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

Сборник задач по высшей математике

.pdf
Скачиваний:
7375
Добавлен:
03.05.2015
Размер:
5.01 Mб
Скачать

треугольников с основаниями, параллельными главной диагонали. Три слагаемых, входящих в сумму (2.1) со знаком « - » , определяются аналогично, но относительно второй (побочной) диагонали:

«+»

2. Разложение определителя 3-го порядка по первой строке:

detA = an

0,22

О 23

^21

а23

 

О 21

0-22

(2.2)

032

озз

- а 12 • ^31

азз

+ ai3

^31

^32

 

 

При таком способе вычисления определителя каждый из трех элементов ciij первой строки умножается на определитель 2-го порядка, составленный из элементов матрицы А, оставшихся после вычеркивания 1-й строки и j-го столбца. При этом слагаемое с множителем aij умножается на число (—l)1"1"^:

( - 1 )1+2

 

 

detA = ( - 1 ) 1 + 1 • an <->21 0,22 0,23 +

Ol2

^21

^22

023

Ц31

OS2 O33

 

 

^31

932

озз

 

+

( - 1 )1+3

Ol3

a2i

a22

^23

 

 

 

 

^31

^32

4зз

Таким образом, вычисление определителя 3-го порядка сводится к вычислению 3-х определителей 2-го порядка. В общем случае можно вычислять определитель n-го порядка квадратной матрицы А, сводя его к вычислению п определителей (п — 1)-го порядка.

3. Разложение определителя п-го порядка по первой строке. Аналогично последней формуле, имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

<'21

а>12-«13

 

 

&*TL

 

022

023

 

0,2п

detA = (—1)1+1 • an

С 31

032

озз

Озп

сni

оп2

апз

 

 

 

 

20

 

 

 

&rt——

 

 

 

 

 

 

 

1+2

 

a 21

^22

 

^23

0-2n

 

+ ( - 1 )

ai2

^31

^32

 

^33

a>3n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0>nl ("П2 0>п3

an

 

 

 

 

 

a r t — —

 

 

-От

 

 

 

 

 

a2i

 

a22

 

^23

0>2n

 

 

+ ( - l ) 1 + 3 - a 1 3 -

^31

 

^32

 

<>33

a>3n

 

 

 

 

 

Q>nl

an2

 

L nS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

art——Q13

 

 

 

 

 

 

1+n

 

 

fl21

^22

^23

t>2 n

 

 

+

( - 1 )

ain

^31

^32

азз

С'Зп

 

 

 

 

 

 

 

 

0"nl 0>п2 0>п3

т. е.

 

^22

^23

а>2п

 

 

 

 

det А = ац

^32

^33

а>3п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а>п2 а>пз

 

 

 

 

 

^21

^23

 

а>2 п

а21

а22

а24

а>2 п

^31

^33

 

а>з п

^31

а32

^34

а>зп

- а 12

 

 

+ а13

 

 

 

 

0"п1 а>пг

 

 

^nl

^п2

0>п4

0>пп

 

 

 

 

 

a2i

а22

0>2п-1

 

 

 

. . . + ( - 1 )1+п

 

 

 

а>Зп-\

 

 

 

 

^31

^32

(2.3)

 

 

 

 

 

 

Q"nn—1

0"п1 0>п2

Аналогично задаются другие способы вычисления определителя п-го порядка — «разложение» по произвольной строке или произвольному столбцу — (2.4), (2.5).

Определителем

(детерминантом)

1-го порядка

квадратной

матрицы

А = (ail) называется значение ац: det А = ац.

 

 

Дополнительным

минором Mij к

элементу а^

квадратной

матрицы

А называется минор, составленный из элементов А, оставшихся после вычеркивания г-й строки и j-ro столбца.

21

Алгебраическим дополнением Ац к элементу ац квадратной матрицы

А (ац) называется произведение Ац — (—1)*+-? • Мц.

