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

П.Геворкян. Сборник задач по высшей математике

.pdf
Скачиваний:
355
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
1.95 Mб
Скачать

§ 1.5. Обратная матрица

31

 

 

Определить, при каких значениях существует обратная матрица для матрицы .

1.99. =

6

 

4

.

 

 

1.100. =

 

3

−1

0

.

 

 

9

8

7

 

 

 

 

 

1

0

 

 

3 2 1

 

.

 

4 −1

2

1.101. =

 

9/4

3

0

1.102. =

 

1

5

.

 

 

 

 

1

 

2

2

 

 

 

2

3

1

 

 

 

 

2

 

1

 

−1 7

8

 

 

9

 

10

11

.

 

 

 

 

 

 

1.103. =

1

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4

 

.

 

 

 

 

 

1.104. =

0

1

2

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

3

−1

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

6

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

1

 

0

 

 

 

 

 

 

1.105. =

 

0

2

2

 

−1

.

 

 

 

 

 

 

 

3

−2

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решить матричные уравнения.

1.106. (

2

−3

)

· = (

1

−4

).

 

 

 

 

1

 

2

 

=

 

2

3

 

 

 

 

1.107.

 

−3

 

1

4

1

.

 

 

 

 

 

· ( −1

 

 

)

 

5

6

 

 

 

 

 

 

 

2

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

1

 

 

 

 

 

1.108. (

 

 

)

· · (

 

 

 

 

 

 

).

 

1

1

2

1

) = (

−2

0

 

 

4

3

 

 

 

 

6

8

 

 

5

4

 

.

1.109.

3

 

 

2

4

 

=

2

2

 

1

 

 

1

 

 

2

3

 

 

 

1

3

 

0

 

 

· 2 −1

0 −1 −2

 

4

32

Глава 1. Матрицы и определители

 

 

1.110.

 

3

2

2

 

=

 

2

2

.

 

 

1

2

1

 

 

 

1

0

 

 

3

−1

−2 ·

 

−3

1

§ 1.6. Ранг матрицы

1 . Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы. Рассмотрим матрицу размерности

× :

= 21

22

· · ·

2

.

(1.16)

 

11

12

 

1

 

 

· · ·

· · ·

·· ·· ··

· · ·

 

 

1

2

· · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Через обозначим -ю строку матрицы (1.16):

= ( 1 2 . . . ),

где = 1, 2, . . . , .

Строки 1, 2, . . . , называются линейно зависимыми, если су- ществуют такие числа 1, 2, . . . , , не все равные нулю, что спра-

ведливо равенство

 

1 1 + 2 2 + . . . + = ,

(1.17)

где = (0 0 . . . 0) — нулевая строка.

Строки 1, 2, . . . , называются линейно независимыми , если они не являются линейно зависимыми, иными словами, если равенство (1.17) возможно лишь в случае 1= 2 =. . . = = 0.

Точно также определяются понятия линейной зависимости и линейной независимости столбцов матрицы.

1.111. Доказать, что строки (столбцы) матрицы явля-

ются линейно зависимыми тогда и только тогда, когда одна из этих строк (столбцов) является линейной комбинацией остальных строк (столбцов).

 

§ 1.6. Ранг матрицы

33

 

 

Пусть 1, 2, 3

и 1, 2, 3, 4, соответственно, строки и

столбцы матрицы

 

 

 

0

2 .

= 2

2

 

 

1

3

2

1

 

 

0

1

2

5

Найти следующие линейные комбинации.

1.112. 3 1 + 2 2.

1.113. 2 1

2

+ 3.

1.114.

2 1 2 + 2 4.

1.115. 2

− 2 3 + 4.

1.116.

1 + 2 2 − 3 3.

1.117. 1 − 2 2

+ 3 + 3 4.

Заданы те же, что и выше. Найти строку (столбец) из уравнения.

1.118. + 1 − 2 2 = 0.

1.119. 2 − 1 + 2 2 + 3 = 0.

1.120. 2 1 + 2 + 2 2 3 = 0.

1.121. 1 − 2 2 + 3 − = 0.

1.122. Доказать, что столбцы 1, 2 и 3 линейно незави- симы.

1.123. Доказать, что столбцы 2, 3 и 4 линейно зависимы.

