных работ по дисциплине «Элементы высшей математики» для студентов 1-го и 2-го курса всех специальностей / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ф. Ф. Хошимова. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. – 22 с.

Методические указания включают основные понятия и определения части раздела элементов линейной алгебры, приводятся примеры решения задач с использованием различных методов нахождения определителя, обратной матрицы и ранга матрицы, а также представлены задания для самостоятельной работы и контрольные вопросы по теме.

Предназначены для студентов среднетехнического образования 1-го и 2- го курсов всех специальностей.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле МУ ЛРУ (2) pdf.

Библиогр.: 3 назв.

УДК 512.63(07) ББК 22.143я7

Рецензент – Л. В. Стенюхин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики и механики ВГТУ

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Элементы высшей математики», которая входит в основу профессиональной образовательной программы, относится к математическому и общему естественнонаучному циклу учебного плана.

Каждое начало имеет своё фундамент, и как раз высшее математическое образование начинается с изучения раздела линейной алгебры, в которую входит теория матриц.

Целью методических указаний является формирование умения выполнять арифметические действия с матрицами, находить определители матриц, обратную матрицу и ее ранг.

Вметодических указаниях изложены основные формулы и понятия, включающие в себя умение и навыки в нахождении матрицы, а также вычисление определителя, обратной матрицы и ранга матрицы. Приведены различные методы, способы решения по конкретным правилам и свойствам матрицы, а также представлен ряд заданий для практического и самостоятельного решения, с образцом выполненного задания.

Вматематике часто сталкиваются с решением задач, представленных в виде таблиц чисел и называемых матрицами. На самом деле, матрицы удобно применять для решений многих задач компьютерной графики, операции с векторами или же, например, систем линейных уравнений, состоящих из нескольких уравнений для которого необходимо громоздкий способ решения обычным методом. Иными словами, матрица – эта наша первая ступенька к освоению линейной алгебры.

Общее положение и рекомендации при изучении темы

Целям и задачами самостоятельной работы студентов являются ознакомление с матричной символикой и основными понятиями алгебры матриц, а также научиться уверенно оперировать с матрицами.

Практическая и самостоятельная работа студентов помогает приобретать навыки и умения решения задач приёмами аналитической деятельности, а также формирует абстрактное представление логики мышления, что необходимо для осуществления межпредметных связей.

Пояснительная записка

Требования к результатам освоения дисциплины.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен уметь:

–У1. Выполнять операции над матрицами и решать системы линейных уравнений;

–У2. Решать задачи, используя уравнения прямых и кривых второго порядка на плоскости;

3

–

У3. Применять методы

дифференциального и

интегрального исчисления;

 

–У4. Решать дифференциальные уравнения;

–У5. Пользоваться понятиями теории комплексных чисел. В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать:

– З1. Основы математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии;

–З2. Основы дифференциального и интегрального исчисления;

–З3. Основы теории комплексных чисел.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен иметь

практический опыт:

 

 

–

П1.

Использования

информационно-коммуникационных

технологий в своей профессиональной деятельности.

–

П2. Создания стандартного продукта письменной коммуникации.

Изучение дисциплины направлено на формирование у обучающихся

следующих общих компетенций:

 

–

ОК 01. Выбирать способы

решения задач профессиональной

деятельности, применительно к различным контекстам.

–

ОК 02. Осуществлять поиск, анализ и интерпретацию информации,

необходимой для выполнения задач профессиональной деятельности.

Практическая и самостоятельная работа

Практика играет главную роль в организации учебно-воспитательного процесса, цель которого заключается в развитии умственных навыков студентов и применение ими полученных теоретических знаний. Существенным фактором математического образования является умение решать задачи, понимать их смысл и сущность, владеть методами и правилами их вычисления.

Целью выполнения самостоятельной работы по дисциплине: «Элементы высшей математики», является умение работать с самим собой, работать над своими ошибками в процессе освоения данной темы.

