Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Лекции

по алгебре

ФПМ, 1 курс

Осенний семестр 2011/2012 учебного года

Группа ЗИ-11

Лектор – доцент, к. ф.-м. н.

Вопросы к экзамену

I часть. Вопросы по матрицам и определителям

1. Определить сумму матриц и произведение матрицы на число. Вывести свойства этих операций. Записать матрицув виде линейной комбинации базисных матриц.

2. Определить произведение двух квадратных матриц. Вывести свойства произведе­ния. Найти все матрицы, перестановочные с A =. Определить произведение прямо-уголь­ных матриц (когда это возможно).

3. Дать определение элементарных преобразований над строками матрицы и элемен­тарных матриц. Записать элементарные матрицы второго порядка.

4. Сформулировать теорему об умножении матрицы на элементарные. Привести пример для матриц третьего порядка.

5. Дать определение ступенчатой матрицы, матрицы главного ступенчатого вида. Привести пример. Сформулировать теорему Гаусса.

6. Дать определение определителя матрицы порядка n . Сформулировать его свойства.

7. Сформулировать теоремы об антисимметрии и о линейности определителя, вы­вести следствия.

8. Показать, как меняется определитель матрицы при элементарных преобразованиях над строками матрицы.

9. Доказать теорему об определителе треугольной матрицы.

10. Изложить метод Гаусса вычисления определителя матрицы приведением к тре­угольному виду. Привести пример.

11. Дать определение невырожденной матрицы. Показать, каков главный ступенчатый вид невырожденной матрицы. Доказать, что она раскладывается в произведение элементар­ных матриц.

12. Дать определение вырожденной матрицы. Показать, каков главный ступенчатый вид вырожденной матрицы. Доказать, что она раскладывается в произведение элементарных матриц и ступенчатой матрицы с последней нулевой строкой.

13. Дать определение алгебраического дополнения элемента матрицы. Записать раз­ложение определителя по i -й строке и j -му столбцу.

14. Доказать теорему о разложении определителя по элементам строки.

15. Доказать, что сумма произведений элементов строки на алгебраические дополне­ния элементов другой строки равна нулю. Верно ли это для столбцов?

16. Доказать теорему об определителе произведения двух матриц.

17. Дать определение матрицы, обратной к данной. Доказать её единственность. Вы­вести необходимое условие обратимости матрицы.

18. Доказать, что элементарные матрицы обратимы, и найти к ним обратные.

19. Изложить и обосновать метод Гаусса нахождения обратной матрицы. Привести примеры.

20. Вывести формулу для нахождения обратной матрицы. Достаточное условие суще­ствования обратной матрицы.

II часть. Вопросы по системам линейных уравнений

21. Дать определение системы линейных уравнений, совместной и несовместной сис­темы. Привести примеры.

22. Дать определение матрицы системы, расширенной матрицы. Записать в матрич­ном виде систему:

23. Дать определение решения системы, множества, определённой и неопределён­ной системы. Привести примеры.

24. Дать определение равносильных систем. Показать, что при элементарных преоб­разованиях над строками расширенной матрицы система переходит в равносильную.

25. Изложить метод решения систем главного ступенчатого вида. В каком случае та­кая система несовместна?

26. Изложить метод Гаусса решения систем линейных уравнений на примере

27. Дать определение однородной и неоднородной систем. Показать, что однородная система всегда совместна.

28. Доказать, что однородная система m уравнений с n неизвестными при m < n имеет нетривиальное решение. (Сколько таких решений?)

29. Дать определение линейного пространства R n , линейно зависимой и линейно неза­висимой системы векторов. Привести примеры таких систем в R n .

30. Доказать, что k векторов в пространстве R n линейно зависимы при k > n . Показать, что в пространстве R n существует система из n линейно независимых векторов. (Единст­венна ли такая система?)

31. Дать определение линейного подпространства. Привести примеры. Дать опреде­ление линейной оболочки векторов. Доказать, что она является линейным подпространст­вом. Почему этот пример является универсальным?

32. Доказать, что множество решений однородной системы является линейным под­пространством.

33. Дать два определения базиса множества M и показать их равносильность.

34. Дать определение размерности множества. Объяснить, как найти размерность ли­нейной оболочки векторов.

35. Вывести формулу размерности подпространства решенийдля однородной сис­темы линейных уравнений.

36. Дать определение ранга матрицы. Найти по определению ранг матриц

37. Изложить и обосновать метод нахождения ранга матрицы.

38. Изложить метод нахождения базиса конечной системы векторов.

39. Теорема Кронекера – Капелли.

40. Дать определение фундаментальной системы решений. Записать формулу общего решения однородной и неоднородной систем.

III часть. Вопросы по евклидовым пространствам

41. Дать определение евклидова пространства. Привести примеры.

42. Дать определение матрицы Грама системы векторов G (a 1, …, a k ). Найти матрицу Грама ортонормированного базиса.

43. Дать определение длины вектора, угла между векторами. Доказать неравенство Коши – Буняковского.

44. Дать определение скалярного произведения. Вывести формулу для вычисления скалярного произведения через матрицу Грама.

45. Дать определение ортогонального и ортонормированного базиса. Описать процесс ортогонализации.

46. Дать определение ортогонального дополнения L ^ к линейному подпространству L . Доказать, что L ^ является линейным подпространством.

47. Дать определение прямой суммы подпространств. Доказать, что E = L Å L ^.

48. Доказать неравенство треугольника и теорему Пифагора.

49. Дать определение вектора, ортогонального подпространству. Доказать, что вектор ортогонален подпространству тогда и только тогда, когда он ортогонален базису этого под­пространства.

50. Дать определение проекции вектора на подпространство. Доказать её существова­ние и единственность.

51. Дать определение проекции вектора на подпространство. Вывести основные свой­ства проекции вектора на подпространство (линейность, минимальность).

52. Изложить метод нахождения проекции вектора на подпространство, используя ор­тонормированный базис.

53. Дать определение ортогональной составляющей вектора при проектировании на подпространство. Доказать её существование и единственность.

54. Метод наименьших квадратов. Постановка задачи, метод решения.

55. Дать определение решения системы по методу наименьших квадратов. Доказать его существование.

56. Изложить метод нахождения проекции вектора на подпространство, используя матрицу Грама.

57. Метод наименьших квадратов. Постановка задачи. Всегда ли существует реше­ние? Единственно ли оно?

58. Доказать, что ортогональная система ненулевых векторов линейно независима.

196 Глава 9. Линейные пространства

где не все k i , 1i r + 1, равны нулю. Если быk r +1 = 0, то нетривиальная линейная комбинацияk 1 α 1 +. . . +k r α r = 0, равная

нулю, означала бы, что система α 1 , . . . , α r линейно зависима, что противоречит предположению.

Лемма 9.2.13 (единственность представления элемента линейного пространства K V в виде линейной комбинации линейно независимой системы элементов).Пусть {α 1 , . . . , α r } - линейно независимая система элементов линейного пространства K V и

β = k1 α1 + . . .+ kr αr = k1 α1 + . . .+ kr αr , ki , ki K.

Тогда k1 = k1 ,. . . , kr = kr .

Доказательство. Действительно,

(k1 − k1 ) α1 + . . .+ (kr − kr ) αr = 0 ,

и поэтому k 1 − k 1 = 0,. . . ,k r − k r = 0.

9.3. Максимальные линейно независимые подсистемы систем элементов линейных пространств, базис линейного пространства

Пусть S K V . Наиболее важные для нас случаи: а)S - конечное подмножество элементов вK V ;

б) S =K V .