2 . Понятие ранга матрицы. Пусть в матрице размера × выбраны произвольно строк и столбцов ( 6 min( , )). Определитель квадратной матрицы -го порядка, составленной из элементов, стоящих на пересечении выбранных строк и столбцов, называется

минором -го порядка матрицы .

Рангом матрицы называется максимальный порядок отличных от нуля миноров. Ранг матрицы обозначается через rang .

Итак, если rang = , то это означает, что: 1) существует минор-го порядка матрицы , который отличен от нуля, и 2) все миноры ( + 1)-го и более высокого порядка матрицы (если таковые существуют) равны нулю.

34

Глава 1. Матрицы и определители

 

 

Если rang = , то любой отличный от нуля минор порядка

называется базисным минором. Строки и столбцы, определяющие базисный минор, называются базисными строками и базисными столбцами соответственно.

Т е о р е м а 1.1 (Теорема о базисном миноре). Базисные строки (базисные столбцы) матрицы линейно независимы, при этом любая строка (любой столбец) матрицы является линейной комбинацией ее базисных строк (базисных столбцов).

Из последней теоремы, в частности, следует, что ранг матрицы равен максимальному числу ее линейно независимых строк (столбцов).

Приведем основные методы вычисления ранга матрицы.

а) Метод окаймляющих миноров . Пусть в матрице найден минор -го порядка , отличный от нуля. Рассмотрим лишь те миноры

( + 1)-го порядка, которые содержат в себе (окаймляют) минор .

Если все эти окаймляющие миноры равны нулю, то ранг матрицы равен . А если среди этих окаймляющих миноров есть ненулевой

( + 1)-го порядка), то весь этот процесс повторяется.

П р и м е р 1.11. Найти ранг матрицы

 

1

 

0

1

2

 

=

2

 

3

1

7

.

0

−1

1

1

Р е ш е н и е. Минор второго

порядка,

расположенный в левом

верхнем углу матрицы , отличен от нуля:

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2

3

̸= 0.

минор

 

:

 

Существуют два минора, окаймляющие

 

 

1 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

1 ,

2 =

2

3

7 .

 

 

1

 

0

1

 

 

 

1

0

2

 

 

0

 

1

1

 

0

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оба эти минора равны

нулю, следовательно

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rang = 2

2

б) Метод элементарных преобразований . Будем говорить, что матрица размера × имеет верхний (нижний) треугольный вид,

если все ее элементы, расположенные ниже (выше) элементов 11,22, . . . , , = min{ , }, равны нулю.

§ 1.6. Ранг матрицы

35

 

 

Говорят, что матрица имеет ступенчатый вид, если она имеет либо верхний, либо нижний треугольный вид.

Метод элементарных преобразований вычисления ранга матрицы основан на следующих двух фактах: 1) при элементарных преобразованиях ранг матрицы не меняется (см. задачу 1.137) и 2) ранг ступенчатой матрицы равен числу ненулевых элементов 11, 22, . . . ,( = min{ , }) (см. задачу 1.138).

П р и м е р 1.12. Вычислить ранг матрицы

=

2

0

−1

3

.

 

1

3

−2

2

 

2

0

 

3

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

0

5

 

 

 

 

 

Р е ш е н и е. Если ко второй строке данной матрицы добавим первую строку, умноженную на −2, к третьей строке добавим первую,

умноженную на −1, и к четвертой строке добавим первую, умноженную на −2, то получим

=

2 0 −1 3

0

−6

3

−1 .

 

 

1

3

−2

2

 

 

 

1

3

2

 

2

 

 

2 0

 

3

0

 

0

6

1

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

0

5

 

 

 

0

0

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее, к четвертой строке полученной матрицы прибавим вторую строку, умноженную на −1. Получим

 

 

0

−6

3

−1

0

−6

3

−1 .

 

 

 

1

 

3

2

 

2

 

 

 

1

3

 

2

 

2

 

 

 

0

 

6

1

 

4

 

0

0

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

2

3

 

 

 

0

0

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наконец, к четвертой строке полученной матрицы, добавив третью строку, получим

 

 

0 −6

3

−1

0

−6

3

−1 .

 

 

 

1

3

 

2

 

2

 

 

 

1

3

2

2

 

 

 

0

0

 

2

 

3

 

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

2

3

 

 

 

0

0

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, rang = 3.