В ходе выполнения самостоятельной и практической работы ставятся следующие задачи:

•Разбор имеющих в учебно-методическом комплексе решений задач с ответами;

•Применения основных методов, правил и свойств в процессе выполнения практических и самостоятельных заданий;

•Закрепление теоретических знаний, полученных в процессе лекционных занятий;

•Совершенствование навыков, необходимых для успешного решения задач по математике;

4

•Формирование профессионально-значимых качеств будущего специалиста.

МАТРИЦЫ

Основные понятия матрицы

Матрицей называется прямоугольная таблица чисел (аij элементов), состоящая из m-строк и n- столбцов, которую записывают в следующем виде:

a11

a12

...

a1n

 

 

 

...

 

 

a21

a22

a2n

A =

...

... ... ...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

am2

...

 

 

am1

amn

Матрицы обозначаются прописными (заглавными) буквами латинского алфавита, например, A, B, C, ….

Числа, составляющие матрицу, называются элементами матрицы. Для обозначения элементов матрицы используются строчные буквы с двойным индексом, например, aij,

где i - номер строки, j - номер столбца. Приведем пример матрицы 2 на 2:

1 0 А = 2 5

Вы видите, что a11 = 1, a12 = 0, a21 = 2, a22=5 Обозначение для матриц:

–скобка (…) или […];

–знак равно |

Виды матриц 1) Квадратной матрицей называется матрица, у которой количество

строк равно количеству столбцов (размера n×n), число n называется порядком матрицы (m=n)

4

1

-7

 

-1

0

2

- квадратная матрица размера 3×3

 

4

6

7

 

2) Матрица называется прямоугольной, если количество строк не равно количеству столбцов (m≠ )

 

3

−1

0

 

B =

 

 

 

 

 

2

3

5

 

 

 

5

3) Нулевой матрицей называется матрица, все элементы которой равны нулю, т.е. aij = 0.

 

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

 

 

 

4) Матрица, содержащая 1 строку или столбец, называется вектор (вектор-строка или вектор-столбец)

1

4

-5

- векторстрока

 

8

-7 - вектор-столбец

3

5) Диагональной матрицей называется квадратная матрица, все элементы которой, стоящие вне главной диагонали, равны нулю. (главная и побочная)

 

3

0

0

 

 

0

−1

0

 

 

 

 

0

0

2

 

 

 

6) Единичной матрицей (Е) называется диагональная матрица, диагональные элементы которой равны 1.

 

1

0

0

 

 

 

0

1

0

 

= E

 

 

 

0

0

1

 

 

 

 

 

7) Квадратная матрица называется треугольной, если все элементы, расположенные по одну сторону от главной диагонали, равны нулю.

• Верхней треугольной матрицей называется матрица, все элементы которой ниже главной диагонали равны нулю.

Пример верхней треугольной матрицы.

 

1

1

− 8

 

 

0

5

3

 

 

 

 

0

0

0

 

 

 

• Нижней треугольной матрицей называется матрица, все элементы которой выше главной диагонали равны нулю.

6

Пример нижней треугольной матрицы.

 

1

0

0

 

 

6

1

0

 

 

 

 

− 2

0

5

 

 

 

• Транспонированная матрица – это преобразованная матрица, при котором её строки становятся столбцами с теми же номерами, а столбцы − строками. Обозначение: АТ.

Пример:

 

 

 

 

 

 

 

2

0

 

 

2

−1

 

 

 

 

 

А =

 

 

; АТ

=

 

 

;

 

−1

3

 

 

0

3

 

 

 

 

 

•

Ступенчатой

 

матрицей называется матрица, при котором

выполняются следующие условия:

Первое: удовлетворение условия при а11>0, т.е. число, стоящее в 1 строке и в 1 столбце должно быть не равным нулю, если а11=0, то преобразуем матрицу путём элементарных преобразований:

1.Перемена местами двух строк(столбцов).

2.Умножение строки(столбца) на число, отличное от нуля.

3.Прибавление к элементам одной строки(столбца) соответствующие элементов другой строки(столбца).

