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

algebra.1semestr.lectures1-16

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
01.03.2016
Размер:
710.69 Кб
Скачать

Доказательство. Мы должны доказать, что

AB ¢ B¡1A¡1 = In = B¡1A¡1 ¢ AB :

Проверим только первое равенство:

AB ¢ B¡1A¡1 = A(BB¡1)A¡1 = A ¢ In ¢ A¡1 = AA¡1 = In :

¤

Сейчас мы покажем, что в определении обратной матрицы одно равенство можно опустить.

Лемма 114. Если AB = In и CA = In, то B = C = A¡1. Доказательство. Используя ассоциативность, получаем

C = C ¢ In = C(AB) = (CA)B = InB = B :

¤

Следствие 115. Если AB = In для квадратных матриц A и B одинакового размера, то

B = A¡1.

Доказательство. Поскольку det A =6 0, то найдется такая матрица C, что CA = In, следо-

 

вательно C = B по предыдущей лемме.

 

 

¤

 

 

 

 

13.

Лекция 12

 

 

L12

 

 

 

 

 

13.1. Правило Крамера. Рассмотрим систему линейных уравнений

 

 

 

 

 

( )

>

a x + : : : +a x = b

 

 

 

 

+ : : : +a1nxn = b1

 

 

 

 

8 a11x1

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

¤

> .

.

 

 

 

> .

.

 

 

 

 

 

> .

.

 

 

 

 

 

<

21 1

2n n

2

 

 

 

 

>

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

>

 

+ : : : +annxn = bn

 

 

 

 

>an1x1

 

 

 

 

числом уравнений и неизвестных такую, что ее матрица A = (a

 

) невырож-

 

с одинаковым :

 

 

 

ij

 

дена.

kramer Теорема 116. Система (¤) имеет единственное решение, задаваемое следующими фор-

мулами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 =

¢1

;

x2 =

¢2

;

: : : ; xn =

¢n

;

¢

 

¢

¢

 

 

 

 

 

 

где ¢ = det A, а ¢i определитель матрицы, полученной из A заменой i-го столбца

¹t

столбцом b свободных членов.

41

Доказательство. Запишем систему в виде Ax¹

t

 

 

 

 

¹t

, где x¹

t

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

= b

 

= (x1; : : : ; xn) столбец неиз-

вестных. Поскольку ¢ 6= 0, то матрица A имеет обратную. Тогда (объясните почему!) наша

СЛУ имеет единственное решение x¹t = A¡1¹bt. Поскольку A¡1 = 1=¢

¢

(Aij)t, то

 

 

 

xi = ¢ ¢ (A1i : : : Ani) ¢ Ãb...n !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ¢(b1A1i + ¢ ¢ ¢ + bnAni):

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По теореме Лапласа это выражение равно определителю матрицы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0a11...

 

: :...:

b...1 : :...:

 

a1...n1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ban1

 

: : :

bn : : : annC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¤

полученной из A заменой i-го столбца столбцом свободных членов.

 

 

 

Пример 117. Решить систему уравнений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

2x1 ¡ x2

 

 

+x3 = 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 x1 + 2x2

 

 

3x3 = 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

¡ 3x2 +4x3 = 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>3x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим сначала

 

определитель матрицы системы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¢ = ¯

1 2

 

 

 

3 ¯

 

R1$R2 =

 

 

 

2 1 1

 

R2¡2R1 =

 

 

 

 

 

 

¯

2 ¡1

 

 

 

1

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

1

 

2

 

¡3

¯

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

3 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

3 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

¯

¡¡¡¡¡!

¡

¯

 

 

 

¡

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

¡

 

 

 

¯

¯

 

 

 

 

 

 

 

¯ ¡¡¡¡¡3 !1

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

1

 

 

¯

 

 

 

 

3

 

 

 

 

¯

 

 

 

¡

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯2

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

R

 

3R

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

¯

 

 

¡

 

¯

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

0

 

¡

 

13

 

¡ ¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

9

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

¯

0

 

¡

 

7

¯

 

 

 

(

65 + 63) = 2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

5

¯ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поэтому система имеет единственное¯

 

решение.¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

3

 

 

¡1

 

 

 

1

 

¯

 

 

 

 

 

¯

¡1

1

 

¡2

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

3

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¢1

=

¯

4 2

 

 

 

 

 

3

 

¯

 

+R2 =

¯

 

 

4 2

 

 

3

¯

R2¡4R1 =

 

 

 

¯

 

 

¡

 

¯

R1

¯

 

 

 

¡

¯

 

 

 

 

 

 

¯

¡

 

 

¡

 

 

 

 

¯

¡¡¡¡!

