- •ВВЕДЕНИЕ
- •§ 1. Матрицы и простейшие операции над ними
- •Операции над матрицами
- •§ 2. Определители, их основные свойства и методы вычисления
- •2.1 Определители второго порядка
- •Свойства определителей второго порядка
- •2.2 Определители третьего порядка
- •2.3 Понятие об определителях высших порядков
- •§ 3. Обратная матрица и ее вычисление
- •4.2 Метод Крамера
- •4.3 Метод Гаусса
- •§ 5. Векторы, линейные операции над векторами
- •Линейные операции над векторами
- •§ 6. Проекция вектора на ось. Теоремы о проекциях
- •§ 7. Линейная зависимость векторов. Базис
- •7.1 Базис на плоскости и в пространстве
- •7.2 Прямоугольный Декартов базис. Декартова система координат
- •7.3 Направляющие косинусы вектора
- •7.4 Радиус-вектор
- •7.5 Условие коллинеарности двух векторов
- •7.6 Простейшие задачи
- •§ 8. Скалярное произведение векторов
- •8.2 Косинус угла между векторами
- •§ 9. Векторное произведение векторов
- •§ 10. Смешанное произведение трех векторов
- •§ 2. Прямая на плоскости
- •2.1 Общее уравнение прямой и его исследование
- •2.4 Уравнение прямой, проходящей через две данные точки
- •2.6 Уравнение прямой в отрезках
- •2.7 Нормальное уравнение прямой
- •2.8 Расстояние от точки до прямой
- •§ 3. Плоскость
- •3.1 Общее уравнение плоскости
- •3.2 Неполные уравнения плоскости
- •3.3 Уравнения плоскости в отрезках
- •3.4 Нормальное уравнение плоскости
- •3.6 Расстояние от точки до плоскости
- •§ 4. Прямая в пространстве
- •4.1 Уравнение линии в пространстве
- •4.2 Векторное уравнение прямой. Параметрические уравнения прямой
- •4.3 Канонические уравнения прямой
- •4.4 Уравнения прямой, проходящей через две точки
- •4.6 Прямая и плоскость в пространстве
- •§ 5. Плоские кривые второго порядка
- •5.1 Окружность
- •5.2 Эллипс
- •5.3 Гипербола
- •5.4 Парабола
- •§ 6. Преобразование системы координат на плоскости
- •6.1 Параллельный перенос осей координат
- •6.2 Поворот осей координат на угол α
- •§ 7. Полярная система координат на плоскости
- •8.1 Сфера
- •8.2 Цилиндрические поверхности
- •8.3 Конические поверхности
- •8.4 Поверхность вращения
- •8.5 Эллипсоид
- •8.6 Гиперболоид
- •8.7 Параболоид
- •Глава III МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
- •§ 1. Логическая символика, множества и операции над ними
- •§ 2. Функции и их классификация
- •Элементарные функции
- •§ 3. Абсолютные величины и соотношения, связанные с ними
- •Свойства модуля действительного числа
- •§ 4. Последовательность. Характер изменения переменных величин
- •§ 5. Понятие о пределе переменной
- •§ 6. Окрестность точки
- •§ 7. Предел функции в точке
- •§ 8. Односторонние пределы функции в точке
- •§ 9. Свойства функций, имеющих предел
- •§ 10. Бесконечно малые и бесконечно большие функции
- •§ 11. Основные теоремы о пределах
- •§ 12. Предел дробно-рациональной функции
- •§ 13. Первый замечательный предел
- •§ 14. Второй замечательный предел
- •§ 15. Сравнение бесконечно малых функций
- •§ 16. Непрерывность функции
- •§ 17. Операции над непрерывными функциями
- •§ 18. Свойства функций, непрерывных на отрезке
- •§ 19. Производная функции одной переменной
- •19.2 Основные свойства производной
- •19.3 Производная сложной функции
- •19.4 Производная обратной функции
