Линейная зависимость и независимость систем векторов. Критерии ЛЗ и ЛНЗ.

Теоретический материал

Задача

Выяснить, является ли система векторов линейно зависимой или линейно независимой.

$x_{1}=(1,2,3)$

$x_{2}=(3,6,7)$

Решение:

Построим линейную комбинацию из векторов системы.

$\alpha_{1}x_{1}+\alpha_{2}x_{2}=0$

$\alpha_{1}(1,2,3)+\alpha_{2}(3,6,7)=0$

$(\alpha_{1},2\alpha_{1},3\alpha_{1})+(3\alpha_{2},6\alpha_{2},7\alpha_{2})=0$

$(\alpha_{1}+3\alpha_{2},2\alpha_{1}+6\alpha_{2},3\alpha_{1}+7\alpha_{2})=0$

Далее, необходимо решить однородную систему линейных уравнений.

$\left\{\begin{matrix}
\alpha_{1} &+3\alpha_{2} &=0 \\
2\alpha_{1}&+6\alpha_{2} &=0 \\
3\alpha_{1}&+7\alpha_{2} &=0
\end{matrix}\right. $

Как видим, первое и второе уравнения линейно зависимы, т.е. ранг системы равен 2. Так как ранг системы совпадает с числом неизвестных, то система имеет только нулевое решение.

$\alpha_{1}=\alpha_{2}=0$

Система линейно независима по критерию ЛНЗ.

 Задача

Выяснить, является ли система векторов линейно зависимой или линейно независимой.

$x_{1}=(5,4,3)$

$x_{2}=(3,3,2)$

$x_{3}=(8,1,3)$

Решение:

Построим линейную комбинацию из векторов системы.

$\alpha_{1}x_{1}+\alpha_{2}x_{2}+\alpha_{3}x_{3}=0$

$\alpha_{1}(5,4,3)+\alpha_{2}(3,3,2)+\alpha_{3}(8,1,3)=0$

$(5\alpha_{1},4\alpha_{2},3\alpha_{3})+(3\alpha_{1},3\alpha_{2},2\alpha_{3})+(8\alpha_{1},\alpha_{2},3\alpha_{3})=0$

Составим систему линейных уравнений.

$
\left\{\begin{matrix}
5\alpha_{1}&+4\alpha_{2} &+,3\alpha_{3} &=0 \\
3\alpha_{1}&+3\alpha_{2} &+2\alpha_{3} &=0 \\
8\alpha_{1}&+\alpha_{2} &+3\alpha_{3} &=0
\end{matrix}\right. $

Решим систему уравнений методом Гаусса.

$\begin{pmatrix}
5 &4 &3 \\
3&3 &2 \\
8&1 &3
\end{pmatrix}
\sim
\begin{pmatrix}
-1&-2 &-1 \\
0&-3 &-1 \\
0&-15 &-5
\end{pmatrix}
\sim$ $
\begin{pmatrix}
-1 &-2 &-1 \\
0&-3 &-1
\end{pmatrix}$

$\left\{\begin{matrix}
-\alpha_{1}&-2\alpha_{2} &-\alpha_{3} &=0 \\
&-3\alpha_{2} &-\alpha_{3} &=0
\end{matrix}\right.$

Общее решение системы будет иметь следующий вид:

$\alpha_{3}=-3\alpha_{2}$

$\alpha_{1}=\alpha_{2}$

Т.е. система линейно зависима по первому критерию ЛЗ.

Литература

Симметрическая группа

Множество всех подстановок порядка n с операцией умножения подстановок образуют группу S_n. Единичным элементом группы является подстановка e=\begin{pmatrix}1&2&\cdots&n\\1&2&\cdots&n\end{pmatrix}, обратной подстановкой для \pi=\begin{pmatrix}i_1&i_2&\cdots&i_n\\j_1&j_2&\cdots&j_n\end{pmatrix} является \pi^{-1}=\begin{pmatrix}j_1&j_2&\cdots&j_n\\i_1&i_2&\cdots&i_n\end{pmatrix}. Порядок этой группы равен n!.
Группа S_n называется симметрической группой порядка n .
При n>2 группа S_n не коммутативна.