 

¯

¡

 

¡

 

 

¯

¡¡¡¡¡3 !1

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

1

 

 

1

¯

 

 

2

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

R +9R

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

¯

¡

 

 

 

 

 

 

¯

¡

¯

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

6

 

 

 

14 ¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

¯

0

 

 

 

 

2

 

5

¯

 

 

 

 

 

(28 30) = 2 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

¯ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¢1

 

2

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда x1 =

 

 

=

2

= 1.

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¢

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично вычисляем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¢2 = ¯

1 4 3 ¯

R1$R2 =

 

 

 

2 3 1

 

R2¡2R1 =

 

 

 

 

 

 

¯

2

 

 

3

 

 

 

1

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

1

¡4

¡3

¯

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 9

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 9

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

¡

 

 

 

¡

 

 

¯

¡¡¡¡¡!

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

¡¡¡¡¡3 !1

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

¡ ¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

1

 

 

¯

 

 

3

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯4

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

R

 

 

3R

 

 

 

 

 

 

 

¯

=

 

 

¯

0

 

¡¯

 

¡

 

 

¯ =

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

¯

0

 

21

13

¯

¡

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

42

 

откуда x2 =

¢2

= 24 = 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¢

 

= 1, x2 = 2 в первое уравнение, получаем 2 ¢ 1 ¡ 2 + x3 = 2,

 

Подставляя теперь x1

 

следовательно x3 = 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.2. Определитель Вандермонда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 118. Для любых x1; : : : ; xn имеем

 

 

 

 

 

 

van

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

: : :

1

¯

 

 

 

 

 

¯ ..

..

..

.

..

 

1 i<j

j

¡

i

¯ .

.

 

.

¯

 

n

 

¯

 

x1

x2

: : :

xn

¯

 

·Y·

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

=

 

(x

 

x ) :

¯

 

1

2

 

 

n

¯

 

 

¯

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

¯

x1

x1

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

¯

: : : x1

¯

 

 

 

 

 

¯

¯

 

 

 

 

 

Доказательство. Применим индукцию по n ¸ 2, причем случай n = 2 очевиден. Предположив, что утверждение верно для всех чисел < n, и докажем его для n. Последовательно применяя элементарные преобразования Rn ¡ x1R1, R1 ¡ x1R2, : : : , R2 ¡ x1R1, получаем

¯

1

 

 

 

 

 

 

: : :

 

 

 

 

 

: : :

 

 

 

 

 

1

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

x2

¡

x1

 

 

 

: : :

 

xn

¡

x1

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

: : :

 

2

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¢ = ¯

0 x2

¡

x1x2

 

 

 

xn

¡

x1xn

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯ .

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

.

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯ ..

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

n

¡

1

 

 

 

 

 

n

2

 

 

 

 

 

 

n

1

 

 

 

 

n

2

¯

 

 

 

 

 

 

¯

0 x2

 

¡

x1x2¡

 

 

: : : xn¡

 

¡

x1xn¡

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

Разлагая по первому столбцу,¯

выводим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

¯

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 ¡ x1

 

 

 

: : :

 

 

 

xn ¡ x1

 

 

 

 

 

 

 

¢ =

 

x22

¡

x1x2

 

 

: : :

 

 

 

xn2

¡

 

x1xn

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

..

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

x1

 

 

 

x1x2

 

: : : x1

 

 

 

x1x2

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

2

 

 

 

¡

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

n

¡

 

 

 

n

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

столбца x3

 

 

x1, : : : , из

Вынесем теперь из первого¯

столбца за скобку x2

¡

x1, из второго¯

¡

последнего xn ¡ x1:

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

:: :: ::

1

 

 

 

 

 

 

¢ = (x

 

x )

 

 

 

 

 

 

(x

 

x )

 

¯

 

..

 

 

 

..

 

..