Подсистема v1 , . . . , vr SK Vназывается максимальной линейно независимой подсистемойв S, если:

1) v 1 , . . . , v r - линейно независимая система;

2) v 1 , . . . , v r , v - линейно зависимая система для всякогоv S , или, что эквивалентно,

2) любой элемент v S является линейной комбинацией элементовv 1 , . . . , v r .

Максимальная линейно независимая подсистема v 1 , . . . , v r вS =K V (если вK V существует такаяконечная система) называетсябазисом линейного пространстваK V . Линейное пространствоK V с конечным базисомv 1 , . . . , v r называетсяконечномерным линейным пространством (при этом будет показано, что любой другой базис линейного пространства содержит то же самое число элементов).

Пример 9.3.1. Как мы уже видели, система строк

ε1 = (1 ,0 , . . . ,0) , ε2 = (0 ,1 , . . . ,0) ,

εn = (0 ,0 , . . . ,1)

является базисом линейного пространства строк K n .

Лемма 9.3.2. Любую линейно независимую подсистему v1 , . . . , vr в S Kn можно дополнить до максимальной линейно независимой подсистемы в S Kn .

Доказательство. Если v1 , . . . , vr - максимальная линейно независимая подсистема в S Kn , то все доказано. Если нет, то най-

дётся элемент v S такой, чтоv 1 , v 2 , . . . , v r , v =v r +1 - линейно независимая подсистема вS . После конечного числа шагов процесс

остановится, так как любые системы из n + 1 элементов в линейном пространствеK n оказываются линейно зависимыми.

Следствие 9.3.3. Любой ненулевой элемент0 = v S Kn дополняем до максимальной линейно независимой подсистемы в S.

Следствие 9.3.4. В S= R n (или S= Kn для бесконечного поля K) бесконечно много различных базисов. Если поле K конечно, |K|= q(например, K= Z 2 ) , то число элементов в Kn равно qn , и поэтому число базисов в Kn конечно. Найдите их число.

Замечание 9.3.5. Пусть строкиa 1 , . . . , a s K n линейно независимы,s < n . Тогда существуют такие строкиa s +1 , . . . , a n K n ,

что {a 1 , . . . , a n } - базис линейного пространстваK n . Практическое нахождение строкa s +1 , . . . , a n можно осуществить следующим образом. Запишем строкиa 1 , . . . , a s по столбцам и приведём полученную матрицу к ступенчатому виду:ϕ (a 1 , . . . , a s ) =A ступ , где

(a 1 , . . . , a s ), A ступ Mn,s (K ),ϕ - последовательность элементарных преобразований строк. Так как строкиa 1 , . . . , a s линейно независи-

мы, то в A ступ имеется ровноs ненулевых строк (первыеs строк).

а остальные элементы равны 0, i =s + 1, . . . , n . Припишем эти столбцы справа к матрицеA ступ . ПустьB Mn (K ) - полученная матрица. Применяя к матрицеB последовательность элементарных преобразо-

ваний строк, обратную к, приходим к матрице ˜ . При этом˜ -

ϕ B (B)

матрица, в которой первые s строк - этоa 1 , . . . , a s , а последующие строки дополняют их до базиса линейного пространстваK n .

9.4. Замечание о линейной выражаемости конечных систем элементов в линейном пространстве

Пусть K V - линейное пространство,S 1 K V ,S 2 K V . Будем говорить, что системаS 2 элементовu 1 , . . . , u s линейно выражается через системуS 1 элементовv 1 , . . . , v r , если каждый элементu i S 2 , 1i s , является линейной комбинацией элементовv 1 , . . . , v r системыS 1 ,

u i= m ijv j, m ijK.

Если к тому же система S 3 элементовw 1 , . . . , w t линейно выражается через системуS 2 ,

т. е. система S 3 линейно выражается через системуS 1 .

Системы S 1 иS 2 называютсяэквивалентными , если они линейно выражаются друг через друга (обозначение:S 1 S 2 ).

Следствие 9.4.1. Отношение «быть эквивалентными системами», S1 S2 , является отношением эквивалентности.

Следствие 9.4.2. Если элемент vK V является линейной комбинацией элементов v1 , . . . , vr системы S1 , S1 S2 , где S2 - система элементов u1 , . . . , us , то элемент v является линейной комбинацией элементов u1 , . . . , us системы S2 .

Следствие 9.4.3. Любая(конечная) система элементов SK V эквивалентна своей максимальной линейно независимой подсистеме.

Следствие 9.4.4. Любые две(конечные) максимально независимые подсистемы любой системы SK V эквивалентны.

Замечание 9.4.5. ЕслиA, B Mm,n (K ) и матрицаB получена из матрицыA конечным числом элементарных преобразований 1-го, 2-го и 3-го типов, то каждая строка матрицыB является линейной комбинацией строк матрицыA (поскольку от матрицыB мы можем вернуться к матрицеA с помощью элементарных преобразований строк 1-го, 2-го и 3-го типов, то каждая строка матрицыA является линейной комбинацией строк матрицыB ). Таким образом, в линейном пространстве строкK n системы строкA 1 , . . . , A m матрицыA иB 1 , . . . , B m матрицыB линейно выражаются друг через друга.

Теорема 9.4.6 (основная теорема о линейной зависимости).

Пусть в линейном пространстве K V линейно независимая система элементов v1 , . . . , vr линейно выражается через другую систему элементов u1 , . . . , us . Тогда r s.

Доказательство. Допустим противное: пустьr > s . В силу нашего предположения

v1 = a11 u1 + . . .+ a1 s us ,

vr = ar 1 u1 + . . .+ ars us , aij K.

200 Глава 9. Линейные пространства

Так как r > s , тоr строк

(a11 , . . . , a1 s ) ,

(ar 1 , . . . , ars )

в линейном пространстве строк K s линейно зависимы: найдётся их линейная комбинация с коэффициентамиk 1 , . . . , k r , гдеk i = 0 для некоторогоi , равная нулевой строке (0, . . . , 0)K s . Но тогда и линейная комбинация элементовv 1 , . . . , v r с этими же коэффициентами

k 1 , . . . , k r , равна нулю,k 1 v 1 +. . . +k r v r = 0. Таким образом, система элементовv 1 , . . . , v r линейно зависима, что приводит нас к противо-

Следствие 9.4.7. Две эквивалентные конечные линейно независимые системы в линейном пространствеK V содержат равное число элементов.

Следствие 9.4.8. Для системы SK V , гдеK V - конечномерное линейное пространство, любые две(конечные) максимальные линейно независимые подсистемы содержат одинаковое число элементовr(S) , называемоерангом системы S.

Следствие 9.4.9. Если S= K V иK V - конечномерное линейное пространство, то любые два базиса вK V состоят из одного и того же числа элементов n, это число n называется размерностью линейного пространстваK V , обозначение: dim K V= n.

Как мы видели ранее, одним из базисов в линейном пространстве строк K K n является система строк

ε1 = (1 ,0 , . . . ,0) ,

εn = (0 ,0 , . . . ,1) ,

и поэтому dim K K n =n .

Следствие 9.4.10. Если в конечномерном линейном пространствеK V одна система элементов S1 линейно выражается через другую систему S2 , тоr(S1 ) r(S2 ) .

Следствие 9.4.11. Если в линейном пространствеK V система M из m элементов имеет ранг r, то любая её подсистема S из s элементов(s m) имеет ранг не меньше чем r+ s − m.

Доказательство. Действительно, еслиR - максимальная линейно независимая подсистема вM ,|R| =r , тоR \ (R ∩S )M \S , и поэтому|R \ (R ∩ S )| m − s . Следовательно,|R ∩ S| r − (m − s ) =

R+ s − m.