Пример

Группа S_3 состоит из шести элементов: e=\begin{pmatrix}1&2&3\\1&2&3\end{pmatrix},\begin{pmatrix}1&2&3\\1&3&2\end{pmatrix},\begin{pmatrix}1&2&3\\2&1&3\end{pmatrix},\begin{pmatrix}1&2&3\\2&3&1\end{pmatrix},\begin{pmatrix}1&2&3\\3&1&2\end{pmatrix},\begin{pmatrix}1&2&3\\3&2&1\end{pmatrix}. Эта группа не коммутативна: произведение \begin{pmatrix}1&2&3\\1&2&3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&2&3\\1&3&2\end{pmatrix} равно \begin{pmatrix}1&2&3\\2&1&3\end{pmatrix}, что отлично от \begin{pmatrix}1&2&3\\1&3&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&2&3\\2&3&1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&2&3\\3&2&1\end{pmatrix}.

Задача

Доказать, что порядок группы S_n равен n!.

Спойлер

Найдём порядок |S_n| группы S_n. Символ 1 можно подходящей перестановкой \sigma перевести в любой другой символ \sigma (1), для чего существует в точности n различных возможностей. Но, зафиксировав \sigma (1), в качестве \sigma (2) мы имеем право брать только один из оставшихся n-1 символов (всего различных пар \sigma (1),\sigma (2) имеется (n-1)+(n-1)+...+(n-1)=n(n-1) ), в качестве \sigma (3) — соответственно n-2 символов и т.д. Всего возможностей выбора \sigma (1),\sigma (2),...\sigma (n), а стало быть, и различных перестановок будет n(n-1)...2\cdot 1=n!.

[свернуть]

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.

Циклическая группа

Будем говорить, что группа G является циклической, если существует такой элемент a\in G, что всякий элемент x\in G может быть записан в виде x=a^n, где n\in Z(другими словами, если отображение f: Z\rightarrow G, определяемое формулой f(n)=a^n,сюръективно). При этом элемент a называется образующей группы G. Всякая циклическая группа, очевидно, абелева.
Примером бесконечной циклической группы служит аддитивная группа целых чисел — всякое целое число кратно числу 1, то есть это число служит образующим элементом рассматриваемой группы; в качестве образующего элемента можно было бы также взять число -1.
Примером конечной циклической группы порядка n служит мультипликативная группа корней n-ой степени из единицы. Все эти корни являются степенями одного их них, а именно первообразного корня.

Задача

Пусть G — группа с групповой операцией \ast и g\in G. Доказать, что множество H=\{g^k, (g')^k|k\in N\cup \{0\}\} является группой. Группа H является циклической, порождённой g. H=\langle g\rangle.

Спойлер
[свернуть]

Решение.Введём обозначения: g'=g^{-1}, (g')^k=g^{-k}. Докажем, что для m,n\in Z выполняется g^m\ast g^n=g^{m+n}.
 m\geq 0, n\geq 0\Rightarrow g^m\ast g^n=g^{m+n}.
-n\leq m<0

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

Определители n-го порядка и их свойства. Вычисление определителей приведением к треугольному виду, разложением по строке, применением общей теоремы Лапласа.

Cвойства определителя

Пример 1

Используя свойства определителя, доказать следующее тождество:

\begin{vmatrix}am+bp & an+bq \\ cm+dp & cn+dq \end{vmatrix} = \left(mq-np\right)\begin{vmatrix} a & b\\ c & d \end{vmatrix}

Спойлер

Используя аддитивное свойство, представим определитель в виде суммы 4 определителей:

\begin{vmatrix}am+bp & an+bq \\ cm+dp & cn+dq \end{vmatrix} =\begin{vmatrix}am & an \\ cm & cn \end{vmatrix}+\begin{vmatrix}am & bq \\ cm & dq \end{vmatrix}+\begin{vmatrix}bp & an \\ dp & cn \end{vmatrix}+\begin{vmatrix}bp & bq \\ dp & dq \end{vmatrix}