 

¯

:

 

 

 

 

 

2

¡

1

 

¢ ¢ ¢ ¢ ¢

 

 

n

¡

 

1

 

 

¢

¯

 

 

 

 

.

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

.

 

 

 

 

.

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

x2

 

 

: : : x2

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

2

 

 

 

 

 

n

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

По предположению индукции последний определитель¯

равен произведению¯

 

2 i<j

n(xj

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

Q

· ·

 

xi), откуда и получаем нужное равенство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¤

13.3. Вычисление обратной матрицы элементарными преобразованиями. Напомним, что элементарное преобразование строк Ri + ¸Rj соответствует умножению матрицы слева на элементарную матрицу Eij(¸), и эта матрица обратима: Eij(¸)¡1 = Eij(¡¸). Элементарные преобразования первого и второго типа также эквивалентны левому умножению на обратимые матрицы (выпишите их!).

43

Теорема 119. Следующие условия на (квадратную) матрицу A эквивалентны:

1)A обратима;

2)единичная матрица In является улучшенным ступенчатым видом A;

3)A является произведением элементарных матриц.

Доказательство. 3) ) 1). Если A = E1 ¢ : : : ¢ Es, то (поскольку элементарные матрицы обратимы), получаем A¡1 = Es¡1 ¢ : : : ¢ E1¡1.

1)) 2). Приведем A к улучшенному ступенчатому виду элементарными преобразованиями строк. Из того, что det A 6= 0 вытекает, что все ступеньки имеют длину 1, следовательно получившаяся матрица совпадает с In.

2)) 3). По сказанному выше получаем, что E1 ¢ : : : Es A = In для элементарных матриц

E1; : : : ; Es. Домножая справа на A¡1, получаем A¡1 = E1 ¢ : : : ¢ Es.

¤

Из этой теоремы вытекает простой практический метод вычисления обратной матрицы. А именно, приведем A элементарными преобразованиями строк к единичной матрице. Если одновременно применять те же элементарные преобразования к In, то на выходе мы получим обратную к A матрицу.

Действительно, как мы только что показали, если E1 : : : Es ¢A = In, то A¡1 = E1 : : : Es ¢In.

³1 2 ¡1 ´

Пример 120. Вычислить обратную к матрице A = 2 2 4 .

1 3 ¡3

A =

 

 

0 2 2 4

0 1 0 1

R2¡2R1

0

0

 

2 6

 

 

 

 

2 1 0 1 R2

$R3

 

 

 

B

1 2 ¡1

1 0 0

C

 

 

¡

B

1 2 ¡1

1 0 0

C

 

 

 

 

 

 

1 3

 

 

 

 

3

0 0 1

 

 

0 1

2

 

 

 

1 0 1

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

A

¡¡¡¡¡3 !1

@

 

¡

 

¡

 

 

 

¡

 

A

¡¡¡¡¡!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

1 2

 

 

 

 

1

1 0 0

C

 

 

 

B

1 0 3

 

3 0 ¡2

C

R 1=2

0

 

2 6

 

 

 

 

 

2 1 0

R1

¡2R2

0 0 2

 

 

 

4 1 2

3¢

 

0

0 1

 

¡2

 

 

¡

1 0 1

1

0

0 1

 

2

 

¡

1 0 1

1

 

@

 

 

¡

 

 

¡

 

 

 

A

¡¡¡¡¡3 !2

@

 

 

 

¡

 

 

 

A

¡¡¡¡!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

R +2R

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 R1¡3R3

0 0 1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

1 0

1

0

 

 

5 1

 

3

 

B

1 0 3

 

3

0 ¡2

C

¡¡¡¡¡2 !3

B

1 0 0

9 ¡3=2 ¡5

 

C

0 0 1

 

¡2 1=2 1

0 0 1

¡2 1=2

 

1

 

@

 

 

9

¡

 

 

¡

 

 

A

@

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

A

 

 

 

 

3=2

 

 

 

5

 

 

R +2R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, A¡

1

 

=

歭2

¡

 

 

 

¡

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1=2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44

14. Лекция 13

L13

14.1. Полиномы от одной переменной. Пусть F поле (например, F = R или F = C). Полиномом над F называют выражение вида f(x) = a0 + a1x + ¢ ¢ ¢ + anxn, где ai 2 F коэффициенты f. Обычно считают, что an 6= 0, и тогда n называют степенью f, deg f. Степень нулевого полинома полагают равной ¡1. Например, полиномы нулевой степениэто ненулевые константы c; полиномы первой степени это линейные функции ax + b, a 6= 0; и полиномы второй степени записываются в виде ax2 + bx + c, a 6= 0.

