Направленные отрезки


Определение 1
Пусть на некоторой прямой либо некоторой плоскости, либо в пространстве заданы две точки $A$ и $B$, которые определяют отрезок $AB$. Отрезок $AB$ назовем направленным отрезком, если для него указано, какая из концевых точек начальная, какая конечная.

$\overline{AB}=a$

Вектор

Определение 2
Если в предыдущем определении точка $A$ совпадает с точкой $B$, то получаем нулевой вектор $\overline{AB}=0.$

Литература:

  1. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1980 — стр.19.
  2. Белозёров Г.С. Конспект лекций.
  3. Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1968 — стр.60-63.
  4. В.А. Ильин, Э.Г Позняк Аналитическая геометрия. М.: Наука, 1988 — стр.12-13.

Подстановки степени n

 Определение:

Любое взаимно однозначное отображение $latex A$ множества первых $latex n$ натуральных чисел на себя называется подстановкой $latex n$-й степени. Всякая подстановка $latex A$ может быть записана при помощи двух перестановок, подписанных одна под другой:

$latex
\begin{pmatrix}
i_{1} & i_{2} & \ldots & i_{n}\\
a_{i_{1}} & a_{i_{2}} & \ldots & a_{i_{n}}
\end{pmatrix} $
через $latex a_{i}$ здесь обозначается то число, в которое при подстановке $latex A$ переходит число $latex i$, $latex i = 1,2,$ $latex \ldots , n$.

Замечание:

От одной записи подстановки $latex A$ к другой можно перейти при помощи транспозиций столбиков. Любая подстановка $latex n$-й степени может быть записана в виде:

$latex \begin{pmatrix}
1 & 2 & \ldots & n\\
a_{1} & a_{2} & \ldots & a_{n}
\end{pmatrix} $
Т.е. с натуральным расположением чисел в верхней строке. При такой записи различные подстановки различаются друг от друга перестановками, стоящими в нижней строке, и поэтому число перестановок из $latex n$ чисел равно $latex n!$ .

Переход к любой другой записи подстановки $latex A$ можно осуществить, как мы знаем, путём последовательного выполнения нескольких транспозиций в верхней строке и соответствующих им транспозиций в нижней строке. Мы одновременно меняем чётность и поэтому сохраняем совпадение или противоположность этих чётностей.

Отсюда следует, что либо при всех записях подстановки $latex A$ чётности верхней и нижней строк совпадают, либо же при всех записях они противоположны. В первом случае подстановка $latex A$ называется чётной, а во втором — нечётной. В частности тождественная подстановка($latex E$) будет чётной:

$latex E =
\begin{pmatrix}
1 & 2 & \ldots & n\\
1 & 2 & \ldots & n
\end{pmatrix} $Число чётных подстановок равно числу нечётных, равно $latex {\frac12 n!}$

Пример

$latex \begin{pmatrix}
4 & 3 & 5 & 2 &1\\
3 & 5 & 2 & 1 &4
\end{pmatrix}$ всегда можно представить в виде $latex \begin{pmatrix}
1 & 2 & 3 & 4 &5\\
4 & 1 & 5 & 3 &2
\end{pmatrix}$

Подстановки степени n

Тест по теме «Подстановки степени $latex n$».

Таблица лучших: Подстановки степени n

максимум из 2 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Список литературы:

Свойства коммутативности и ассоциативности



Основными свойствами бинарных алгебраических операций являются:

Коммутативность (переместительность)
Свойство бинарной алгебраической операции $ \circ ,$ при котором выполняется условие: $ \forall \ x,y \in \mathbb{P}: $ $ (x\circ y)=(y\circ x) ,$ где $ \mathbb{P} $ — некоторое рассматриваемое множество.
Ассоциативность (сочетательность)
Свойство бинарной алгебраической операции $ \circ ,$ при котором выполняется условие: $ \forall \ x,y,z \in \mathbb{P}: $ $ (x\circ y)\circ z=y\circ (x\circ z) ,$ где $ \mathbb{P} $ — некоторое рассматриваемое множество.
Дистрибутивность (распределительный закон)
Свойство согласованности некоторых двух рассматриваемых алгебраических операций $ \oplus $ и $ \otimes $ на одном и том же некотором рассматриваемом множестве $ \mathbb{P} ,$ при котором выполняется условие левой: $ \forall \ x,y,z \in \mathbb{P}: $ $ x\otimes (y\oplus z) $ $ =(x\otimes y)\oplus(x\otimes z) $; и/или правой: $ (y\oplus z) \otimes x $ $ =(y\otimes x)\oplus(z\otimes x) $ дистрибутивности.