Следствие 9.4.12. Для системы строк v1 , . . . , vr Kn следующие условия эквивалентны:

1) система строк v 1 , . . . , vr является базисом линейного пространства строк Kn (т. е. максимальной линейно независимой подсистемой строк в Kn ; и тогда r= n);

2) каждая строка v K n единственным образом представляется в виде линейной комбинации

v = λ1 v1 + . . .+ λr vr , λ1 , . . . , λr K

(и тогда r= n);

3) r = n и система строк v1 , . . . , vn линейно независима;

4) r = n и каждая строка v Kn представима в виде линейной комбинации

v = λ1 v1 + . . .+ λn vn , λ1 , . . . , λn K.

Доказательство. Мы уже показали, что 1) = 2). Покажем, что 2) = 1). Еслиv 1 , . . . , v r - линейно зависимая система строк,λ 1 v 1 +. . . +λ r v r = 0 с некоторымλ i = 0, то нулевая строка имеет два различных представления

0 = 0 · v1 + . . .+ 0 · vr = λ1 v1 + . . .+ λr vr , λi = 0 .

При этом r =n , так как любые базисы вK n содержатn элементов. Ясно, что 1) = 3). Покажем, что 3) = 1). Для любой строкиv K n система строкv 1 , . . . , v n , v линейно зависима (n + 1> n ). Так

202 Глава 9. Линейные пространства

как v 1 , . . . , v n - линейно независимая система, тоv =λ 1 v 1 +. . . +λ n v n для некоторыхλ 1 , . . . , λ n K .

Ясно, что 1) = 4). Покажем, что 4) = 1). Допустим, что v 1 , . . . , v n - линейно зависимая система. Тогда её максимально линейно независимая подсистемаv i 1 , . . . , v ir ,r < n , является максимальной линейно независимой подсистемой вK n , что противоречит

r = n.

9.5. Единственность главного ступенчатого вида матрицы

Теорема 9.5.1. Пусть A, B, CM m,n (K) , B и C - ступенчатые матрицы, полученные из ненулевой матрицы A конечным числом элементарных преобразований строк 1-го, 2-го и 3-го типов. Тогда:

1) системы строк {B 1 , . . . , Bm } матрицы B и {C1 , . . . , Cm } матрицы C в линейном пространстве строк Kn линейно выражаются друг через друга(другими словами, линейные оболоч-

ки строк матриц A, B и C в Kn совпадают: A1 , . . . , Am = = B1 , . . . , Bm = C1 , . . . , Cm , см. с.107);

2) числа r1 и r2 ненулевых строк в ступенчатых матрицах B и C соответственно совпадают(при этом r= r1 = r2 = = dim K A1 , . . . , Am ; другие интерпретации числа r= r(A) будут даны в теореме9.16.1 о ранге матрицы);

3) лидеры строк ступенчатых матриц B и C располагаются в одних и тех же столбцах ;

4) если B и C - главные ступенчатые виды ненулевой матрицы

A M m,n (K) , то B= C.

Доказательство.

1) В силу замечания 9.4.5, в линейном пространстве строк K n

системы строк {A1 , . . . , Am }матрицы Aи {B1 , . . . , Bm }матрицы Bлинейно выражаются друг через друга. Аналогично, системы строк

{A1 , . . . , Am }матрицы Aи {C1 , . . . , Cm }матрицы Cтакже линейно выражаются друг через друга. Принимая во внимание транзитив-

ность линейной выражаемости систем строк (см. следствие 9.4.2), по-

лучаем, что системы строк {B 1 , . . . , B m } матрицыB и{C 1 , . . . , C m } матрицыC линейно выражаются друг через друга. Следовательно,

A1 , . . . , Am = B1 , . . . , Bm = C1 , . . . , Cm .

2) Так как ненулевые строки ступенчатой матрицы образуют максимально независимую подсистему строк, то из 1) следует, что r 1 =r 2 (см. следствие 9.4.10), при этом

r = r1 = r2 = dim B1 , . . . , Bm =

Dim C1 , . . . , Cm = dim A1 , . . . , Am .

3) Пусть лидеры r ненулевых строкB 1 , B 2 , . . . , B r ступенчатой матрицыB расположены в столбцах с номерамиk 1 , k 2 , . . . , k r ,

k1 < k2 < . . . < kr , а лидеры rненулевых строк C1 , C2 , . . . , Cr ступенчатой матрицы Cрасположены в столбцах с номерами l1 , l2 , . . . , lr ,

l1 < l2 < . . . < lr . Так как системы строк {B1 , B2 , . . . , Br }, {C1 , C2 , . . . , Cr }линейно выражаются друг через друга, то, в си-

{B 2 , . . . , B r } и{C 2 , . . . , C r } , которые линейно выражаются друг через друга, получаем, чтоk 2 =l 2 .

Продолжая этот процесс, убеждаемся в том, что k 3 =l 3 , . . . ,

k r= l r.

4) В 2) и 3) доказано, что число ненулевых строк r и номера

столбцов l 1 , . . . , l r , 1l 1 < l 2 < . . . < l r n , в которых находятся главные неизвестные главных ступенчатых видовB иC , определе-

ны однозначно. Таким образом, разбиения на главные и свободные неизвестные, определяемые ступенчатыми видами B иC , совпадают. Поскольку главные неизвестные однозначно выражаются через свободные (в эквивалентных однородных системах линейных уравнений с главными ступенчатыми матрицамиB иC ), при этом главный ступенчатый вид определяется этим выражением однозначно (см. замечание 3.6.9), тоB =C .

Замечание 9.5.2 (матричное доказательство п. 4 теоремы о единственности главного ступенчатого вида). Для A M m,n (K )

существуют такие обратимые матрицы F, G Mm (K ) (произведения матриц, соответствующих элементарным преобразованиям строк), что

A = F · B= G · C.

Следовательно,

Используя определение главного ступенчатого вида и переставляя столбцы матриц B иC , имеем:

где Q Mn (K ) (матрицаQ - обратимая матрица, соответствующая последовательности элементарных преобразований столбцов; мы уже доказали в п. 2 и 3, что числаr и столбцыj 1 , . . . , j r , в которых стоят лидеры строк, одинаковы для ступенчатых матрицB иC , соответственно; нулевые блоки могут отсутствовать (еслиk =r =m )). Следовательно, матрицаD имеет следующий блочный вид:

где матрица ˜ Mm,m−r (K ) (еслиr < m ) состоит из произвольных элементов поляK . Поэтому, умножаяD на

и приравнивая к

получаем, что = Mm−r,n−r (K ). Умножая (9.1) справа наQ − 1 , получаемB =C .

9.6. Изоморфизм линейных пространств

Пусть K U ,K V - линейные пространства над полемK . Биективное отображение

f : K U →K V,

для которого

f (u 1 +u 2 ) =f (u 1 ) +f (u 2 ),

f ( ku) = kf( u)

для всех u 1 , u 2 , u K U ,k K , называетсяизоморфизмом линейных пространствK U иK V (в этом случае будем говорить, что линейные

пространства K U иK V изоморфны , обозначение:K U K V ).

Упражнение 9.6.1. ОтношениеU V является отношением

K = K

{f ( e1 ) , . . . , f( en ) } - базис вK V , и поэтомуdim K V= n= dim K U .

Доказательство.

1) Если v K V , тоf (u ) =v для некоторогоu K U . Пустьu =k 1 e 1 +. . . +k n e n , гдеk 1 , . . . , k n K . Тогда

v = f( u) = k1 f( e1 ) + . . .+ kn f( en ) .