Второе: Все элементы матрицы под крайним элементом первой строки первого столбца (а11) делаем нулевыми. Тоже самое проводим простейшие операции относительной второй, третьей и т.д. строки так, чтобы образовалась визуально некая ступенька.

Третий этап: проверка удовлетворения условий

Пример:

 

1

4

− 2

2

 

 

0

2

3

7

 

 

 

А =

0

0

− 7

9

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

0

 

 

 

7

 

−1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

0

 

4

 

1.

 

2

 

1

 

 

 

 

2.

0

−3

A =

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

Задание для выполнения практической работы

Найти транспонированную матрицу:

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

1

2

3

A =

 

 

 

 

 

 

4

5

6

 

 

 

 

Привести матрицу к ступенчатому виду:

 

 

 

1

 

0

−1 −1

 

1

 

0

−1

−1 5×I+III

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

3

 

− 2 −1 0 II − 3 I ~

0

− 2

2 3

 

~

~

 

 

 

 

− 5

3

 

 

 

− 5

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 −1

 

 

2 −1

 

 

1 0 −1

 

−1

 

 

1 0

 

−1 −1

 

 

 

 

 

0 − 2

 

2

 

3

 

2×III+3×II

 

0 − 2

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

~

2

3

 

 

 

 

 

 

0 3

 

− 3

 

− 6

 

 

 

 

0 0

 

0 − 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3

− 2

 

 

 

2

3 − 2 3

 

 

 

 

2.

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 1

1

.

 

 

3

1 1 2

 

 

 

 

 

 

 

1 5

−

5

 

 

 

 

 

1

5 −5 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнение действий над матрицами

Сложение и вычитание

Операция сложения (вычитания) матриц выполняется для матриц одинаковых размеров (число строк и столбцов одной матрицы должны быть равны другой).

Чтобы найти сумму матриц, необходимо сложить элементы с одинаковыми индексами (стоящие на одинаковых местах):

8

 

a

a

 

...

a

 

 

b

b

 

...

b

 

 

 

 

11

12

 

 

1n

 

 

 

11

12

 

1n

 

A + B =

a21

a22

 

...

a2n

 

+

b21

b22 ...

b2n

=

 

...

... ... ...

 

 

...

... ... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am2

 

...

 

 

 

 

 

bm2 ...

 

 

 

 

am1

 

amn

 

bm1

bmn

 

 

a

+ b

 

a

+ b

 

 

 

...

a

+ b

 

 

 

 

 

11

11

 

12

12

 

 

1n

 

1n

 

 

 

 

a21 + b21

 

a22 + b22 ...

a2n + b2n

 

 

=

 

...

 

 

...

 

 

 

...

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ bm1

am2 + bm2 ...

 

 

 

 

 

 

 

am1

amn + bmn

 

 

Пример:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 −3

0

 

3

3 −1

 

5

0 −1

 

 

 

A+ B =

 

 

+

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

4 5

 

 

− 2 −5 4

 

 

 

0 10

 

 

 

 

 

6

 

 

 

2

 

 

 

 

Аналогично определяется разность матриц. Умножение матрицы на число.

Любую матрицу можно умножить на любое число, при этом все элементы матрицы умножаются на это число.

a

a

 

...

a

 

 

ka

ka

...

ka

 

 

 

11

12

 

...

 

1n

 

 

 

11

12

...

1n

a21

a22

 

a2n

 

ka21

ka22

ka2n

k A = k

... ... ... ...

 

=

...

... ... ...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am2

 

...

 

 

 

 

 

 

 

kam2

...

 

 

am1

 

amn

 

kam1

kamn

Пример:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 А = 2

 

2

0

 

 

4

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

−1

3

 

 

− 2

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Произведение матриц

Произведение матриц можно определить если выполняется условие, при котором число строк первой матрицы должны совпадать с числом столбцов второй матрицы, так как при произведении двух матриц (например, АВ) 1-ая строка матрицы А прикладывается к первому столбцу матрицы В, соответствующие элементы перемножаются, а произведения складываются.

9

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]