Множество всех полиномов обозначают F [x] и называют кольцом полиномов от одной переменной. При этом два полинома считаются равными, если они имеют одинаковые коэффициенты (ak = bk) при каждой степени xk. Определим операции на множестве полиномов. 1. Сложение. Пусть f = a0 + ¢ ¢ ¢ + anxn и g = b0 +P¢ ¢ ¢ + bmxm полиномы степени n и m. Тогда их суммой f + g называют полином h = k ckxk, где ck = ak + bk. Из этого определения вытекает, что deg(f + g) = max(deg f; deg g), если deg f 6= deg g; и deg(f + g) · max(deg f; deg g) в общем случае.

Последнее неравенство может быть строгое. Например, пусть f = 1 + 2x ¡ x2 и g = 2 ¡ 3x + x2. Тогда f + g = 3 ¡ x, следовательно deg(f + g) = 1 < 2 = max(deg f; deg g).

Нетрудно проверить (это вытекает из свойств сложения элементов поля), что операция сложения удовлетворяет следующим условиям:

1)f + g = g + f (коммутативность);

2)f + (g + h) = (f + g) + h (ассоциативность);

3)0 + f = f;

4)f + (¡f) = 0, где ¡f обозначает полином полученный из f сменой знаков коэффициентов.

Итак, F [x] является абелевой группой.

2.Умножение. Чтобы умножить полином f на g, нужно раскрыть скобки и привести подобные. Формальное определение выглядит так: fg = Pk ckxk, где ck = Pi+j=k aibj. Сразу из определения вытекает, что deg(fg) = deg f + deg g.

Например, вычислим результат умножения f = 1+x на g = 2¡x+x2. Умножим сначала 1 на 2 ¡ x + x2, затем x на 2 ¡ x + x2, а результат сложим:

2

¡x

+x2

 

 

2x

¡x2

+x3

2

+x

 

+x3

Итак, fg = 2 + x + x3. Нетрудно проверить, что выполняются следующие тождества.

1)fg = gf;

2)(f ¢ g) ¢ h = f ¢ (g ¢ h);

3)1 ¢ f = f;

4)(f + g)h = fh + gh.

Итак, множество полиномов F [x] образует коммутативное кольцо.

Кроме того, вычисляя степени, получаем fg 6= 0 для ненулевых полиномов f и g, то есть кольцо F [x] является (коммутативной) областью.

45

14.2. Деление с остатком на x ¡ ®. Пусть ® фиксированный элемент поля F .

Теорема 121. Для любого ненулевого полинома f(x) найдутся единственные полином g(x) и число c 2 F такие, что f(x) = g(x)(x ¡ ®) + c. Более того, c = f(®).

При этом g(x) называется частным при делении f на x ¡ ®, а константа c остатком.

Доказательство. Подставляя в формулу f = g(x ¡®) + c значение x = ®, получаем f(®) = g(®)(® ¡ ®) + c, следовательно c = f(®).

Докажем теперь единственность. Предположим, что f(x) = g0(x)(x ¡ ®) + c0 для другого полинома g0 и другой константы c0. По уже доказанному c0 = f(®) = c. Вычитая f = g0(x ¡ ®) + c0 из f = g ¢ (x ¡ ®) + c, получаем 0 = (g ¡ g0) ¢ (x ¡ ®). Поскольку F [x] область, из этого следует g = g0.

Докажем теперь существование индукцией по степени f. Если deg f = 0, то есть f = c 6= 0, то достаточно положить g = 0 и c = c. Предположим, что мы уже доказали наше утверждение для степеней меньших n, и рассмотрим случай deg f = n > 1. Рассмотрим вспомогательный полином h = f ¡ anx1(x ¡ ®). Поскольку старшее слагаемое anxn полинома f обнулилось при этой операции, то deg h · n ¡ 1.