/ 1

2

3\

Например, в матрице I 4

5

6 1 минором М21 является определи-

\7

8

0 /

те ль, составленный из элементов матрицы, оставшихся после вычерки-

2

вания 2-й строки и 1-го столбца: ( ^—ё—&

 

 

 

8

0

 

2

3

"

 

Таким образом, М21 =

8

0

= 2 - 0 — 3 - 8 = -24; соответственно,

алгебраическим дополнением А21

будет число А21 = (—1)2+1 • М21 =

= ( - 1 ) 3 • ( - 2 4 ) = 24. В новых обозначениях, аналогично формуле (2.2), записывается формула «разложение определителя 3-го порядка по первой строке»:

з

det А = ап • Ац + а12 Аг2 + ai 3 • А13 = ^ а ^ Aij. 3=1

Аналогично формуле (2.3) записывается формула «разложение определителя n-го порядка по первой строке»:

п

det А = ацАц + ai2 • Ai 2 Н h ain _i • Ain _i + a i n Ain = ^ aij Aij. 3=1

4. Разложение определителя n-го порядка no i-й строке:

 

 

 

 

 

 

 

n

det A = ац Ац + a<2

H

 

h ain-1 • Ain-1 + a^n • Ain = ^ ац • Ац,

 

 

 

 

 

 

 

j=i

 

 

 

 

Уг = T~n.

(2.4)

5. Разложение определителя

n-го порядка

по j-му столбцу:

 

 

 

 

 

 

 

п

det А = aij • Aij -h a2j • A2j Л

 

 

Ь an-ij An-ij + an j • An<7- = ^ ац • A^-

 

 

 

 

 

 

 

i=l

 

 

 

 

Vi = M .

(2.5)

6.Метод приведения к треугольному виду заключается в приведении определителя (с помощью элементарных преобразований) к такому виду, когда все элементы, расположенные по одну сторону одной из диагоналей, равны нулю.

7.Метод рекуррентных соотношений состоит в том, что определитель n-го порядка выражают через определители того же вида, но более низкого порядка, используя элементарные преобразования и разложение по строке или столбцу.

22

Свойства определителей

1.Если у определителя какая-либо строка (столбец) состоит только из нулей, то определитель равен 0.

2.Если какие-либо две строки (два столбца) определителя пропорциональны, то определитель равен 0.

3.Если какую-либо строку (столбец) определителя умножить на произвольное число, то и весь определитель умножится на это число.

4.Если две строки (два столбца) определителя поменять местами, то определитель изменит знак.

5.Если к какой-либо строке (столбцу) определителя прибавить ка- кую-либо другую строку (столбец), умноженную на произвольное число, то определитель не изменится.

6.Определитель произведения матриц равен произведению их определителей.

Матрица, определитель которой равен 0, называется вырожденной; матрица, определитель которой не равен 0, называется невырожденной.

1.2.1.

Вычислить определитель второго порядка

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4

 

 

 

 

1

2

= 1 - 4 - 2 - 3 = - 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4

 

 

 

 

 

 

Вычислить

определители

второго

порядка:

 

 

 

 

 

 

1.2.2.

1

2

 

 

 

1.2.3.

- 3

5

 

 

 

 

- 3

- 4

 

 

 

о

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.4.

х

ху

 

 

 

1.2.5.

а

Ь

 

 

 

 

1

У

 

 

 

 

с

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.6.

COS if

Sin if

 

 

1.2.7.

tg (р

1

 

 

 

— sin (f

cos (f

 

 

- 1

tg <р

 

 

 

 

 

 

 

 

Решить

уравнения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.8.

2x +1

 

3

 

 

 

я + З

 

х- 1

 

 

ar + 5

 

2 = 0.

 

1.2.9.

1-х

 

х — 1

=

0.

1.2.10.

2x - 1

 

x + 1

=

- 6 .

1.2.11.

х - 2

 

у + 3

= 0.

 

x+2

 

x-1

 

 

 

-у-

3

 

х-2

 

1.2.12.

sin 2x

 

sin x

=

0.

 

 

 

 

 

 

 

cos x

cos 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.13.

