Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Высшая математика - курс лекций 1 часть.pdf
Скачиваний:
339
Добавлен:
14.02.2015
Размер:
801 Кб
Скачать
☆

Если в качестве базиса взять совокупность собственных векторов линейного преобразования, то в этом базисе матрица линейного преобразования имеет вид:

λ1

0

 

A′ =

0

λ2

.

 

 

При переходе к новому базису от переменных Тогда:

Ф = x′y′ + x′ y′

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

2

2

 

 

 

 

 

 

y′

= a′

x′

+ a′

x′

Тогда y′ = λ x′ ,

y′

= λ x′ .

1

11

1

12

 

2

1

1

1

2

2

2

y′

= a′

x′ + a′

 

x′

 

 

 

 

 

 

2

12

1

22

2

 

 

 

 

 

 

x

и x

мы переходим к переменным х′

и х′ .

1

2

1

2

Выражение Ф(x′, x′ ) = λ (x′)2

+ λ (x′ )2

называется каноническим видом квадратичной

1

2

1

1

2

2

 

формы. Аналогично можно привести к каноническому виду квадратичную форму с большим числом переменных.

Теория квадратичных форм используется для приведения к каноническому виду уравнений кривых и поверхностей второго порядка.

Пример. Привести к каноническому виду квадратичную форму

Ф(x , x ) = 27x2 −10x x + 3x2 .

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1

1

2

2

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициенты: a11 = 27 , a12 = 5 , a22

= 3.

 

 

 

 

 

 

Составим характеристическое уравнение:

 

27 − λ

5

 

 

 

= 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

3 − λ

 

 

(27 − λ )(3 − λ ) − 25 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

λ 2 − 30λ + 56 = 0

; λ = 2 ; λ = 28 ; Ф(х′, х′ ) = 2х′2

+ 28х′2

 

 

 

 

1

2

1

2

1

 

2

Собственные значения и собственные вектора

Определение: Пусть L - заданное n - мерное линейное пространство. Ненулевой вектор х L называется собственным вектором линейного преобразования A , если существует такое число λ, что выполняется равенство: A x = λ x .

При этом число λ называется собственным значением (характеристическим числом) линейного преобразования A , соответствующего вектору х .

Определение:

Если линейное преобразование A в некотором базисе e1, e2 ,…, en имеет

a11

a12

...

a1n

 

 

 

 

 

 

a

a

...

a

 

, то собственные значения линейного преобразования А можно

матрицу A = 21

22

 

2n

 

 

...

...

 

 

 

 

 

 

 

... ...

 

 

 

 

 

 

 

an1

an2

...

ann

 

 

 

 

 

 

найти как корни λ1 , λ2 , … , λn

уравнения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11 − λ

a12

…

a1n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a21

a22 − λ

…

a2n

= 0

 

 

 

 

 

 

…

…

…

…

 

 

 

 

 

 

an1

an2

… ann − λ

 

Это уравнение называется характеристическим уравнением, а его левая часть - характеристическим многочленом линейного преобразования A .

76

Следует отметить, что характеристический многочлен линейного преобразования не зависит от выбора базиса.

Рассмотрим частный случай. Пусть A - некоторое линейное преобразование плоскости,

матрица которого равна

a11

a12

 

. Тогда преобразование А может быть задано формулами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a21

a22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11

a12

x

x′

;

x1′ = a11x1 + a12 x2

в некотором базисе e1, e2 .

 

a

a

x

= x′

x′

 

= a x + a x

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

22 2 2 2

 

21 1

 

22 2

 

 

 

 

 

 

 

Если преобразование A имеет собственный вектор с собственным значением λ , то

A x = λ x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1′

= λ x1

= a11x1 + a12 x2

(a11 − λ )x1 + a12 x2 = 0

 

 

 

 

 

 

x′

= λ x

= a

x + a x

или

a

x

+ (a

x −

λ )x = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

21 1

22 2

 

21 1

 

22 2

2

Т.к. собственный вектор x ненулевой, то х1 и х2 не равны нулю одновременно. Т.к. данная система однородна, то для того, чтобы она имела нетривиальное решение, определитель системы должен быть равен нулю. В противном случае по правилу Крамера система имеет единственное решение - нулевое, что невозможно.