Примеры

  1. Проверить коммутативность умножения матриц над полем вещественных чисел.
    Спойлер

    Умножение матриц
    Пусть $ \small A \in \mathbb{M} _{m \times p} ,B \in \mathbb{M} _{p \times n}: $ $ \small C=A\times B;\ C \in \mathbb{M} _{m\times n} \Rightarrow $ $ \small c_{ij}= \underset{k=1} {\overset{p} {\sum}}a_{ik}b_{kj} .$ Очевидно, что для выполнения операции умножения, количество столбцов первой матрицы должно совпадать с количеством строк второй, следовательно, мы доказали, что коммутативность не выполняется для всех матриц, однако всё ещё может выполнятся для квадратных матриц. Проверим это: выполнение коммутативности для матриц будет выглядеть, как $ \small\forall \ A,B \in \mathbb{M}_{n} \ A\times B \overset{?}{=} B\times A,$ если рассматривать результирующую матрицу поэлементно, то это можно интерпретировать, как $ \small \underset{k=1} {\overset{m} {\sum }}a_{ik}b_{kj}\overset {?}{=} \underset{k=1}{ \overset{m}{\sum}}b_{ik}a_{kj},$ то есть в первой сумме мы перемножаем строку первой матрицы на столбец второй, а во второй строку второй матрицы на столбец первой. Ясно, что результаты таких действий будут равны тогда и только тогда, когда обе матрицы будут симметрическими (то есть будут совпадать с собой транспонированными $ \small A^{T}=A$). Следовательно, коммутативность не выполняется даже для квадратных матриц.

    [свернуть]
  2. Доказать, что если ассоциативность выполняется для трёх элементов множества, то способ расстановки скобок не влияет на результат при любом количестве операндов, то есть если:
    $ \forall x,y,z \in \mathbb{P}: $ $ (x\circ y)\circ z=y\circ (x\circ z) ,$ то в выражении $ a _{1} \circ a _{2} \circ … \circ a _{n-1} \circ a _{n}, \,a_{i} \in \mathbb{P} i=\overline{1,n} $ результат не зависит от того, как мы расставим скобки.
    Спойлер

    Докажем это утверждение математической индукцией по количеству операндов.
    База индукции:
    Минимальное количество переменных равно трём, следовательно, из условия имеем: $ \small \forall \,a_{1}, a_{2}, a_{3} \in \mathbb{P}: $ $ \small ( a_{1}\circ a_{2})\circ a_{3}= a_{2}\circ (a_{1}\circ a_{3}) .$ База индукции доказана.
    Предположение индукции:
    $ \small \forall \,n \in \mathbb{N}: $результат выражения $ \small a _{1} \circ a _{2} \circ … \circ a _{n-1} \circ a _{n} \,$ не зависит от порядка расстановки скобок.
    Шаг индукции:
    Пусть предположение индукции справедливо для $ \small \forall \, n \in \mathbb{N} ,$ докажем, что тогда оно справедливо и для $ \small n+1 .$
    Пусть $ \small 1\leq p\leq m< n+1 .$ То есть можно задать справедливое разбиение: $ \small a _{1} \circ a _{2} \circ … \circ a _{n-1} \circ a _{n} = $ $ \small (a _{1} \circ a _{2} \circ … \circ a _{p-1} \circ a _{p}) \circ $ $ \small (a _{p+1} \circ … \circ a _{m-1} \circ a _{m})\circ $ $ \small (a _{m+1} \circ … \circ a _{n-1} \circ a _{n} \circ a _{n+1}) .$ Произведём замену:
    $ \small (a _{1} \circ a _{2} \circ … \circ a _{p-1} \circ a _{p}) = a $
    $ \small (a _{p+1} \circ … \circ a _{m-1} \circ a _{m}) = b $
    $ \small (a _{m+1} \circ … \circ a _{n} \circ a _{n+1}) = c $
    По базе индукции имеем $ \small (a \circ b) \circ c = a \circ (b \circ c ),$ то есть $ \small [ (a _{1} \circ a _{2} \circ … $ $ \circ a _{p-1} \circ a _{p}) \circ $ $ \small (a _{p+1} \circ … $ $ \circ a _{m-1} \circ a _{m}) ] \circ $ $ \small (a _{m+1} \circ … $ $ \circ a _{n-1} \circ a _{n} \circ a _{n+1})=$ $ \small (a _{1} \circ a _{2} \circ … $ $ \circ a _{p-1} \circ a _{p}) \circ $ $ \small [ (a _{p+1} \circ … $ $ \circ a _{m-1} \circ a _{m}) \circ $ $ \small (a _{m+1} \circ … $ $ \circ a _{n-1} \circ a _{n} \circ a _{n+1}) ].$
    В силу свободы выбора $ \small p, m,$ и свободы количества замен такого рода теорема доказана.