По предположению индукции существуют полином g0(x) и константа c0 такие, что h(x) = g0(x)(x ¡ ®) + c0. Но тогда f(x) = h + anx1(x ¡ ®) = (g0 + anx1)(x ¡ ®) + c0. ¤

Такая редуктивная процедура не очень удобна для практической реализации. Простой алгоритм для деления доставляет схема Горнера.

Заметим, что равенство f = g ¢ (x ¡ ®) + c влечет deg g = n ¡ 1, поэтому будем искать g в виде g = b0 + ¢ ¢ ¢ + b1x1. Приравнивая коэффициенты при степенях x (начиная с xn), получаем

an = b1

a1 = b2 ¡ ®b1

: : :

a1 = b0 ¡ ®b1 a0 = c ¡ ®b0

Из этой системы мы последовательно находим b1; b2; : : : ; b1; c:

b1 = an

b2 = a1 + ®b1

: : :

b0 = a1 + ®b1 c = a0 + ®b0

Результаты этих вычислений записываются в виде таблицы

 

an

a1

: : :

a1

a0

®

b1

b2

: : :

b0

c

46

Например, разделим с остатком полином x4 ¡ 3x2 + x + 5 на x ¡ 2. Заполняем таблицу:

 

1

0

¡3

1

5

;

 

 

 

 

 

2

1

2

1

3

11

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда x4 ¡3x2 +x+5 = (x3 +2x2 +x+3)(2)+11. В частности, f(2) = 16¡12+2+5 = 11, как и записано в нижней правой клетке таблицы.

Если полином комплексный (или имеет большие коэффициенты), то этот алгоритм может быть использован для вычисления его значений. Например, пусть f = ix3 + (1 ¡ 2i)x2 ¡ 2(1 ¡ i)x + 2 и ® = 1 + i. Составляя таблицу

 

i

1 ¡ 2i

¡2 + 2i

2

;

 

 

 

1 + i

i

¡i

¡1 + i

0

 

получаем f(1 + i) = 0, то есть 1 + i корень полинома f.

Скажем, что полином f(x) делится на x ¡ ® (без остатка), если f(x) = g(x)(x ¡ ®) для некоторого полинома g.

Теорема 122. (теорема Безу) f(x) делится на x ¡ ® если и только если f(®) = 0, то есть ® корень f.

Доказательство. ). Если f(x) = g(x)(x ¡ ®), то f(®) = g(®)(® ¡ ®) = 0.

(. Разделим f(x) на g(x) с остатком: f(x) = g(x)(x ¡ ®) + c, где c = f(®). Но тогда c = f(®) = 0. ¤

Теорему Безу можно использовать для решения уравнений. Например, мы хотим найти корни кубического уравнения x3 + 2x2 ¡ 4x + 1 = 0. Хотя формула для решения таких уравнений известна11, ее применение весьма нетривиально. Однако нетрудно угадать один корень этого уравнения x1 = 1 (проверьте подстановкой!). Деля исходный полином на 1,

заключаем, что все оставшиеся корни нашего уравнения удовлетворяют уравнению x2 + 3x ¡ 1 = 0, то есть равны x2;3 = ¡3§p13 .

2

deg Теорема 123. Число корней ненулевого полинома не превосходит его степени.

Доказательство. Индукция по n, причем случай n = 0 очевиден. Пусть f полином степени n > 1, и ®1 2 F его корень. По теореме Безу получаем f(x) = g(x)(x ¡ ®1) для некоторого полинома g, и все оставшиеся корни f являются корнями g. Но deg g = n ¡ 1, поэтому можно использовать предположение индукции (завершите рассуждение!). ¤

Позже мы увидим, что над полем C любой полином степени n ¸ 1 имеет ровно n корней, если считать их с учетом кратности.

Следствие 124. Любой полином степени n однозначно определяется своими значениями в n + 1 (различных!) точках.

11и, хотя и называется "формула Кардано", была открыта другим итальянским математиком Николой Тарталья.

47

Доказательство. Пусть числа ®0; : : : ; ®n 2 F различны, и пусть f(®i) = g(®i) для неко-

 

f; g

 

n

 

Для h = f

 

g имеем deg h

 

n и

торых полиномов

 

, чьи степени не превосходят

 

 

.deg

¡

 

·

 

 

 

 

 

 

h(®i) = f(®i) ¡ g(®i) = 0 для любого i. По теореме

 

 

заключаем, что h нулевой поли-

 

123

 

ном.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¤

14.3. Кратность корня. Скажем, что ® 2 F k-кратный (k ¸ 1) корень полинома f(x), если f делится на (x ¡®)k, но не делится на (x ¡®)k+1. Мы говорим, что ® кратный корень f(x), если его кратность не меньше 2. Например, x = 2 двукратный корень полинома (x ¡ 2)2(x + 3)3, а ¡3 его корень кратности 3.