Вычислить определитель 3-го порядка:

3

2

1

 

 

2

5

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4

2

 

 

23

О Вычисляя определитель разложением по первой строке, получим:

5

3

- 2 -

2

3

+ 1-

2

5

4 2

3 2

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

=3- (5 - 2 - 3- 4) - 2 • (2 - 2 - 3- 3) + 1 • (2 - 4 - 5 - 3) =

=3 • ( - 2 ) - 2 • ( - 5 ) + 1 • ( - 7 ) = - 3 .

Вычислить определители 3-го порядка:

 

 

 

1

2

3

 

 

 

1.2.14.

4 5 6

1.2.15.

 

 

 

7

8

9

 

 

 

1.2.16.

3

 

- 1

 

 

 

- 2

 

3

1.2.17.

 

 

 

4

 

- 3

 

 

 

 

1

1

1

 

 

1

1.2.18.

4

5

9

1.2.19.

 

8

 

16

25

81

25

49

64

1.2.20. Вычислить определитель с помощью «правила треугольников»

1

О

О

0

2

0

0

0

3

О Из шести слагаемых не равным нулю будет только одно: + 1 - 2 - 3 = 6. •

Вычислить определители с помощью «правила треугольников»:

 

0

0

1

 

0

X

0

1.2.21.

0

2

0

1.2.22.

У 0

0

 

3

0

0

 

0

0

z

 

0

1

0

 

 

 

 

1.2.23.

2

3

4

 

 

 

 

 

0

5

0

 

 

 

 

1.2.24. Вычислить определитель разложением по какой-нибудь строке или столбцу:

5

 

6

3

0

 

2

0 .

7

-

4

5

О Удобнее всего вычислять определитель разложением по строке или столбцу, содержащим наибольшее количество ну-

24

лей. Разложим определитель по 2-й строке:

 

2+1

6

3

 

2+2

 

5

3

+ ( - 1 ) 2 + 3 . 0 .

( - 1 )

 

- 4 5

+ ( - 1 )

 

7

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 • (25 - 21) = 8.

 

 

 

 

 

3

0

2

 

 

1.2.25. Вычислить определитель

- 5

3

- 1

 

 

 

 

 

 

6

0

3

 

 

О При разложении определителя 3-го порядка по строке или столбцу, знаки («+» или « - » ) перед слагаемым а^ • Мц проще всего запомнить в следующем виде:

+

-

+

-

+

-

+

-

+

Разложим определитель по 2-му столбцу:

32

-0 + 3. 6 3 - О = 3 • (9 - 12) = - 9 .

Вычислить определители 3-го порядка разложением по какой-нибудь

строке

или

столбцу:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3

 

 

 

 

 

 

0

а

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.26.

 

7

1

6

 

 

 

 

1.2.27.

 

Ь с d

 

 

 

 

 

 

 

6

0

5

 

 

 

 

 

 

0

е

0

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

- 3

 

 

 

1.2.28.

 

0

0

1

 

 

 

 

1.2.29.

 

0

1

- 1

 

 

 

 

 

4

5

6

 

 

 

 

 

 

3

- 2

1

 

 

 

 

 

 

sin a

cos а

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.30.

 

sin/?

cos/3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 7

cos 7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решить

уравнения

и

неравенство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0

 

 

3

 

 

 

 

- 1

 

 

- 2

 

1.2.31.

-1

 

7

 

х - 3 = 0 .

1.2.32.

 

2-Зх

 

 

5 > 0 .

 

5

-

3

 

 

6

 

 

 

 

3

 

 

1

 

 

- 1

 

 

0 2х + 3

 

6

 

3

 

 

х — 1

 

1.2.33.

 

3-х

 

 

1

 

1

= 0. 1.2.34.

 

1

 

0

= 0.

 

 

2я + 1 - 1

 

2

 

 

4 х + 2

2

 

1.2.35.