= a11 − λ a12 = (a11 − λ )(a22 − λ ) − a12a21 = λ 2 − (a11 + a22 )λ + (a11a22 − a12a21 ) a21 a22

Полученное уравнение является характеристическим уравнением линейного преобразования

A .

Таким образом, можно найти собственный вектор х (x1, x2 ) линейного преобразования A с собственным значением λ , где λ - корень характеристического уравнения, а x1 и x2 - корни системы уравнений при подстановке в нее значения λ .

Понятно, что если характеристическое уравнение не имеет действительных корней, то линейное преобразование A не имеет собственных векторов.

Следует отметить, что если х - собственный вектор преобразования A , то и любой вектор ему коллинеарный - тоже собственный с тем же самым собственным значением λ .

Действительно, A(kx) = kAx = kλ x = λ (kx) . Если учесть, что векторы имеют одно начало, то эти векторы образуют так называемое собственное направление или собственную прямую.

Т.к. характеристическое уравнение может иметь два различных действительных корня λ1 и λ2 , то в этом случае при подстановке их в систему уравнений получим бесконечное количество

решений. (Т.к. уравнения линейно зависимы). Это множество решений определяет две собственные прямые.

Если характеристическое уравнение имеет два равных корня λ1 = λ2 = λ , то либо имеется лишь одна собственная прямая, либо, если при подстановке в систему она превращается в

0 x1 + 0 x2

= 0

. Эта система удовлетворяет любым значениям x1

и x2 . Тогда все

систему вида:

x1

+ 0 x2

= 0

0

 

 

векторы будут собственными, и такое преобразование называется преобразованием подобия. Пример. Найти характеристические числа и собственные векторы линейного

преобразования с матрицей

5

4

 

A =

2

3

.

 

 

 

Запишем линейное преобразование в виде:

x′

= λ x

= 5x

+ 4x

1

1

1

2

 

x′

= λ x

= 2x

+ 3x

 

2

2

1

2

Составим характеристическое уравнение:

77

 

5 − λ

4

 

= (5 − λ )(3 − λ ) − 8 = 15 − 3λ − 5λ + λ 2 − 8 = 0

 

 

 

2

3 − λ

 

 

λ 2 − 8λ + 7 = 0 ;

Корни характеристического уравнения: λ1 = 7;λ2 = 1;

Для корня λ1

(5 − 7)x1 + 4x2

= 0

−2x1 + 4x2 = 0

= 7 :

+ (3 − 7)x2

= 0

 

− 4x2

= 0

 

2x1

2x1

Из системы получается зависимость: x1 − 2x2 = 0 . Собственные векторы для первого корня характеристического уравнения имеют координаты: (t,0,5t) где t- параметр.

Для корня λ2

(5 −1)x1 + 4x2

= 0

4x1 + 4x2

= 0

= 1 :

+ (3 −1)x2

= 0

 

+ 2x2

= 0

 

2x1

2x1

Из системы получается зависимость: x1 + x2 = 0 . Собственные векторы для второго корня характеристического уравнения имеют координаты: (t, −t) где t- параметр.

Полученные собственные векторы можно записать в виде: u1 = t(e1 + 0,5e2 ); u2 = t(e1 − e2 ) .

Элементы топологии

Топология изучает понятия непрерывности и близости с абстрактной точки зрения.

Определение. Окрестностью точки р называется произвольное множество U , содержащее открытый шар (не включая границу) с центром в точке p .

Окрестностью на плоскости, очевидно, является открытый круг с центром в точке p . Из определения окрестности вытекают следующие очевидные свойства:

1. Точка p принадлежит любой своей окрестности.