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36

Глава 1. Матрицы и определители

 

 

Вычислить ранг матрицы методом окаймляющих мино-

ров.

 

 

1

3

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.124. =

 

2

3

 

 

5

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

2

6

 

 

2

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

1

6

 

7

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

14

28

 

 

70 )

 

 

 

 

1.125. =

 

1

 

2

 

−3

 

−5 .

 

 

 

 

1.126. =

5

6

 

7

 

 

8

.

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

9

10

11

 

12

 

.

 

 

 

 

1.127. =

4

15

8

7

1

 

 

 

 

 

 

 

2

1

4

 

 

3

7

 

 

 

 

 

 

 

2

17

4

 

13

−9

 

 

 

 

.

1.128. =

3

−1

1

 

2

.

1.129. =

1

1

3

 

 

5

 

2

1

 

3

 

 

 

0

2

3

 

 

1

 

2 4 8

 

5 4 1

 

 

3

1 1 2

 

 

 

4 5 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Привести матрицу к ступенчатому виду.

 

 

 

 

1.130. =

0

2

 

 

1

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

4

0

 

5

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

1.131. =

 

3

 

1

 

−1

 

−2 .

 

 

 

 

 

2

3

 

−1

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.132. =

1

 

2

 

 

3

 

−1

 

 

 

 

 

 

1

1

 

3

 

 

5

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

5

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

1

−5

 

1

 

−3

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 1.6. Ранг матрицы

 

 

 

 

37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.133. = −2

2

−4

.

1.134. =

 

78

91

56

.

 

2

3

−1

 

 

 

26

30

18

 

0

5

 

0

 

26

31

21

 

 

 

 

 

 

 

 

78

91

57

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.135. =

4

−2

5

.

1.136. =

 

1

−1

−1

.

 

1

−1

0

 

 

 

1

2

1

 

7

6

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

0

 

 

 

1

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.137. Доказать, что элементарные преобразования не меняют ранг матрицы.

1.138. Доказать, что ранг ступенчатой матрицы размера× равен числу ненулевых элементов 11, 22, . . . , ( = = min{ , }) .

1.139. Доказать, что при транспонировании матрицы ее ранг не меняется.

Вычислить ранг матрицы методом элементарных преобразований.

1.140. =

4

−2

5

0

3

.

 

 

1

−1

0

3

2

 

 

2

−3

0

6

1

 

 

7

6

5

9

6

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1.141. =

1

1

1

.

 

 

1

1

2

1

 

 

2

3

0

−5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

2

5

−6

 

 

1.142. =

 

2

1

8

11

.

 

 

9

4

34

47

 

−13

−5

−46

−46

 

 

11

6

46

63

 

 

 

 

 

 

 

 

38

 

Глава 1. Матрицы и определители

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

−28

45

 

11

39

 

 

 

24

−37

61

 

13

50

 

 

 

 

−7

 

−18

 

 

 

1.143. =

 

25

32

11

.

 

 

31

12

19

43

55

 

 

 

 

42

13

29

55

 

 

 

 

 

68

 

 

§ 1.7. Комплексные числа

1 . Понятие комплексного числа. Алгебраические операции над комплексными числами. Упорядоченная пара = ( , )

действительных чисел называется комплексным числом. Число называется действительной частью (обозначается Re ), а число — мнимой частью (обозначается Im ) этого комплексного числа.

Два комплексных числа 1

= ( 1, 1) и 2 = ( 2, 2) называют-

ся равными, если 1 = 2 и 1

= 2. Комплексное число

= ( , )

считается равным нулю, если = 0 и = 0.

 

Операции сложения и умножения комплексных чисел 1

= ( 1, 1)

и 2 = ( 2, 2) определяются следующим образом:

 

1 + 2 = ( 1 + 2, 1 + 2),

(1.18)

1 2 = ( 1 2 1 2, 1 2 + 2 1).

(1.19)

Для суммы и произведения комплексных чисел вида ( , 0) спра-

ведливы формулы

 

 

 

( 1, 0) + ( 2, 0) = ( 1 + 2, 0),

( 1, 0)( 2, 0) = ( 1 2,

0).

Это позволяет комплексное число вида ( , 0) отождествить с действительным числом .