Как видим, столбцы полученных определителей содержат общие множители, которые можно вынести за знак определителя. Получили, что 1 и 4 определители равны нулю, так как имеют равные столбцы:

mn\begin{vmatrix}a & a \\ c & c \end{vmatrix} + mq\begin{vmatrix}a & b \\ c & d \end{vmatrix} +np\begin{vmatrix}b & a \\ d & c \end{vmatrix} +pq\begin{vmatrix}b & b \\ d & d \end{vmatrix} =

= 0 + mq\begin{vmatrix}a & b \\ c & d \end{vmatrix} +np\begin{vmatrix}b & a \\ d & c \end{vmatrix}+0

Во втором определителе поменяем столбцы местами, знак перед этим определителем изменится на противоположный. Далее вынесем общий множитель и получим:

mq\begin{vmatrix}a & b \\ c & d \end{vmatrix} +np\begin{vmatrix}b & a \\ d & c \end{vmatrix} = mq\begin{vmatrix}a & b \\ c & d \end{vmatrix} - np\begin{vmatrix}a & b \\ c & d \end{vmatrix}=

=\left(mq-np\right)\begin{vmatrix}a & b \\ c & d \end{vmatrix}

Тождество доказано.\blacksquare

[свернуть]

Вычисление определителя приведением матрицы к треугольному виду.

Пример 2

Вычислить определитель:

\Delta =\left|\begin{array}{rrrr}-3 & 9 & 3& 6\\ -5 & 8 & 2 & 7\\ 4 & -5 & -3 & -2\\ 7 & -8 & -4 & -5 \end{array}\right|

Спойлер

Дальнейшие преобразования будут проще, если элемент a_{11} равен 1 или -1. Для этого из первой строки вынесем 3 за знак определителя:

\Delta =\left|\begin{array}{rrrr}-3 & 9 & 3& 6\\ -5 & 8 & 2 & 7\\ 4 & -5 & -3 & -2\\ 7 & -8 & -4 & -5 \end{array}\right|=3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1& 2\\ -5 & 8 & 2 & 7\\ 4 & -5 & -3 & -2\\ 7 & -8 & -4 & -5 \end{array}\right|

Далее нам нужно получить нули в первом столбце. Домножим первую строку на -5 и прибавим ко второй, на 4 и прибавим к третей, на 7 и прибавим к четвертой:

\Delta =3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1 & 2\\ 0 & -7 & -3 & -3\\ 0 & 7 & 1 & 6\\ 0 & 13 & 3 & 9 \end{array}\right|

Аналогично, дальнейшие вычисления будут проще, если элемент a_{22} равен 1 или -1. Для этого вторую строку умножим на 2 и прибавим к четвертой строке. Далее поменяем вторую и последнюю строку местами. Перед определителем появится знак «-«.

\Delta =3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1 & 2\\ 0 & -7 & -3 & -3\\ 0 & 7 & 1 & 6\\ 0 & -1 & -3 & 3 \end{array}\right|=-3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1 & 2\\ 0 & -1 & -3 & 3\\ 0 & 7 & 1 & 6\\ 0 & -7 & -3 & -3 \end{array}\right|

Далее нам нужно получить нули во втором столбце под элементом a_{22}. Для этого умножим вторую строку на 7 и прибавим к третей, на -7 и прибавим к четвертой.

\Delta =-3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1 & 2\\ 0 & -1 & -3 & 3\\ 0 & 0 & -20 & 27\\ 0 & 0 & 18 & -24 \end{array}\right|

Прибавим последнюю строку к третьей, потом умножим третью строку на 9 и прибавим к четвертой:

\Delta =-3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1 & 2\\ 0 & -1 & -3 & 3\\ 0 & 0 & -2 & 3\\ 0 & 0 & 18 & -24 \end{array}\right|=-3\cdot\left|\begin{array}{rrrr}-1 & 3 & 1 & 2\\ 0 & -1 & -3 & 3\\ 0 & 0 & -2 & 3\\ 0 & 0 & 0 & 3 \end{array}\right|

Привели определитель к треугольному виду. Его значение равно произведению элементов, стоящих на главной диагонали:

\Delta=-3\cdot\left(\left(-1\right)\cdot\left(-1\right)\cdot\left(-2\right)\cdot\left(3\right)\right)=18

[свернуть]