Теорема 125. ® 2 F является кратным корнем полинома f(x) если и только если ® является корнем f и его производной f0.

Доказательство. ). Имеем f(x) = (x¡®)2g(x) для некоторого полинома g, следовательно f0 = 2(x ¡ ®)g + (x ¡ ®)2g0 = (x ¡ ®)(2g + (x ¡ ®)g0), откуда f0(®) = 0.

(. Так как ® корень f, то f(x) = (x ¡ ®)g(x), следовательно f0(x) = g + (x ¡ ®)g0. Поставляя x = ® и учитывая f0(®) = 0, получаем g(®) = 0. Но тогда (по теореме Безу) g = (x ¡ ®)h(x) для некоторого полинома h, следовательно f = (x ¡ ®)g = (x ¡ ®)2h. ¤

15. Лекция 14

L14

Напомним, что мы полагаем степень нулевого полинома равной ¡1.

15.1. Деление с остатком.

resid Теорема 126. Пусть 0 =6 f; g 2 F [x]. Тогда существуют такие полиномы q(x) и r(x),

что deg r < deg g и

 

f(x) = q(x)g(x) + r(x) :

(1)

Более того, q (частное) и r (остаток) определяются этими условиями однозначно.

Доказательство. Докажем сначала единственность. Предположим, что имеется еще одно представление f = q0g + r0, где deg r0 < deg g. Вычитая это равенство из (1), получаем (q0 ¡ q)g = r ¡ r0. Но deg(r ¡ r0) · deg g. Если полином (q0 ¡ q)g ненулевой, то deg(q0 ¡ q)g ¸ deg g, что невозможно. Итак (q0 ¡ q)g = 0, следовательно q0 ¡ q = 0, то есть q0 = q. Но тогда r ¡ r0 = 0 влечет r = r0.

Докажем теперь существование разложения (1), используя индукцию по deg f = n ¸ 0. Случай n = 0 разбирается без труда (сделайте это!). Предположим, что мы уже доказали нужное утверждение для всех степеней меньших n, и рассмотрим случай deg f = n ¸ 1. Если deg g > deg f, то возьмем q = 0, r = f.

Пусть deg g = m · n. Запишем наши полиномы f = a0 + ¢ ¢ ¢ + anxn и g = b0 + ¢ ¢ ¢ + bmxm. Рассмотрим вспомогательный полином f1 = f ¡anb¡m1xn¡mg. Ясно, что deg f1 · n ¡1. Если f1 = 0, то f = anb¡m1xn¡mg поэтому можно взять q = anb¡m1xn¡m и r = 0.

Иначе, по предположению индукции, f1 = q1g + r1 для некоторых полиномов q1 и r1 таких, что deg r1 < deg g. Тогда f = f1 + anb¡m1xn¡mg = (q1 + anb¡m1xn¡m)g + r1 нужное представление f. ¤

48

Приведенное выше доказательство дает алгоритм деления одного полинома на другой, который соответствует делению столбиком. Например, разделим полином x4 + 2x2 ¡ x + 1 на x2 ¡ x + 1:

x4

+2x2

¡x+1

x2 ¡ x + 1

x4 ¡x3

+x2

 

 

x2 + x + 2

 

x3

+x2

¡x+1

 

x3

¡x2

+x

 

 

 

2x2 ¡2x+1

 

 

2x2 ¡2x+2

 

 

 

¡1

 

 

На первом шаге алгоритма мы делим x4 (старший член f) на x2 (старший член g), а результат x4=x2 = x2 записываем справа в частное. Затем умножаем весь полином g на x2, результат записываем слева под f и вычитаем. Деление заканчивается, когда старший член очередного полинома не делится на x2.