Доказать равенство, используя свойства определителей:

 

 

 

 

 

 

 

Oi

bi

ci + aix + b\y

 

 

Oi

bi

Ci

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

02

Ь*

C2 + Й2® + £>21/

=

02

62

С2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

03

Ъг

c3 + а3а: + b3y

 

 

аз

Ьз

сз

 

 

25

О Так как третий столбец левого определителя можно представить в виде суммы трех столбцов, этот определитель можно представить в виде суммы трех определителей:

 

bi

С\

 

аг

bi

а\х

 

аг

Ьг

Ь\у

а2

ь2

С2

+

а2

ь2

а2х

+

 

ь2

Ь2у

аз

Ьз

сз

 

аз

Ьз

а$х

 

а>з

Ьз

ЬзУ

Третий столбец во втором определителе пропорционален пер-

вому столбцу, а в третьем определителе — второму столбцу,

следовательно, оба этих определителя равны нулю. Что и за-

вершает доказательство.

Доказать

равенства:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а\ — хЬ\

а\ + хЬ\

 

 

а\

Ьг

 

 

 

 

С\

 

С\

 

 

1.2.36.

а2 — хЬ2

а2 + xb2

с2

= 2х

а2

Ь2

с2

 

 

 

аз — хЬз

аз + хЬз

сз

 

аз

Ьз

сз

 

 

 

а 1 + хЬ\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а\х + Ь\

с\

 

 

 

а\

Ь1

С\

1.2.37.

а2 + хЬ2

а2х -h Ь2

с2

= (1-2)

а2

ь2

С2

 

аз + хЬз

азх + Ьз

сз

 

 

 

аз

Ьз

сз

Вычислить, используя

свойства

определителей:

 

 

 

sin2 а

cos2

а

 

 

sin2 а

cos2 а

cos 2 a

1.2.38.

sin2 р

cos2 р

1.2.39.

sin2 р

cos2 р

cos2p

 

sin2 7

cos2

7

 

 

sm2 7

cos2 7

cos 27

 

 

b + c

 

 

 

 

 

 

1.2.40.

 

c + a

 

 

 

 

 

 

 

 

a + 6

 

 

 

 

 

 

1.2.41.

Вычислить определитель 4-го порядка разложением по строке

 

или столбцу:

- 2

- 3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д =

1

- 1

2

 

 

 

 

 

3

- 1

- 2

 

 

 

 

 

 

О

- 2

1

 

 

О Удобнее пользоваться разложением по строке или столбцу, содержащим наибольшее количество нулей. Разложим определитель по первой строке:

 

- 1

2

2

 

1 2

2

 

1 - 1

2

Д = ( - 2 ) .

- 1

5

- 2

— (—3) -

3

5

- 2

+ 0-

3

- 1

- 2

 

- 2

4

1

 

0

4

1

 

0

- 2

1

1

 

- 1

2

- 2 3

-

1 5

= - 2 • 9 + 3 • 31 + 0 - 2 • 6 = 63.

0

-

2

4

26

При вычислении определителей 4-го порядка разложением по строке или столбцу, знаки («+» или «—») перед слагаемым ац • Мц проще всего запомнить в следующем виде:

+ - + -

-

+

-

 

+

+

-

+

-

'

-+ - +

Аналогично, для вычисления определителя n-го порядка знаки расположены следующим образом (в «шахматном» порядке, слева вверху знак «+»):

+

-

+

- . . .

-

+

-

+ ...

+

-

+

- . . .

 

+

 

+ ...

1.2.42. Вычислить определитель 4-го порядка

а О 3 5

0 0 6

1 с 2

О О О

О Разложим определитель по 4-ой строке:

а

0

3

разложим определитель

Д = (+d) 0

0

6

по 2-ой строке

1

с

2

 

Вычислить

цу:

1.2.43.

1.2.45.

1.2.47.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

О

= —d

b - а - с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

с

 

 

 

 

 

 

определители,

используя

разложение

по

строке

или столб-

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

а

 

 

 

 

0

—а

 

-d

 

 

2

0

Ь

0

 

 

 

1.2.44.

а

0

 

—с

 

—е

 

 

3

с

4

5

 

 

 

Ь

с

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

0

0

0

 

 

 

 

d

е

 

0

0

 

 

1

1

3

4

 

 

 

 

2

- 3

 

4

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0

0

8

 

 

 

1.2.46.