- •19.5 Производная функции, заданной параметрическими уравнениями
- •19.6 Геометрический смысл производной
- •19.7 Уравнения касательной и нормали к линии
- •19.8 Дифференцирование элементарных функций
- •19.9 Производная степенно-показательной функции
- •19.10 Дифференцирование неявной функции
- •19.11 Производные высших порядков
- •19.12 Правила Лопиталя
- •19.13 Основные теоремы для дифференцируемых функций
- •19.14 Необходимые и достаточные условия монотонности функции. Экстремумы функции
- •19.15 Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке
- •19.16 Выпуклость и вогнутость функции
- •19.17 Формула Тейлора
- •§ 20. Дифференциал функции одной переменной
- •20.1 Дифференциал и его геометрический смысл
- •20.2 Свойства дифференциала функции
- •20.3 Дифференциал сложной функции. Свойство инвариантности
- •20.4 Приближенное вычисление с помощью дифференциала
- •20.5 Дифференциалы высших порядков
- •§ 21. Функции многих переменных
- •21.1 Понятие функции нескольких переменных
- •21.2 Непрерывность функции двух переменных
- •21.3 Дифференцирование функции двух переменных
- •21.5 Полный дифференциал функции двух переменных
- •21.6 Приближенное вычисление с помощью полного дифференциала
- •21.7 Производные высших порядков функции двух переменных
- •21.9 Неявная функция. Дифференцирование неявной функции
- •21.10 Градиент функции многих переменных и его свойства
- •21.11 Экстремум функции нескольких переменных
- •ПРИЛОЖЕНИЕ
- •Список рекомендуемой литературы
10
Замечание. Доказательства свойств 1 – 7 проводится непосредственным вычислением определителей.
2.2 Определители третьего порядка
Определение. Пусть дана квадратная матрица третьего порядка
a |
a |
11 |
12 |
A = a21 |
a22 |
a31 |
a32 |
a13 a23 . a33
Определителем (или детерминантом) третьего порядка, соответствующим данной матрице, называют число, получаемое по правилу:
|
a11 |
a12 |
a13 |
|
|
a22 |
a23 |
|
|
a21 |
a23 |
|
|
a21 |
a22 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
det A = |
a |
|
a |
|
a |
|
= a |
|
− a |
|
+ a |
|
. (2) |
||||||
|
|
21 |
|
22 |
|
23 |
11 |
|
a32 |
a33 |
12 |
|
a31 |
a33 |
13 |
|
a31 |
a32 |
|
|
a31 |
a32 |
a33 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Числа a11 , a12 , …, a33 называют элементами определителя.
Таким образом, формула (2) дает разложение определителя третьего порядка по элементам первой строки и сводит его вычисление к вычислению определителей второго порядка. Применяя правило вычисления определителей второго порядка, из соотношения (2) получаем
|
a11 |
a12 |
a13 |
|
= a11 (a22 a33 − a32 a23 )− a12 (a21 a33 − a31 a23 )+ |
|
|
|
|
||||
|
a21 |
a22 |
a23 |
|
|
|
|
a31 |
a32 |
a33 |
|
|
|
+ a13 (a21 a32 − a31 a22 )= a11 a22 a33 + a12 a31 a23 + a13 a21 a32 − |
|
|||||
− a11 a32 a23 − a12 a21 a33 − a13 a31 a22 . |
(3) |
Для того, чтобы запомнить, какие произведения в правой части соотношения (3) следует брать со знаком “+”, какие – со знаком “–”, полезно следующее графическое правило, называемое правилом треугольников:
a |
a |
a |
|
a11 |
a12 |
a13 |
|
|
|
||||||
|
|
||||||
11 |
12 |
13 |
|
a21 |
a22 |
a23 |
|
a21 |
a22 |
a23 |
– со знаком “+”; |
– со знаком “–”. |
|||
a31 |
a32 |
a33 |
|
a31 |
a32 |
a33 |
|
Для нахождения значения определителя третьего порядка также можно указать мнемоническое правило Саррюса: приписать к определителю справа два первых столбца, не меняя их порядка, и составить сумму произведений элементов главной диагонали и элементов диагоналей, параллельных ей, из которой затем вычесть сумму произведений элементов побочной диагонали и элементов диагоналей, параллельных ей:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
a11 |
a12 |
a13 |
|
|
a11 |
a12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
a21 |
a22 |
a23 |
|
a21 |
a22 |
|
= a11 a22 a33 + a12 a23 a31 + a13 a21 a32 − |
||||||||||||||||||
a |
a |
a |
|
a |
31 |
a |
32 |
|
|
− a13 a22 a31 − a11 a23 a32 − a12 a21 a33 . |
|||||||||||||||
31 |
32 |
33 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
– |
– |
– |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Пример 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
3 |
− 4 |
|
= 2 |
|
|
6 7 |
|
− 3 |
|
5 7 |
|
+ (− 4) |
|
5 6 |
|
= |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
5 6 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
8 |
0 |
3 |
|
|
|
|
|
|
0 |
3 |
|
|
|
8 |
3 |
|
|
|
8 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
= 2 18 − 3 (− 41)− 4 (− 48)= 351. |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание. Все свойства 1 – 7 определителей второго порядка остаются справедливыми и для определителей 3-го порядка.
Определение. Пусть дан определитель третьего порядка
a11 |
a12 |
a13 |
|
a21 |
a22 |
a23 |
. |
a31 |
a32 |
a33 |
|
Минором определителя третьего порядка, соответствующим элементу aij , на-
зывается определитель второго порядка, получающийся из данного “вычеркиванием” i -й строки и j -го столбца.
Минор, соответствующий элементу aij , принято обозначать Mij . Так, например, минор M12 , соответствующий элементу a12 , есть определитель
M12 = |
a21 |
a23 |
. |
|
|
|
a31 |
a33 |
|
|
|
Определение. Алгебраическим дополнением элемента определителя |
|||||
aij называют соответствующий ему минор, взятый со знаком (−1)i + j . |
|
||||
Алгебраическое дополнение элемента aij принято обозначать |
Aij . Та- |
||||
ким образом, имеет место соотношение |
|
|
|
|
|
A = (−1)i + j M |
ij |
. |
(4) |
||
ij |
|
|
|
||
Исходя из вышесказанного соотношение (2) можно переписать в виде |
|||||
det A = a11 A11 + a12 A12 + a13 A13 . |
(5) |
Аналогично формуле (5), дающей разложение определителя третьего порядка по элементам первой строки, можно получить разложение по элементам любой его строки или столбца.
12
Например, разложение определителя по элементам второй строки можно получить из формулы (2), используя свойство 2 определителей:
|
|
|
|
a11 |
a12 |
|
a13 |
|
|
|
|
a21 |
|
a22 |
|
|
|
a23 |
|
|
|
|
det A = |
|
a21 |
a22 |
|
a23 |
|
|
|
= − |
a11 |
|
a12 |
|
|
|
a13 |
= |
|
|
|||
|
|
|
|
a31 |
a32 |
|
a33 |
|
|
|
|
a31 |
|
a32 |
|
|
|
a33 |
|
|
|
|
= −a |
21 |
|
|
a12 |
a13 |
|
+ a |
22 |
|
|
|
a11 |
a13 |
|
− a |
23 |
|
|
a11 |
a12 |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
a32 |
a33 |
|
|
|
|
|
a31 |
a33 |
|
|
|
|
a31 |
a32 |
|
|
= a21 A21 + a22 A22 + a23 A23 .
Этот результат можно сформулировать следующим образом.
Свойство 8. Определитель равен сумме попарных произведений элементов какой-либо его строки (столбца) на их алгебраические дополнения.