    [свернуть]
  3. Проверить дистрибутивность сложения матриц над полем вещественных чисел относительно умножения.
    Спойлер

    Пусть $ A \in \mathbb{M} _{m\times n}; B,C \in \mathbb{M} _{n\times m},$ докажем, что $ A\cdot (B+C)=A\cdot B+A\cdot C.$ Заметим, что $ A=\left \| a_{ij} \right \|,$ $ B=\left \| b_{ji} \right \|,$ $ C=\left \| c_{ji} \right \|,$ $ i=\overline{1,m},$ $ j =\overline{1,n}$, тогда $ A\cdot (B+C)=$ $ \ \left \| a_{ij} \right \|\cdot (\left \| b_{ji} \right \| + \left \| c_{ji} \right \|)=$ $ \ \left \| a_{ij} \right \|\cdot (\left \| b_{ji} + c_{ji} \right \|) = $ $ \ \left \| \underset{i=1}{ \overset{m}{\sum}} a_{ij} \cdot (b_{ji} + c_{ji})\right \| = $ $ \ \left \| \underset{i=1}{ \overset{m}{\sum}} a_{ij} \cdot b_{ji} + \underset{i=1}{ \overset{m}{\sum}} a_{ij} \cdot c_{ji}\right \|=$ $ \ \left \| \underset{i=1}{ \overset{m}{\sum}} a_{ij} \cdot b_{ji} \right \| + \left \| \underset{i=1}{ \overset{m}{\sum}} a_{ij} \cdot c_{ji}\right \| = $ $ \ A\cdot B+A\cdot C.$
    Правая дистрибутивность доказывается аналогично.

    [свернуть]

Источники:

Основные свойства бинарных алгебраических операций.


Таблица лучших: Основные свойства бинарных алгебраических операций.

максимум из 30 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Отношение эквивалентности, связь с разбиениями

Отношение эквивалентности

Введение понятия «отношение эквивалентности»

Бинарное отношение называется отношением эквивалентности, если отвечает условиям:

  1. Рефлексивность: [latex]a \sim a[/latex], [latex]\forall a \in A[/latex];
  2. Симметричность: [latex]a \sim b[/latex], то [latex]b \sim a[/latex], [latex]\forall a,b \in A[/latex];
  3. Транзитивность: [latex]a \sim b[/latex] и [latex]b \sim c[/latex], то [latex]a \sim c[/latex], [latex]\forall a,b,c \in A[/latex].
  4. Если [latex]a[/latex] связан с [latex]b[/latex], будем писать [latex]a \sim b[/latex] и говорить, что [latex]a[/latex] эквивалентен [latex]b[/latex].

Определение

Пусть [latex]\rho[/latex] — отношение эквивалентности, тогда подмножество [latex]\overline{X}=\{y\in A\vert y\sim_{\rho}x\}[/latex] называется классом эквивалентности.

Теорема

Любое отношения эквивалентности на множестве [latex]A[/latex] образует разбиение множества [latex]A[/latex] на классы эквивалентности. Обратно, любое разбиение множества [latex]A[/latex] задает на нем отношение эквивалентности.