Итак, частное q равно x2 + x + 2, а остаток r = ¡1. Можно записать результат деления

в виде неправильной дроби:

 

 

 

 

 

 

x4 + 2x2 ¡ x + 1

= x2 + x + 2

 

1

 

:

x2 ¡ x + 1

¡ x2 ¡ x + 1

 

 

 

Пусть f и g ненулевые полиномы. Мы скажем, что g делит f (или f делится на g), в обозначениях g j f, если найдется такой полином h, то gh = f.

Следующие свойства отношения делимости аналогичны соответствующим свойствам целых чисел.

1)Если h j g и g j f, то h j f.

2)Если f j g; h, то f j g § h.

3)Если f j g1; : : : ; gn, то f j g1h1 + ¢ ¢ ¢ + gnhn для любых полиномов hi 2 F [x]. Действительно, пусть fui = gi, то f(u1h1 + ¢ ¢ ¢ + unhn) = g1h1 + ¢ ¢ ¢ + gnhn.

4)любая ненулевая константа c делит любой ненулевой полином f.

5)Если 0 6= ® 2 F , то g j f если и только если ®g j f (или g j ®f).

6)Если g j f и f j g, то f = ®g для некоторого 0 6= ® 2 F .

Действительно, пусть gu = f и fv = g для некоторых полиномов u и v. Тогда f = gu = fvu влечет f(1¡vu) = 0. Поскольку f 6= 0, из этого следует uv = 1, а тогда u = ® и v = ®¡1 для некоторой константы ®.

Определение 127. Полином d(x) называется общим делителем полиномов f и g, если d делит f и d делит g.

Например, x ¡ 1 является общим делителем полиномов x2 + x ¡ 2 и x3 + x ¡ 2.

Определение 128. Полином d называется наибольшим общим делителем f и g, если 1) d делит f; g и 2) d делится на любой другой общий делитель f и g.

Обычно мы нормируем НОД(f; g), домножая его на константу, так, чтобы старший коэффициент d стал равен 1. Тогда, по свойству 6), НОД(f; g) (если он существует) определен

49

однозначно. Ниже мы докажем существование наибольшего общего делителя и укажем алгоритм его вычисления.

Заметим (проверьте это!), что, если g j f, то g является наибольшим общим делителем f и g.

15.2. Алгоритм Евклида.

f-g Лемма 129. Пары полиномов f; g и g; f ¡gh имеют одинаковые наборы общих делителей.

Доказательство. Если d j f; g, то f = du и g = dv для u; v 2 F [x]. Тогда f ¡ gh = d(u ¡ vh). Предположим теперь, что d j g; f¡gh, то есть g = du и f¡gh = dv. Тогда f = d(v+uh). ¤

Изложим теперь алгоритм Евклида деления (ненулевого) полинома f(x) на ненулевой полином g(x).

Разделим f(x) на g(x) с остатком: f(x) = q1(x)g(x) + r1(x); deg(r1) < deg g. Если r1 = 0,

то НОД(f; g) = g.

 

f-g

 

 

 

 

 

Иначе, по лемме

 

 

НОД пары f; g равен НОДу пары g; r1

. Разделим теперь g на r1

:

 

129,

 

g = q1r1 + r2; deg r2 < deg r1. В частности, НОД(f; g) = НОД(g; r1) = НОД(r1; r2).

 

Если r2 = 0, то НОД(f; g) = НОД(r1; r2) = r1, иначе разделим r1 на r2 и т.д. Поскольку deg r1 > deg r2 > : : : , этот процесс обрывается, то есть rn+1(x) = 0 для некоторого n:

f = q1g + r1 g = q2r1 + r2 r1 = q3r2 + r3

: : :

r2 = qnr1 + rn r1 = qn+1rn :

Из приведенного выше рассуждения вытекает, что НОД(f; g) = rn последнему ненулевому остатку в процессе деления.

Например, найдем НОД полиномов f = x3 + x ¡ 2 и g = x2 + x ¡ 2. Выполняя первое

деление, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

+2

 

x2 + x ¡ 2

 

x3 +x2 ¡2x

x ¡ 1

 

 

¡x2 +3x

¡2

 

 

¡x2 ¡x+2

 

 

 

44

то есть q1 = x ¡ 1 и r1 = 4x ¡ 4. Выполняем второе деление:

x2 +2 4x ¡ 4

x2 ¡x 1=4 x + 1=2 22

22

0

50

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]