2. Если U - окрестность точки p , а V U , то V - тоже окрестность точки p .

3.Если U и V - окрестности точки р, то их пересечение U ∩V тоже будет окрестностью точки p .

4. Если U - окрестность точки p , то можно найти такую окрестность V точки p , что W = V U является окрестностью является окрестностью каждой из своих точек.

Определение. Топологическим пространством называется множество E , каждая точка которого p имеет набор подмножеств множества E , называемых окрестностями точки p и

удовлетворяющих приведенным выше свойствам.

Частным случаем топологического пространства является метрическое пространство.

Определение. Пусть E - топологическое пространство, а F - его подмножество. Пусть p - точка множества F . Назовем подмножество U множества F окрестностью точки p в F ,

если U = F ∩V , где V - окрестность точки p в E .

При этом множество F называется подпространством пространства E .

Метрическое пространство

Определение. Метрикой на множестве E называется функция f (x, y) , определенная на

декартовом произведении E × E , значениями которой являются неотрицательные действительные числа, удовлетворяющая при любых значениях x, y, z из множества E

следующим условиям:

1.f(x, y) = f(y, x)

2.f(x, y) + f(y, x) ≥ f(x, y)

78

3. f(x, y) = 0 тогда и только тогда, когда x=y .

Определение. Метрическим пространством называется множество E с заданной на нем метрикой f.

Определение. Число ρ (x, y) , где x E и y E - заданные точки, называется расстоянием между этими точками.

Определение. Пусть r - положительное число. Множество {y: ρ (x, y) < r} называется открытым шаром радиуса r с центром в точке x ; множество {y: ρ (x, y) ≤ r} - замкнутым шаром радиуса r с центром в точке x .

Например, для трехмерного евклидова пространства R3 метрика определяется как

ρ (x, y) = (x1 − y1 )2 + (x2 − y2 )2 + (x3 − y3 )2 , где x(x1, x2 , x3 ) R3 и y(y1, y2 , y3 ) R3 .

Открытые и замкнутые множества

Определение. Пусть E - топологическое пространство, а U - его подмножество. Множество U называется открытым, если оно является окрестностью для любой точки ρ U .

Определение. Пусть E - топологическое пространство, а F - его подмножество. Множество F называется замкнутым, если множество E \ F - открыто.

Отметим следующие свойства:

1.Объединение любой совокупности открытых множеств открыто.

2.Пересечение конечного числа открытых множеств открыто.

3.Пересечение любой совокупности замкнутых множеств замкнуто.

4.Объединение конечного числа замкнутых множеств замкнуто.

Определение. Если A - любое множество в топологическом пространстве E , то объединение всех открытых множеств, содержащихся в A , открыто. Это объединение называется внутренностью множества A .. Обозначается IntA . Это объединение будет наибольшим открытым множеством, содержащимся в A .

Определение. Множество А называется замыканием множества A . Множество FrA = A ∩ CA называется границей множества A .

Непрерывные отображения

Пусть E и F - топологические пространства, и пусть f - отображение пространства E в

F . f: E → F .

Непрерывность отображения состоит в том, что точки, близкие друг к другу в множестве E , отображаются в точки, близкие друг к другу в множестве F .

Определение. Отображение f : E → F называется непрерывным в точке p , если для любой окрестности V точки f ( p) в множестве F существует такая окрестность U точки в множестве E , что F(U ) V . Отображение f называется непрерывным, если оно непрерывно в каждой точке пространства E .

Особое значение имеют те непрерывности отображения, для которых существует непрерывное обратное отображение.

Определение. Если f - взаимно однозначное отображение пространства E в F , то существует обратное отображение g пространства F в E . Если и f и g непрерывны, то отображение f называется гомеоморфизмом, а пространства E и F - гомеоморфные.

Гомеоморфизм между множествами устанавливает взаимно однозначное соответствие между окрестностями, закрытыми и открытыми подмножествами этих множеств.

79