2) Пусть k 1 f (e 1 ) +. . . +k n f (e n ) = 0 дляk 1 , . . . , k n K . Тогда

0 = k1 f( e1 ) + . . .+ kn f( en ) = f( k1 e1 + . . .+ kn en ) ,

и поэтому

k1 e1 + . . .+ kn en = 0 ,

следовательно, k 1 =k 2 =. . . =k n = 0.

Итак, в силу 1) и 2), {f (e 1 ), . . . , f (e n )} - базис линейного пространстваK V .

• Определители и их свойства.
• Вычисление определителей.
• В данной лекции рассматриваются основные положения...

Подробнее о программе

• Определители и их свойства. В данной лекции рассматривается понятие определителя матрицы и связанные с этим понятием определения. Вводится понятие линейной комбинации строк и транспонированной матрицы. Приведены примеры решения задач, а также упражнения для самостоятельного решения
• Вычисление определителей. В данной лекции рассматриваются примеры вычисления определителей. Приведены определения минора, алгебраического дополнения и определителя Вандермонда. Рассмотрены примеры решения задач и приведены упражнения для самостоятельного решения
• Линейные преобразования линейных пространств столбцов. Данная лекция посвящена линейным преобразованиям линейных пространств столбцов, задаваемых прямоугольной матрицей. Рассмотрены основные определения, приведены доказательства базовых теорем и упражнения для самостоятельного рассмотрения
• Линейное пространство M_m,n (K) прямоугольных матриц размера mxn. В данной лекции рассматриваются основные положения и определения алгебры матриц. Рассматривается способ умножения матриц, приведены примеры, доказаны основные теоремы. Также представлены задачи для самостоятельного решения
• Многочлены от матриц, теорема Гамильтона-Кэли. Обратная матрица. В данной лекции основное внимание уделено понятию многочленов от матриц, а также рассмотрена теорема Гамильтона-Кэли. Приведены основные понятия, в частности, очень важное определение обратной матрицы. Приведены примеры решения задач, доказаны основные теоремы, а также предоставлены задачи для самостоятельного рассмотрения
• Свойства линейного пространства. В данной лекции рассматриваются линейные пространства. Рассмотрены основные свойства линейных пространств, основные зависимости и возможные действия в них. Приведено также очень важное понятие базиса, доказаны основные теоремы и предоставлены задачи для самостоятельного решения
• Единственность главного ступенчатого вида матрицы. В данной лекции речь идет о единственности главного ступенчатого вида матрицы. Приведены примеры ступенчатых матриц, рассмотрено понятие изоморфизма линейных пространств, доказана обратимость матрицы перехода. Также приведены доказательства основных теорем и предоставлены задачи для самостоятельного решения
• Линейные подпространства линейных пространств. В данной лекции рассматриваются линейные подпространства линейных пространств, приведены определения их суммы и их пересечения, рассмотрено понятие линейной оболочки элементов линейного пространства. Приведены доказательства основных теорем и задачи для самостоятельного рассмотрения
• Проективная размерность подпространств и проективная геометрия. Теорема о ранге матрицы. В данной лекции рассматриваются базовые понятия проективной геометрии. Приведено очень важное определение ранга матрицы, определена размерность пространства решений однородной системы линейных уравнений. Приведены также доказательства основных теорем, а также предоставлены задачи для самостоятельного решения
• Собственные числа и собственные векторы матрицы. В данной лекции рассматриваются понятия собственных чисел и собственных векторов матрицы. Приведены основные определения, доказаны основные теоремы. Также приведены примеры решения задач и предоставлены задачи для самостоятельного решения
• Экзамен

Формы контроля знаний студентов

• Контрольная работа
• Большие домашние задания
• Устная сдача задач из листков
• Активность и работа на семинарах
• Коллоквиум
• Экзамен

Информация для пилотного потока

Краткое содержание лекций

Лекция 1 (6.09.2016). Геометрия n -мерного арифметического пространства.

Лекция 2 (13.09.2016). Матрицы и основные операции над ними.

Лекция 3 (20.09.2016). Элементарные преобразования строк матриц. Решение системы линейных уравнений методом Гаусса.

Лекция 4 (27.09.2016). Существование и единственность канонического вида матрицы. Обратная матрица.

Лекция 5 (4.10.2016). Обратимость невырожденных матриц. Линейное пространство. Подпространства, линейные оболочки.

Лекция 6 (11.10.2016). Линейная зависимость. Базис и размерность линейного пространства.

Лекция 7 (18.10.2016). Столбцовый и строчный ранг матрицы, теорема об их равенстве. Размерность пространства решений однородной системы линейных уравнений, фундаментальная система решений.

Лекция 8 (1.11.2016). Теорема Кронекера-Капелли. Размерность линейного многообразия. Сумма и пересечение подпространств, связь между их размерностями.

Лекция 9 (8.11.2016). Координаты вектора в заданном базисе. Изоморфизм. Теорема о том, что все пространства одной конечной размерности изоморфны друг другу.

Лекция 10 (15.11.2016). Матрица перехода между двумя базисами. Формула замены координат. Определитель матрицы порядка 2, ориентированная площадь. Подстановки. Знак подстановки. Определитель квадратной матрицы.

Лекция 11 (22.11.2016). Определитель треугольной матрицы. Определитель как полилинейная функция строк. Умножение подстановок. Изменение знака подстановки при умножении на транспозицию. Поведение определителя при элементарных преобразованиях строк матрицы.

Лекция 12 (29.11.2016). Определитель как единственная полилинейная кососимметрическая функция строк матрицы, равная 1 на единичной матрице. Определитель произведения матриц. Определитель с углом нулей. Формула разложения определителя по строке. Знак произведения подстановок и знак обратной подстановки. Определитель транспонированной матрицы.

Лекция 13 (6.12.2016). Приложения определителей: формулы Крамера решения определенной системы линейных уравнений; формула обратной матрицы; определение ранга матрицы через миноры (ранг Фробениуса).

Лекция 14 (13.12.2016). Комплексные числа.

Лекция 15 (10.01.2017). Поле. Примеры полей. Линейные пространства над полем. Комплексификация и овеществление. Линейное отображение и линейный оператор: определение и геометрические примеры.

Лекция 16 (17.01.2017). Новые примеры линейных отображений. Множество линейных отображений Hom(U,V) как линейное пространство. Линейные функционалы и двойственное пространство. Понятие двойственного базиса, размерность двойственного пространства. Идея теории категорий, категория линейных пространств. Контравариантные и ковариантные функторы. Матрица линейного отображения: эквивалентность двух определений. Размерность линейного пространства Hom(U,V).

Лекция 17 (25.01.2017). Матрица композиции линейных отображений. Матрица изоморфизма. Замена координат и матрица линейного отображения. Замена координат в двойственном пространстве, понятие ковектора. Ядро и образ линейного отображения, их связи с матрицей линейного отображения. Короткая точная последовательность. Ранг, определитель и след линейного оператора.

Лекция 18 (31.01.2017). Инвариантные пространства линейного оператора, инвариантность его ядра и образа. Прямая сумма нескольких подпространств. Матрица линейного оператора в базисе, часть которого порождает инвариантное подпространство или прямую сумму таких подпространств. Одномерные инвариантные подпространства, собственные векторы и собственные значения. Характеристический многочлен линейного оператора. Определитель, след и характеристический многочлен как инварианты линейного оператора.

Лекция 19 (7.02.2017). Характеристический многочлен как инвариант линейного оператора. Алгебраически замкнутое поле. Кратности и количество корней многочлена над алгебраически замкнутым полем. Формулы Виета. Связь определителя и следа комплексного оператора с собственными значениями. Диагонализуемые операторы (операторы простой структуры). Оператор дифференцирования многочленов как пример не диагонализуемого оператора.