В операциях с комплексными числами особую роль играет комплексное число = (0, 1), которое называется мнимой единицей. Поль-

зуясь формулой (1.19), имеем:

2 = · = (0, 1)(0, 1) = (−1, 0) = −1.

Из формул (1.18) и (1.19) следует, что произвольное комплексное число = ( , ) можно представить в виде

= ( , ) = ( , 0) + (0, ) = ( , 0) + (0, 1)( , 0) = + ,

которое называется алгебраической формой записи комплексного числа.

§ 1.7. Комплексные числа

39

 

 

Алгебраическая форма записи комплексного числа позволяет производить операции с комплексными числами так же, как с алгебраическими многочленами.

П р и м е р 1.13. Вычислить: (1 + )2(3 − 4 ) + 3 .

Р е ш е н и е.

 

 

2(3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2)(3

4 ) + 3 =

 

(1 + )

 

 

 

2 − 4 ) + 3 = (1 + 2

 

 

= 2 (3 − 4 ) + 3 = 6 − 8

 

+ 3 = 8 + 9 .

2

 

 

 

 

 

Комплексное число

 

= − называется сопряженным к ком-

 

плексному числу = + . Справедливо равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 + 2.

 

 

 

 

 

(1.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частное двух комплексных чисел 1

= 1

+ 1 и 2

= 2 + 2

вычисляется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

=

 

1 2.

 

 

(1.21)

 

 

2

2

 

22 + 22

 

 

 

 

2

 

 

 

1 − 2

П р и м е р 1.14. Вычислить: 2 − .

Р е ш е н и е. Применяя формулы (1.20) и (1.21), получим:

1 − 2

=

 

(1 − 2 )(2 + )

=

4 −

3

=

4

 

3

. 2

 

 

 

 

 

5

2

 

 

(2

)(2 + )

 

5

 

5

 

 

 

 

 

 

 

Выполнить указанные операции.

1.144. (4 + 2 ) + (1 − ).

1.145.

(4 + 2 )(1 − ).

1.146. 3.

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.147.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.148.

 

1

.

 

 

 

1.149.

 

 

1

.

 

 

 

 

 

1 +

 

2

 

 

 

 

 

 

1.150.

 

1

 

.

 

1.151.

 

 

2

.

 

1

 

1

1

+

2

 

(1 + )3

1.152.

 

.

 

 

 

 

.

1 −

1.153.

 

 

 

 

1 −

40

Глава 1. Матрицы и определители

 

 

Пусть 1

 

= 2 − 5 , 2

= 3 + 4 . Выполнить следующие дей-

ствия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.154. 10 1 − 3 2.

 

1.155. 1 2.

1.156. 2

 

 

.

 

1.157. 1

 

.

2

 

2

1

 

.

 

1.159.

1

.

1.158.

 

 

 

2

2

 

Пусть 1

 

= 2 − 3 , 2

= 5 + 4 . Выполнить следующие дей-

ствия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.160. 10 1 − 3 2.

 

1.161. 1 2.

1.162. 2

 

.

 

1.163. 1

 

.

2

 

2

1

 

.

 

1.165.

1

.

1.164.

 

 

 

2

2

 

Решить уравнение.

 

 

 

 

 

 

1.166. 2

 

+ 4 + 7 = 0.

1.167. 2

− 5 + 9 = 0.

1.168. 2

 

+ + 1 = 0.

 

1.169. 2

− + 1 = 0.

2 . Тригонометрическая форма комплексного числа . Если на плоскости задана прямоугольная система координат , то каждому комплексному числу = + можно сопоставить точку с координатами ( , ) и, наоборот, каждой точке с координатами

( , ) можно сопоставить комплексное число

= + (рис. 1.2).

y

Плоскость, на

которой изображаются

комплексные числа, называется комплексной

Mплоскостью и обозначается C. Ось абсцисс на-

b

 

z =a +ib

зывается действительной осью, а ось орди-

 

 

 

 

 

 

 

 

нат — мнимой осью.

 

 

 

 

Число | | =

 

называется модулем

Ο

a

x

2 + 2

 

комплексного числа = ( , ). Угол , образо-

Рис. 1.2

ванный вектором

−−→

 

 

с осью , называется

аргументом числа = ( , ) и обозначается arg .