Свойство 9. Сумма попарных произведений элементов какой-либо строки (или столбца) определителя на алгебраические дополнения соответствующих элементов другой строки (столбца) этого же определителя равна нулю.
Доказательство. Свойство докажем для алгебраических дополнений элементов второй строки определителя.
Рассмотрим сумму попарных произведений вида
b1 A21 + b2 A22 + b3 A23 ,
где b1 , b2 , b3 – некоторые произвольные числа. По свойству 8 определителей имеем
|
|
a11 |
a12 |
a13 |
|
|
b1 |
A21 + b2 A22 + b3 A23 = |
b1 |
b2 |
b3 |
. |
(6) |
|
|
a31 |
a32 |
a33 |
|
|
Если вместо b1 , b2 |
, b3 в левой части соотношения (6) подставить a11 , a12 , a13 |
или a31 , a32 , a33 соответственно, то в правой части этого соотношения полу-
чим определитель с двумя одинаковыми строками, который по свойству 3 равен нулю. Аналогично поступают и с алгебраическими дополнениями элементов других строк и столбцов определителя.
2.3 Понятие об определителях высших порядков
Во многих задачах кроме определителей второго и третьего порядков встречаются также определители более высоких порядков. Например, определитель четвертого порядка
13
a11 |
a12 |
a13 |
a14 |
a21 |
a22 |
a23 |
a24 |
a31 |
a32 |
a33 |
a34 |
a41 |
a42 |
a43 |
a44 |
и вообще определитель n -го порядка
a11 |
a12 |
... |
a1n |
|
a21 |
a22 |
... |
a2n |
. |
... |
... |
... |
... |
|
an1 |
an2 |
... |
ann |
|
Определитель четвертого порядка есть число, получающееся следующим образом:
a11 |
a12 |
a13 |
a14 |
|
|
a22 |
a23 |
a24 |
|
|
a21 |
a23 |
a24 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
a21 |
a22 |
a23 |
a24 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
= a |
|
a |
32 |
a |
33 |
a |
34 |
|
|
− a |
|
a |
31 |
a |
33 |
a |
34 |
+ |
||||||
a31 |
a32 |
a33 |
a34 |
11 |
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
a42 |
a43 |
a44 |
|
|
a41 |
a43 |
a44 |
|
||||||||||||||
a41 |
a42 |
a43 |
a44 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
a21 |
a22 |
a24 |
|
|
|
a21 |
a22 |
a23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
+ a13 |
a31 |
a32 |
a34 |
|
− a14 |
a31 |
a32 |
a33 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
a41 |
a42 |
a44 |
|
|
|
a41 |
a42 |
a43 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогично вычисляются определители более высоких порядков.
Замечание. Все свойства определителей 1 – 9 остаются справедливыми для определителей любого порядка.
Замечание. Если в определителе все элементы какой-либо строки (столбца), кроме одного, равны нулю, то при вычислении определителя выгодно разложить его по элементам этой строки (столбца). Если такой строки (столбца) нет, то, используя свойство 7 определителей, его можно преобразовать так, чтобы он имел такую строку (столбец).
|
Пример 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
−1 − 2 |
1 |
4 |
|
|
− 3 |
0 |
|
|
0 |
0 |
|
3 |
0 |
6 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
1 |
3 |
0 |
6 |
|
|
1 |
3 |
|
|
0 |
6 |
|
|
||||||
|
|
= |
|
|
= −3 |
− 2 |
1 |
4 |
= |
|||||||||||
|
2 |
− 2 |
1 |
4 |
|
|
2 |
− 2 |
|
|
1 |
4 |
|
1 |
− 2 |
−1 |
|
|||
|
3 |
1 |
− 2 −1 |
|
3 |
1 |
|
− 2 −1 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
3 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
1 |
8 |
|
|
= −117 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
− 3 |
− 2 |
1 |
8 |
|
|
= −3 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
1 |
− 2 |
− 3 |
|
|
|
|
|
− 2 |
−3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|