4

- 2

 

3

2

 

 

 

 

3

0

0

2

 

 

 

а

Ь

 

с

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

4

7

5

 

 

 

 

3

- 1

 

4

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

с

о

Л

 

 

1

2

 

3

4

5

 

о

 

—0

Z

—4

 

 

2

3

 

7

10

13

 

о

 

Л

 

•о

о

 

 

 

 

—о

 

4

 

О

 

1.2.48.

3

5

 

11

16

21

 

с

 

7

*7

с

 

 

 

—0

 

(

5

0

 

 

2

- 7

 

7

7

2

 

8

 

- 8

- 6

 

 

 

 

 

 

 

1

4

 

5

3

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

1.2.49. Вычислить определитель приведением к треугольному виду:

 

1

1

1

1

 

1

 

- 1

1

1

1

 

1

 

- 1

- 1

2

2

 

2

Dn =

- 1 - 1

- 1

3 .

 

3

 

- 1

- 1

- 1

- 1 .

.

п —

О Прибавляя к каждой строке определителя первую строку, получим:

 

 

1

1

1

1

 

1

 

 

 

0

2

2

2

 

2

 

Dn

=

0

0

3

3

 

3

разложим по

0

0

0

4

 

4

первому столбцу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

0

 

п

 

 

 

2

2

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.0

3

3

 

3

 

повторяем разложение по

=

1 •

0

0

4

 

4

=

 

первому столбцу п — 2 раза

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

0

0

0

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

71— 1

 

 

= 1 • 2 • 3 •... • (п - 1) • п = п!

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.50. Вычислить определитель n-го порядка:

О

0

...

0

- 1

0

0

 

-1

о

Dn =

 

 

о

о

0

- 1

 

-1

о

 

о

о

ОРазложим определитель по первой строке:

0

0 . . .

0

- 1

0

0

- 1

0

Dn = ( - l ) n + 1 • ( - 1 )

 

 

= (—1)п + 2 Dn-\.

0

- 1

0

О

- 1

0

О

О

 

71 — 1

 

Аналогично Dn-i = ( - l ) n + 1

Dn-2

и т.д. Таким образом,

Dn = ( - 1 ) п + 2 • ( - l ) n + 1 . . . . . ( - 1 ) 2 + 2 Dx.

28

Учитывая, что

 

( - !)»+»

= ( - 1 ) " , ( - ! ) " + ! = (_1)«-1,

(-1)2+2 = ( _ 1 ) 2 ;

 

£>i = - 1 ,

 

получим выражение для Dn:

 

Dn =

l)n ' (—l)n _ 1 •... • (—l)2 • (—l)1

=

Вычислить определители

п-го порядка:

 

 

 

п

 

п

п

 

 

 

п

п

п

 

 

 

 

 

 

 

 

п

п — 1

п

 

 

 

п

п

п

 

 

п

 

п

п-2

 

 

 

п

п

п

 

1.2.51.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

п

п

 

 

3

п

п

 

 

п

 

п

п

 

 

 

п

2

п

 

 

п

 

п

п

 

 

 

п

п

1

 

 

1

 

2

3

. . .

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 1

 

0

3

. . .

 

п

 

 

 

 

1.2.52.

- 1

 

- 2

0

. . .

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 1

 

- 2

- 3 ...

 

0

 

 

 

 

 

1

 

2

3 . . .

 

п --2

п - 1 п

 

2

 

3

4 . . .

 

п -- 1

п

 

п

1.2.53.

3

 

4

5 . . .

 

п

п

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п — 1 п п . . .

 

п

п

 

п

 

п

 

п

п . . .

 

п

п

 

п

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.54.

2

2

 

 

 

 

 

 

1.2.55.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

11

п1

1п

1 1 1

п

1.2.56. Вычислить определитель n-го порядка методом рекуррентных соотношений:

 

2

1

0

0 .

.

0

0

 

1

2

1

0 .

.

0

0

Dn =

0

1

2

1 .

.

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

0 .

.

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

29