Доказательство

Действительно, пусть [latex]K_a[/latex] — группа элементов из [latex]A[/latex] эквивалентных фиксированному элементу [latex]a[/latex]. В силу рефлексивности [latex]a \in K_a[/latex].
Покажем, что для любых [latex]K_a[/latex] и [latex]K_b[/latex]: [latex]K_a = K_b[/latex] или не имеют общих элементов.
Докажем методом «от противного».
Пусть [latex]\exists c: c\in K_a[/latex] и [latex]c\in K_b[/latex], т.е. [latex]c \sim a[/latex] и [latex]c \sim b[/latex], а в силу транзитивности [latex]a \sim b[/latex], и [latex]b \sim a[/latex]. Тогда [latex]\forall x \in K_a[/latex], то [latex]x \sim a[/latex][latex]\Rightarrow[/latex][latex]x \sim b[/latex], т.е. [latex]x \in K_b[/latex]. Таким образом, две группы, имеющие хотя бы [latex]1[/latex] общий элемент, полностью совпадают.
Мы получили разбиение на классы.
Докажем обратное.
Теперь пусть [latex](B_i)_{i\in I}[/latex] — некоторое разбиение множества [latex]A[/latex]. Рассмотрим отношение [latex]\rho[/latex], такое, что [latex]x \sim_{\rho} y[/latex] имеет место тогда и только тогда, когда [latex]x[/latex] и [latex]y[/latex] принадлежат одному и тому же элементу [latex]B_i[/latex] данного разбиения:

[latex]x \sim_{\rho} y \Leftrightarrow (\exists i \in I)(x \in B_i) \land (y \in B_i).[/latex]

Очевидно, что введенное отношение рефлексивно и симметрично. Если для любых [latex]x[/latex],[latex]y[/latex] и [latex]z[/latex] имеет место [latex]x \sim_{\rho} y[/latex] и [latex]y \sim_{\rho} z[/latex], то [latex]x[/latex], [latex]y[/latex] и [latex]z[/latex] в силу определения отношения [latex]\rho[/latex] принадлежат одному и тому же элементу [latex]B_i[/latex] разбиения. Следовательно, [latex]x \sim_{\rho} z[/latex] и отношение [latex]\rho[/latex] транзитивно. Таким образом, [latex]\rho[/latex] — эквивалентность на [latex]A[/latex].

Пример

Отношение равенства [latex] =_\rho [/latex] на множестве действительных чисел является отношением эквивалентности.
[latex]\forall a \in R[/latex]: [latex]a=a[/latex] [latex]\Rightarrow[/latex] [latex] =_\rho [/latex] рефлексивно на множестве [latex]R[/latex];
[latex]\forall a,b \in A[/latex]: [latex]a=b[/latex] и [latex]b=a[/latex] [latex]\Rightarrow[/latex] [latex] =_\rho [/latex] симметрично на множестве [latex]R[/latex];
[latex]\forall a,b,c \in A[/latex]: [latex]a=b[/latex] и [latex]b=c[/latex], то [latex]a=c[/latex] [latex]\Rightarrow[/latex] [latex] =_\rho [/latex] транзитивно на множестве [latex]R[/latex].

Тест поможет определить как хорошо вы усвоили материал.

Источники:

  1. Конспект лекций С.В.Федоровского
  2. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1994,стр 15-17
  3. Отношения эквивалентности на множестве

Простейшие задачи на определение структур группы, кольца, поля

Группа

Множество $G$ с бинарной алгебраической операцией $\ast$ называется группой, если выполняются следующие условия:

  1. Операция $\ast$ в $G$ ассоциативна: $a\ast (b\ast c)=(a\ast b)\ast c \forall a,b,c\in G$;
  2. В $G$ существует нейтральный элемент $\theta :a\ast\theta=\theta\ast a=a \forall a\in G;$
  3. Для каждого элемента $a\in G$ существует обратный ему элемент $a^{-1}\in G: a\ast a^{-1}=a^{-1}\ast a=\theta $.

Если операция коммутативна, то группа называется коммутативной, или абелевой. В противном случае группа называется некоммутативной.

Задача

Доказать, что множество рациональных чисел R является абелевой группой относительно операции сложения.