Разложение по строке или столбцу

Пример 3

Разлагая по 2-му столбцу, вычислить определитель:

\Delta =\left|\begin{array}{rrrr}5 & \:\:a & \:\:2 & -1 \\ 4 & b & 4 & -3\\ 3 & c & 3 & -2\\ 4 & d & 5 & -4 \end{array}\right|

Спойлер

Разложим по второму столбцу:

\Delta =a\cdot(-1)^{3}\cdot\left|\begin{array}{rrr}4 & \:\:4 & -3 \\ 2 & 3 & -2 \\ 4 & 5 & -4 \end{array}\right|+b\cdot(-1)^{4}\cdot\left|\begin{array}{rrr}5 & \:\:2 & -1 \\ 2 & 3 & -2 \\ 4 & 5 & -4 \end{array}\right|+

+\,c\cdot(-1)^{5}\cdot\left|\begin{array}{rrr}5 & \:\:2 & -1 \\ 4 & 4 & -3 \\ 4 & 5 & -4 \end{array}\right|+d\cdot(-1)^{6}\cdot\left|\begin{array}{rrr}5 & \:\:2 & -1 \\ 4 & 4 & -3 \\ 2 & 3 & -2 \end{array}\right|

Вычислим получившиеся определители по правилу треугольника:

\Delta =-a\cdot \left(-48-30-32+36+32+40\right)+

+b\cdot\left(-60-16-10+12+16+50\right)-

-c\cdot \left(-80-24-20+16+32+75\right)+

+d\cdot \left(40-12-12+8+45+16\right)=

=2a-8b+c+5d

[свернуть]

Применение общей теоремы Лапласа

Пример 4

Вычислить определитель:

\Delta =\left|\begin{array}{rrrrr}2 & -1 & 3 & 4 & -5 \\ 4 & -2 & 7 & 8 & -7\\ -6 & 4 & -9 & -2 & 3\\ 3 & -2 & 4 & 1 & -2\\ -2 & 6 & 5 & 4 & -3 \end{array}\right|

Спойлер

Чтобы облегчить дальнейшие преобразования, из второй строки вычтем удвоенную первую, к третьей строке прибавим удвоенную четвертую:

\Delta =\left|\begin{array}{rrrrr}2 & -1 & 3 & \: \:\:\: 4 & -5 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 3\\ 0 & 0 & -1 & 0 & -1\\ 3 & -2 & 4 & 1 & -2\\ -2 & 6 & 5 & 4 & -3 \end{array}\right|

Выберем в определителе вторую и третью строку и получим:

\Delta = (-1)^{2+3+3+5}\cdot\left|\begin{array}{rr} 1 & 3 \\ -1 & -1\end{array}\right|\cdot \left|\begin{array}{rrr}2 & -1 & \:\:\: 4 \\ 3 & -2 & 1\\ -2 & 6 & 4 \end{array}\right|=

\left(-1+3\right)\cdot\left|\begin{array}{rrr}-1 & 2 & 4 \\ -2 & 3 & 1\\ 6 & -2 & \:\:\: 4 \end{array}\right|

Умножим первый столбец на 2 и прибавим ко второму, на 4 и прибавим к третьему. Разложим по первой строке и получим:

\Delta =2\cdot\left|\begin{array}{rrrr} -1 & 0 & 0 \\ -2 & -1 & -7 \\ 6 & 10 & 28 \end{array}\right|=2\cdot(-1)\cdot\left|\begin{array}{rr} -1 & -7 \\ 10 & 28 \end{array}\right|=

=-2\cdot\left(-28+70\right)=-84

[свернуть]

Литература:

  1. Белозёров Г.С. Конспект лекций.
  2. Проскуряков И.В. Сборник задач по линейной алгебре. М., Физико-математическая литература, 1978 г., стр. 25, 28, 58

Тест


Таблица лучших: Определители n-го порядка и их свойства. Вычисление определителей.

максимум из 17 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

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+aверно.
\RightarrowГруппа 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:<br /> (a+bi)+(-a-bi)=(0+0i)
  1. Ассоциативность умножения
     \forall (a+bi),(c+di),(e+fi)\in C<br /> (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<br /> ((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