Лекция 20 (14.02.2017). Корневые векторы и корневые подпространства. Теорема о разложении пространства в прямую сумму корневых подпространств.

Лекция 21 (21.02.2017). Теорема о приведении матрицы линейного оператора к верхнетреугольному виду. Формулировка теоремы о жордановой форме линейного оператора в конечномерном пространстве над алгебраически замкнутым полем. Единственность жордановой формы.

Лекция 22 (28.02.2017). Существование аннулирующего многочлена линейного оператора над произвольным полем. Теорема Гамильтона--Кэли. Минимальный многочлен комплексного линейного оператора.

Евклидово пространство. Матрица Грама. Ортогональный и ортонормированный базис.

Лекция 23 (7.3.2017). Связь матриц Грама различных базисов. Существование и единственность проекции и ортогональной составляющей вектора относительно подпространства. Существование и метод построения ортонормированного базиса в конечномерном евклидовом пространстве. Объем k-мерного параллепипеда в n-мерном евклидовом пространстве, его связь с определителем матрицы Грама. Ориентированный объем n-мерного параллепипеда в n-мерном евклидовом пространстве.

Лекция 24 (15.3.2017). Эрмитово пространство, его сходство и различие с евклидовым пространством. Сопряженные линейные операторы в пространстве со скалярным произведением. Самосопряженный (эрмитов) оператор. Нормальный оператор, его основное свойство.

Лекция 25 (22.3.2017). Ортогональные и унитарные операторы. Ортогональные и унитарные матрицы. Канонический вид унитарного оператора и ортогонального оператора.

Лекция 26 (4.4.2017). Мультипликативные разложения матриц. LU разложение. Положительно определенный самосопряженный оператор. SU разложение (полярное разложение). Сингулярные числа матрицы. Сингулярное разложение (SVD). QR разложение.

Лекция 27 (11.4.2017). Билинейные формы. Матрица билинейной формы, ее поведение при замене координат. Квадратичные формы. Положительно и отрицательно определенные квадратичные формы. Канонический и нормальный вид квадратичной формы.

Лекция 28 (18.4.2017). Методы приведения действительных квадратичных форм к каноническому виду (метод Лагранжа, приведение к главным осям, метод Якоби). Критерий Сильвестра.

Лекция 29 (25.4.2017). Закон инерции действительных квадратичных форм.

Лекция 30 (16.5.2017). Начала аналитической геометрии: линейные многообразия, способы задания плоскостей и прямых в трехмерном пространстве, задачи взаимного расположения плоскостей и прямых.

Лекция 31 (23.5.2017). Векторное и смешанное произведение в трехмерном пространстве, их применение в метрических задачах. Векторное и смешанное произведение в многомерных пространствах. Аффинные преобразования и движения n-мерного действительного пространства, теорема об их разложении в сумму параллельного переноса и линейного (в случае движения -- ортогонального) оператора.

Лекция 32 (30.5.2017). Канонический вид квадрики в n-мерном действительном пространстве. Классификация квадрик на плоскости. Конические сечения.

Следующую лекцию предполагается посвятить поверхностям второго порядка в трехмерном пространстве.

Порядок формирования итоговой оценки для пилотного потока

2-й модуль

где O к/р — оценка за контрольную работу по итогам первого модуля, O д/з — оценка за индивидуальные домашние задания, O л — оценка за сдачу задач из листков, О колл — оценка за коллоквиум и O сем — оценка за работу на семинарах.

4-й модуль

Накопленная оценка вычисляется по следующей формуле:

O накопленная = 0,2 * O к/р + 0,1 * O д/з + 0,3 * O л + 0,4 * О колл + 0,1 * O сем,

где O к/р — оценка за контрольную работу по итогам третьего модуля, O д/з — оценка за индивидуальные домашние задания, O л — оценка за сдачу задач из листков, О колл — оценка за коллоквиум и O сем — оценка за работу на семинарах.

Итоговая оценка будет выражаться через (не округленную) накопленную оценку и оценку за экзамен следующим образом:

O итоговая = 0,8 * O накопленная + 0,2 * О экз.

Способ округления итоговой оценки: результат между 3 и 4 округляется до 3, во всех остальных случаях оценка заменяется ближайшим целым числом из интервала от 1 до 10.

Информация для основного потока

Порядок формирования итоговой оценки

2-й модуль

Формула для накопленной оценки:

O накопленная = 0,2 * O к/р + 0,2 * O д/з + 0,2 * O л + 0,4 * О колл + 0,1 * O сем,

где O к/р — оценка за контрольную работу, O д/з — оценка за большие домашние задания, O л — оценка за сдачу задач из листков, О колл — оценка за коллоквиум и O сем — оценка за работу на семинарах.

Итоговая оценка выражалась через накопленную оценку и оценку за экзамен следующим образом:

O итоговая = 0,75 * O накопленная + 0,25 * О экз.

В этой формуле используется неокруглённое значение накопленной оценки.

Способ округления итоговой оценки: результат между 3 и 4 округляется до 3, во всех остальных случаях округление арифметическое.

4-й модуль

Формулы для вычисления накопленной и итоговой оценок, а также правила их округления такие же, как во 2-м модуле.

Краткое содержание лекций

1-2 модули

Лекция 1 (5.09.2016). Системы линейных уравнений. Совместные и несовместные системы линейных уравнений. Эквивалентные системы линейных уравнений. Расширенная матрица системы линейных уравнений. Элементарные преобразования системы линейных уравнений и соответствующие преобразования строк её расширенной матрицы. Сохранение множества решений системы линейных уравнений при элементарных преобразованиях.

Лекция 2 (12.09.2016). Ступенчатые матрицы. Улучшенный ступенчатый (канонический) вид матрицы. Приведение матрицы к ступенчатому виду элементарными преобразованиями строк. Приведение ступенчатой матрицы к улучшенному ступенчатому виду элементарными преобразованиями строк. Метод Гаусса решения систем линейных уравнений. Главные и свободные неизвестные. Общее решение системы линейных уравнений. Однородные системы линейных уравнений. Существование ненулевого решения у однородной системы линейных уравнений, у которой число неизвестных больше, чем число уравнений.

Лекция 3 (19.09.2016). Матрицы. Равенство матриц. Операции сложения и умножения на скаляр для матриц, свойства этих операций. Пространство R^n, его отождествление с матрицами-столбцами высоты n. Транспонирование матриц, его простейшие свойства. Умножение матриц, примеры. Матричная форма записи системы линейных уравнений.

Лекция 4 (26.09.2016). Основные свойства умножения матриц. Некоммутативность умножения матриц. Диагонали квадратной матрицы. Диагональные матрицы. Умножение на диагональную матрицу. Единичная матрица. Матричные единицы. Умножение на матричную единицу. Реализация элементарных преобразований строк матрицы при помощи умножения слева на подходящую матрицу.

Лекция 5 (3.10.2016). След квадратной матрицы и его свойства. Перестановки и подстановки. Инверсии. Знак и чётность подстановки. Произведение подстановок. Ассоциативность произведения подстановок. Тождественная подстановка. Обратная подстановка. Знак обратной подстановки. Транспозиции, элементарные транспозиции. Изменение знака подстановки при умножении справа на элементарную транспозицию.

Лекция 6 (10.10.2016). Изменение знака подстановки при умножении справа на произвольную транспозицию. Разложение подстановки в произведение транспозиций, а также в произведение элементарных транспозиций. Теорема о знаке произведения подстановок. Определитель квадратной матрицы. Определители порядков 2 и 3. Определитель транспонированной матрицы. Определитель матрицы со строкой (столбцом) нулей. Поведение определителя при умножении строки (столбца) на число и при разложении строки (столбца) в сумму двух строк (столбцов).

Лекция 7 (17.10.2016). Поведение определителя при перестановке двух строк (столбцов). Определитель матрицы, содержащей две одинаковых строки (два одинаковых столбца). Поведение определителя при прибавлении к строке (столбцу) другой, умноженной на число. Верхнетреугольные и нижнетреугольные матрицы, их определители. Определитель с углом нулей. Определитель произведения матриц.

Лекция 8 (31.10.2016). Дополнительные миноры и алгебраические дополнения к элементам квадратной матрицы. Разложение определителя по строке (столбцу). Лемма о фальшивом разложении определителя. Обратная матрица, её единственность. Невырожденные матрицы. Определитель обратной матрицы. Присоединённая матрица. Критерий обратимости квадратной матрицы, явная формула для обратной матрицы. Следствия из критерия обратимости. Матричные уравнения вида AX=B и XA=B, где A -- невырожденная квадратная матрица; единственность решения, нахождение решения при помощи элементарных преобразований. Вычисление обратной матрицы при помощи элементарных преобразований.

Лекция 9 (7.11.2016). Формулы Крамера. Понятие поля. Простейшие примеры. Построение поля комплексных чисел. Алгебраическая форма комплексного числа, его действительная и мнимая части. Комплексное сопряжение. Геометрическая модель комплексных чисел, интерпретация сложения и сопряжения в этой модели. Модуль комплексного числа, его свойства.

Лекция 10 (14.11.2016). Аргумент комплексного числа. Тригонометрическая форма комплексного числа. Умножение, деление и возведение в степень комплексных чисел в тригонометрической форме. Формула Муавра. Извлечение корней из комплексных чисел. Основная теорема алгебры комплексных чисел (без доказательства). Теорема Безу. Кратность корня многочлена. Теорема о том, что всякий многочлен степени n с комплексными коэффициентами имеет ровно n корней с учётом кратностей.

Лекция 11 (21.11.2016). Векторные пространства, простейшие следствия из аксиом. Подпространства векторных пространств. Свойство множества решений однородной системы линейных уравнений. Линейная комбинация конечного набора векторов. Линейная оболочка подмножества векторного пространства и её свойство. Конечномерные и бесконечномерные векторные пространства.

Лекция 12 (28.11.2016). Линейно зависимые и линейно независимые системы векторов. Критерий линейной зависимости конечного набора векторов. Основная лемма о линейной зависимости. Базис векторного пространства, координаты вектора в базисе. Базис как линейно независимая порождающая система. Существование базиса у конечномерного векторного пространства. Независимость числа элементов в базисе векторного пространства от выбора базиса. Размерность конечномерного векторного пространства. Лемма о добавлении вектора к конечной линейной независимой системе.

Лекция 13 (5.12.2016). Эквивалентные условия, определяющие конечномерное векторное пространство размерности n. Дополнение до базиса произвольной линейно независимой системы векторов конечномерного векторного пространства. Размерность подпространства конечномерного векторного пространства. Фундаментальная система решений однородной системы линейных уравнений. Метод построения фундаментальной системы решений. Ранг системы векторов. Связь ранга системы векторов с размерностью её линейной оболочки. Ранг матрицы: столбцовый и строковый. Сохранение линейных зависимостей между столбцами матрицы при элементарных преобразованиях строк.

Лекция 14 (12.12.2016). Инвариантность столбцового и строкового рангов матрицы при элементарных преобразованиях строк и столбцов. Столбцовый и строковый ранги матрицы, имеющей улучшенный ступенчатый вид. Равенство столбцового и строкового рангов матрицы. Связь ранга квадратной матрицы с её определителем. Подматрицы. Связь рангов матрицы и её подматрицы. Миноры. Теорема о ранге матрицы. Теорема Кронекера-Капелли. Критерий существования единственного решения у совместной системы линейных уравнений в терминах ранга её матрицы коэффициентов. Критерий существования единственного решения у системы линейных уравнений с квадратной матрицей коэффициентов в терминах её определителя. Размерность пространства решений однородной системы линейных уравнений в терминах ранга её матрицы коэффициентов.

3-4 модули

Лекция 15 (19.12.2016). Сумма двух подпространств векторного пространства. Связь размерностей двух подпространств с размерностями их суммы и пересечения. Сумма нескольких подпространств векторного пространства. Линейно независимые подпространства, пять эквивалентных условий. Разложение векторного пространства в прямую сумму нескольких подпространств. Описание всех базисов конечномерного векторного пространства в терминах одного базиса и матриц координат. Матрица перехода от одного базиса конечномерного векторного пространства к другому.

Лекция 16 (16.01.2017). Формула преобразования координат вектора при замене базиса. Линейные отображения векторных пространств. Примеры. Изоморфизм векторных пространств. Отображение, обратное к изоморфизму. Изоморфные векторные пространства. Композиция двух линейных отображений, композиция двух изоморфизмов. Отношение изоморфности на множестве всех векторных пространств. Классы изоморфизма векторных пространств. Критерий изоморфности двух конечномерных векторных пространств.

Лекция 17 (23.01.2017). Задание линейного отображения путём задания образов векторов фиксированного базиса. Матрица линейного отображения. Примеры. Связь координат вектора и его образа при линейном отображении. Формула изменения матрицы линейного отображения между векторными пространствами V и W при замене их базисов. Операции сложения и умножения на скаляр на множестве всех линейных отображений между двумя векторными пространствами. Матрица суммы двух линейных отображений и произведения линейного отображения на скаляр. Изоморфизм между пространством Hom(V,W) и пространством (m x n)-матриц, где n = dim V, m = dim W. Матрица композиции двух линейных отображений.

Лекция 18 (30.01.2017). Ядро и образ линейного отображения; утверждение о том, что они являются подпространствами в соответствующих векторных пространствах. Критерий инъективности линейного отображения в терминах его ядра. Характеризация изоморфизмов в терминах их ядер и образов. Связь размерности образа линейного отображения с рангом его матрицы. Оценки на ранг произведения двух матриц. Свойство образов векторов, дополняющих базис ядра до базиса всего пространства. Теорема о связи размерностей ядра и образа линейного отображения. Приведение матрицы линейного отображения к диагональному виду с единицами и нулями на диагонали. Линейные функции на векторном пространстве. Примеры.

Лекция 19 (6.02.2017). Двойственное (сопряжённое) векторное пространство, его размерность в конечномерном случае. Двойственный базис. Утверждение о том, что всякий базис сопряжённого пространства двойствен некоторому базису исходного пространства. Утверждение о том, что всякое подпространство в F^n является множеством решений некоторой однородной системы линейных уравнений. Билинейные функции (формы) на векторном пространстве. Примеры. Матрица билинейной формы по отношению к фиксированному базису. Существование и единственность билинейной формы с заданной матрицей. Формула изменения матрицы билинейной формы при переходе к другому базису.

Лекция 20 (13.02.2017). Ранг билинейной формы. Симметричные билинейные формы. Критерий симметричности билинейной формы в терминах её матрицы в каком-либо базисе. Квадратичные формы. Соответствие между симметричными билинейными формами и квадратичными формами. Симметризация билинейной формы и поляризация квадратичной формы. Канонический вид квадратичной формы. Теорема о приведении квадратичной формы к каноническому виду. Метод Лагранжа.

Лекция 21 (20.02.2017). Угловые миноры матрицы квадратичной формы. Метод Якоби приведения квадратичной формы к каноническому виду. Нормальный вид квадратичной формы над полем R. Приведение квадратичной формы над R к нормальному виду. Положительный и отрицательный индексы инерции квадратичной формы над R. Закон инерции. Положительно определённые, отрицательно определённые, неотрицательно определённые, неположительно определённые, неопределённые квадратичные формы над R. Примеры.

Лекция 22 (27.02.2017). Следствие метода Якоби: вычисление отрицательного индекса инерции квадратичной формы над R. Критерий Сильвестра положительной определённости квадратичной формы. Критерий отрицательной определённости квадратичной формы. Евклидово пространство. Скалярное произведение. Длина вектора евклидова пространства. Неравенство Коши-Буняковского. Угол между ненулевыми векторами евклидова пространства. Матрица Грама системы векторов евклидова пространства. Определитель матрицы Грама: неотрицательность, критерий положительности. Ортогональное дополнение подмножества евклидова пространства. Размерность ортогонального дополнения подпространства, ортогональное дополнение к ортогональному дополнению подпространства. Разложение евклидова пространства в прямую сумму подпространства и его ортогонального дополнения. Ортогональная проекция вектора на подпространство, ортогональная составляющая вектора относительно подпространства.

Лекция 23 (6.03.2017). Явная формула для ортогональной проекции вектора на подпространство в R^n, заданное своим базисом. Ортогональные и ортонормированные системы векторов евклидова пространства, ортогональные и ортонормированные базисы. Теорема о существовании ортонормированного базиса. Описание всех ортонормированных базисов в терминах одного ортонормированного базиса и матриц перехода. Ортогональные матрицы и их свойства. Формула для ортогональной проекции вектора на подпространство в терминах его ортогонального базиса. Метод ортогонализации Грама-Шмидта. Теорема Пифагора в евклидовом пространстве.

Лекция 24 (13.03.2017). Расстояние между векторами евклидова пространства. Неравенство треугольника. Расстояние между двумя подмножествами евклидова пространства. Теорема о расстоянии от вектора до подпространства. Метод наименьших квадратов для несовместных систем линейных уравнений: постановка задачи и её решение. Единственность псевдорешения и явная формула для него в случае линейной независимости столбцов матрицы коэффициентов. Формула для расстояния от вектора до подпространства в терминах матриц Грама. k-мерный параллелепипед. Объём k-мерного параллелепипеда в евклидовом пространстве. Вычисление объёма k-мерного параллелепипеда при помощи определителя матрицы Грама задающих его векторов. Формула для объёма n-мерного параллелепипеда в n-мерном евклидовом пространстве в терминах координат задающих его векторов в ортонормированном базисе. Отношение одинаковой ориентированности на множестве базисов евклидова пространства.

Лекция 25 (20.03.2017). Ориентация в евклидовом пространстве. Ориентированный объём n-мерного параллелепипеда в n-мерном евклидовом пространстве. Трёхмерное евклидово пространство. Смешанное произведение векторов, его выражение в координатах, критерий компланарности трёх векторов. Векторное произведение, критерий коллинеарности двух векторов. Связь векторного произведения со смешанным произведением. Антикоммутативность и билинейность векторного произведения. Двойное векторное произведение, тождество Якоби. Выражение векторного произведения в координатах. Связь множества решений системы линейных уравнений с множеством решений соответствующей однородной системы.

Лекция 26 (5.04.2017). Линейные многообразия в R^n. Характеризация линейных многообразий как сдвигов подпространств. Критерий равенства двух линейных многообразий. Направляющее подпространство и размерность линейного многообразия. Понятия репера и аффинной системы координат на линейном многообразии. Теорема о плоскости, проходящей через любые k+1 точек в R^n, следствия для двух и трёх точек. Случаи взаимного расположения двух линейных многообразий: совпадают, одно содержится в другом, параллельны, скрещиваются. Прямые в R^2: различные способы задания, уравнение прямой, проходящей через две различные точки. Плоскости в R^3: различные способы задания, уравнение плоскости, проходящей через три точки, не лежащие на одной прямой. Прямые в R^3: различные способы задания, уравнение прямой, проходящей через две различные точки.

Лекция 27 (12.04.2017). Взаимное расположение двух плоскостей, двух прямых, прямой и плоскости, трёх плоскостей в R^3. Расстояние от точки до прямой, от точки до плоскости, между двумя скрещивающимися прямыми в R^3. Угол между двумя прямыми, между прямой и плоскостью, между двумя плоскостями. Линейные операторы (линейные преобразования). Матрица линейного оператора в фиксированном базисе. Следствия общих фактов о линейных отображениях: существование и единственность линейного оператора с данной матрицей в фиксированном базисе, связь координат вектора и его образа, формула изменения матрицы линейного оператора при замене базиса. Инвариантность определителя и следа матрицы линейного оператора относительно замены базиса. Подобные матрицы, отношение подобия на множестве квадратных матриц фиксированного порядка. Критерий обратимости линейного оператора в терминах его ядра, образа и определителя.

Лекция 28 (19.04.2017). Подпространства, инвариантные относительно линейного оператора. Примеры. Ограничение линейного оператора на инвариантное подпространство. Вид матрицы линейного оператора в базисе, часть которого порождает инвариантное подпространство. Собственные векторы, собственные значения и спектр линейного оператора. Примеры. Диагонализуемые линейные операторы. Критерий диагонализуемости линейного оператора в терминах существования базиса из собственных векторов. Собственное подпространство, отвечающее фиксированному собственному значению линейного оператора. Характеристический многочлен линейного оператора. Связь спектра линейного оператора с его характеристическим многочленом. Существование собственного вектора для линейного оператора в комплексном векторном пространстве.

Лекция 29 (26.04.2017). Алгебраическая и геометрическая кратности собственного значения линейного оператора, связь между ними. Линейная независимость собственных подпространств линейного оператора, отвечающих попарно различным собственным значениям. Диагонализуемость линейного оператора, у которого число корней характеристического многочлена равно размерности пространства. Критерий диагонализуемости линейного оператора в терминах его характеристического многочлена, а также алгебраической и геометрической кратностей его собственных значений. Существование одномерного или двумерного инвариантного подпространства у линейного оператора в действительном векторном пространстве.

Лекция 30 (10.05.2017). Билинейные функции, связанные с линейным оператором в евклидовом пространстве. Сопряжённый оператор, его существование и единственность. Самосопряжённые (симметрические) операторы. Самосопряжённость оператора ортогонального проектирования на подпространство. Инвариантность ортогонального дополнения к подпространству, инвариантному относительно самосопряжённого оператора. Существование собственного вектора у самосопряжённого оператора. Теорема о существовании у самосопряжённого оператора ортонормированного базиса из собственных векторов. Попарная ортогональность собственных подпространств самосопряжённого оператора. Приведение квадратичной формы в евклидовом пространстве к главным осям. Ортогональные линейные операторы, пять эквивалентных условий.

Лекция 31 (17.05.2017). Описание ортогональных операторов в одномерном и двумерном евклидовых пространствах. Инвариантность ортогонального дополнения к подпространству, инвариантному относительно ортогонального оператора. Теорема о каноническом виде ортогонального оператора. Классификация ортогональных операторов в трёхмерном евклидовом пространстве. Теорема о сингулярных базисах для линейного отображения евклидовых пространств. Сингулярное разложение матрицы и её сингулярные значения.

Лекция 32 (24.05.2017). Квадратичная форма, связанная с линейным отображением евклидовых пространств, и её свойства. Алгоритм нахождения сингулярного разложения матрицы. Усечённое сингулярное разложение матрицы. Представление матрицы в виде суммы компонент ранга 1, связанное с её сингулярным разложением. Фробениусова норма матрицы. Теорема о низкоранговом приближении (без доказательства).

Лекция 33 (31.05.2017). Движения евклидова пространства. Теорема о разложении движения в композицию ортогонального преобразования и параллельного переноса. Прямоугольные декартовы системы координат в евклидовом пространстве. Формулы замены координат при переходе от одной прямоугольной декартовой системы координат к другой. Квадрики (гиперповерхности 2-го порядка) в R^n. Теорема о каноническом виде уравнения квадрики в евклидовом пространстве. Метрическая классификация кривых 2-го порядка в R^2. Метрическая классификация поверхностей 2-го порядка в R^3 (начало).

Лекция 34 (7.06.2017). Метрическая классификация поверхностей 2-го порядка в R^3. Эллипс, гипербола, парабола: основные геометрические свойства (фокусы, директрисы, эксцентриситет, оптическое свойство). Теорема о жордановой нормальной форме линейного оператора (формулировка). Корневые подпространства линейного оператора. Теорема о разложении векторного пространства в прямую сумму корневых подпространств линейного оператора (формулировка).

Лекция 35 (14.06.2017). Схема доказательства теоремы о жордановой нормальной форме линейного оператора: сведение к случаю нильпотентного оператора, конструкция жорданова базиса для нильпотентного оператора и формулы для числа жордановых клеток заданного размера. Обзор теории полуторалинейных форм и эрмитовых пространств.

Листки с задачами

Правила сдачи и оценивания задач из листков:

• каждый пункт в листке считается отдельной задачей
• сдача задачи возможна только при наличии её решения в письменном виде
• результатом сдачи одной задачи может быть 0 или 1

Сроки сдачи листка 4:

других ограничений нет

Лабораторные работы

Для каждой лабораторной работы файл с условием представляет собой IPython ноутбук. Выполнять работу нужно прямо в нём . При этом, пожалуйста, не затирайте условий задач. Задание должно быть выполнено на языке Python.

Готовые лабораторные нужно сдавать в систему AnyTask . Инвайты для регистрации на курс:

Краткое руководство по работе с системой прилагается .

Для того чтобы начать работать с IPython (Jupyter) ноутбуками, рекомендуется скачать Анаконду (теоретически можно и без неё справиться, но лучше не ищите себе сложностей).

Все вопросы по лабораторным работам можно задавать Станиславу Николаевичу Федотову. Пишите на почту: [email protected]

Внимание: тема письма должна начинаться с [ФКН - лабораторная N] , где N — номер лабораторной работы.

Без этого письмо с некоторой вероятностью может остаться без ответа.

Лабораторная работа 1 (2-й модуль)

Срок:

Лабораторная работа 2 (3-й модуль)

Лабораторная работа 3 (4-й модуль)

Файл с условием и остальные файлы лежат .

Контрольные работы

2-й модуль

На контрольной было разрешено иметь с собой только ручку, бумагу и электронное устройство с единственной функцией "калькулятор".

• Решение систем линейных уравнений
• Действия с матрицами
• Подстановки
• Определители 2-го и 3-го порядка
• Определители произвольного порядка: определение
• Вычисление определителей произвольного порядка

4-й модуль

Разрешения на контрольной: иметь с собой только ручку, бумагу и электронное устройство с единственной функцией "калькулятор".

Ниже приводится список задач, рекомендуемых к прорешиванию для подготовки к контрольной. Задачи в списке рассортированы по темам, номера с пометкой "П" даны по задачнику Проскурякова, номера с пометкой "К" — по задачнику Кострикина, номера с пометкой "КК" — по задачнику Ким–Крицкова.

• Сумма и пересечение двух подпространств векторного пространства: П 1317, 1318, 1320--1322; К 35.14, 35.15

• Линейные отображения и их матрицы: П 1434--1438, 1441--1444, 1445, 1446, 1449, 1450; К 39.15, 39.16

• Нахождение базиса ядра и базиса образа линейного отображения: К 39.5; задача 2(б) из ИДЗ-4

• Билинейные функции, квадратичные формы и их матрицы: К 37.6, 37.8, 37.10

• Приведение квадратичной формы к каноническому и нормальному виду: П 1175--1186; К 38.18(а--г)

• Исследование квадратичных форм на положительную определённость: П 1212--1216; К 38.11(а--г)

• Метод ортогонализации Грама-Шмидта: П 1357--1363; К 43.7(а--г), 43.15(а--в)

• Ортогональная проекция вектора на подпространство: П 1370--1372; К 43.19(а--в)

• Расстояние от точки до линейного многообразия: П 1374; К 43.21(а--г), 51.7

• Уравнения прямых и плоскостей в трёхмерном пространстве: КК 26.28--26.37, 26.39--26.47, 26.50, 27.34, 27.39--27.42, 31.1--31.3, 31.5--31.8, 31.21--31.25, 31.27--31.32

• Взаимное расположение прямых и/или плоскостей в трёхмерном пространстве: КК 27.29, 27.32, 27.38, 31.13--31.15, 31.18, 31.19

• Метрические задачи в трёхмерном пространстве: КК 32.28--32.31, 32.34, 32.35, 32.37, 32.38--32.40

• Изменение матрицы линейного оператора при переходе к другому базису: П 1452--1454; К 39.19--39.21

• Собственные векторы и собственные значения линейных операторов: П 1465--1474; К 40.15

• Диагонализуемость линейных операторов: П 1479--1483; К 40.16

Коллоквиумы

Формат проведения коллоквиумов

Этап 1. Студент вытягивает пять бумажек из списка определений/формулировок, ему даётся 10 минут на их написание, после чего один из принимающих проверяет результат. Если результат не выше 3 (из 5), то коллоквиум завершается с оценкой 0. Если результат 4, то студент переходит на этап 2 с несгораемой оценкой 1. Если результат 5, то студент переходит на этап 2 с несгораемой оценкой 2.

Этап 2. Студент вытягивает билет с двумя вопросами из списка вопросов на доказательство, ему даётся 40 минут на подготовку, после чего начинается разговор с принимающим (как правило, другим). По результатам разговора выставляется окончательная оценка.

2-й модуль

4-й модуль

Экзамен 2-й модуль

Задачи для подготовки к экзамену (рассортированы по темам, номера с пометкой "П" даны по задачнику Проскурякова, номера с пометкой "К" — по задачнику Кострикина):

• Системы линейных уравнений: П 82–89, 567–581, 689–704, 712–720, 724–732; К 8.1, 8.2, 8.4
• Действия с матрицами: П 788–798, 801, 805, 822–825, 836–845, 861–870, 937; К 17.1–17.4, 18.1, 18.3, 18.8–18.11
• Подстановки: П 125, 128, 155, 170, 176, 177, 178, 184; К 3.1–3.4, 3.6, 3.7
• Определители: П 1–12, 43–60, 188–206, 212–214, 224– 232, 236–240, 257–269, 279, 316; К 9.1, 9.2, 10.1–10.4, 11.1–11.4, 12.1, 12.2, 13.1
• Комплексные числа: К 20.1, 20.2, 20.4, 20.11, 21.1, 21.2, 22.7
• Векторные пространства, линейная зависимость, базис, подпространства: П 639–644, 665–669, 672–676, 679–681, 1285–1293, 1297–1304, 1308, 1310, 1311, 1824–1828; К 34.1–34.4, 35.1–35.3, 35.11
• Ранг матрицы: П 612, 613, 619–622, К 7.1, 7.2

Экзамен 4-й модуль

Формат проведения: письменная работа

Разрешения: иметь с собой ручку и электронное устройство с единственной функцией "калькулятор"

Запреты: иметь при себе средства связи (при обнаружении такового производится удаление с экзамена с выставлением оценки 0)