Спойлер

  1. Ассоциативность очевидна
    $\forall a,b,c\in R a+(b+c)=(a+b)+c$
  2. Нейтральным элементом является число 0.
    $ 0+a=a+0=a \forall a\in r$
  3. Для каждого элемента множества R существует обратные ему элемент, также принадлежащий множеству $R$ .
    $ a^{-1}=-a$
    $\forall a\in R a+(-a)=(-a)+a=\theta=0$

$\Rightarrow R$ является группой относительно операции сложения.
Проверим коммутативность:
$ \forall a,b\in R a+b=b+a$ — верно.
$\Rightarrow$Группа абелева.
Что и требовалось доказать

[свернуть]

Кольцо

Множество $K$ , на котором заданы две операции — сложение (+) и умножение $\cdot$, называется кольцом, если выполняются следующие условия:

  1. Относительно операции сложения множество $K$ — коммутативная группа, т.е:
    1. Операция сложения коммутативна: $a+b=b+a \forall a,b\in K;$
    2. Операция сложения ассоциативна:$ a+(b+c)=(a+b)+c \forall a,b,c\in K;$
    3. Существует нулевой элемент $\theta: a+\theta =\theta +a=a \forall a\in K;$
    4. для каждого элемента существует противоположный ему элемент $(-a)\in K: a+(-a)=(-a)+a=\theta;$
  2. Операция умножения в множестве $K$ ассоциативна:
    $a\cdot (b\cdot c)=(a\cdot b)\cdot c$$ \forall a,b,c\in K$
  3. Операции сложения и умножения связаны законами дистрибутивности:
    $(a+b)\cdot c=a\cdot c+b\cdot c c\cdot (a+b)=c\cdot a+c\cdot b \forall a,b,c\in K$

Если операция умножения коммутативна:$a\cdot b=b\cdot a$, то кольцо называется коммутативным, в противном случае кольцо называется некоммутативным. Если для операции умножения существует единичный элемент $e: a\cdot e=e\cdot a=a$, то говорят, что кольцо — есть кольцо с единицей.

Задача

Проверить яляется ли кольцом множество комплексных чисел.

Спойлер

    1. Коммутативность сложения
      $ (a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i=(c+a)+(d+b)i=(c+di)+(a+bi)$ $ \forall (a+bi),(c+di)\in C$
    2. Ассоциативность сложения
      $ ((a+bi)+(c+di))+(e+fi)=((a+c)+(b+d)i)+(e+fi)=(a+c+e)+(b+d+f)i=(a+bi)+((c+e)+(d+f)i)=(a+bi)+((c+di)+(e+fi))$ $ \forall (a+bi),(c+di),(e+fi)\in C$
    3. Существование нейтрального элемента
      $ \forall (a+bi)\in C (a+bi)+(0+0i)=(a+bi)$
    4. Существование обратного элемента
      $ \forall (a+bi)\in C \exists (-a-bi)\in C:
      (a+bi)+(-a-bi)=(0+0i)$
  1. Ассоциативность умножения
    $ \forall (a+bi),(c+di),(e+fi)\in C
    (a+bi)\cdot ((c+di)\cdot (e+fi))=(a+bi)\cdot ((ce-df)+(cf+de)i)=(a\cdot (ce-df)-b\cdot (cf+de))+(a\cdot (cf+de)+b\cdot (ce-df))i)=(ace-adf-bcf-bde)+(acf+ade+bce-bdf)i=(e\cdot (ac-bd)-f\cdot (ad+bc))+(e\cdot (ad+bc)+ f\cdot (ac-bd))=((a+bi)\cdot (c+di))\cdot (e+fi)$
  2. Дистрибутивность сложения и умножения
    $ \forall (a+bi),(c+di),(e+fi)\in C
    ((a+bi)+(c+di))\cdot (e+fi)=((a+c)+(b+d)i)\cdot (e+fi)=((a+c)e-(b+d)f)+((a+c)f+(b+d)e)i)=(ae+ce-bf-df)+(af+cf+be+de)i=(ae-bf)+(be+af)i+(ce-df)+(cf+de)i=(a+bi)\cdot (e+fi)+(c+di)\cdot (e+fi)$

Множество комплексных чисел является кольцом

[свернуть]

Поле

Полем называется кольцо $P$, обладающее следующими свойствами:
1. Обратимость умножения. $\forall a,b\in P$, где $a\neq 0$, уравнение $ax = b$ имеет (по крайней мере одно) решение, т. е. существует элемент такой, что $aq = b$.

2. $P$ содержит по крайней мере один элемент, отличный от нуля.

Источники

Структуры и подструктуры

Тест на тему «Простейшие задачи на определение структур группы, кольца, поля. Подструктуры.Циклическая группа. Симметрическая группа.». Прочтите все четыре статьи, прежде чем проходить тест.

Таблица лучших: Структуры и подструктуры

максимум из 7 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных