Giáo trình toán cao cấp 2

1 BỘ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - PGS TS PHẠM NGỌC ANH, PGS TS LÊ BÁ LONG GIÁO TRÌNH TỐN CAO CẤP Hà Nội, tháng năm 2021 Lời nói đầu Lời nói đầu Giáo trình Tốn cao cấp biên soạn theo Đề cương tín học phần Tốn cao cấp Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông ban hành năm 2012 dành cho sinh viên đại học hệ qui nhóm ngành kinh tế, bao gồm: Khoa Quản trị kinh doanh, Khoa Tài Kế toán, Khoa Đa phương tiện Khoa Marketing Học viện Gần độc lập với mơn Tốn cao cấp 1, nội dung mơn Tốn cao cấp kiến thức Đại số tuyến tính nhằm cung cấp hỗ trợ cho cho sinh viên khối ngành Kinh tế việc học tập, nghiên cứu, phân tích mơ hình kinh tế Giáo trình thiết kế theo chương tương ứng với thời lượng hai tín gồm nội dung sau: Chương 1: Lơgic mệnh đề, tập hợp, ánh xạ Chương 2: Không gian véc tơ n chiều Chương 3: Ma trận định thức Chương 4: Hệ phương trình tuyến tính Chương 5: Phép biến đổi tuyến tính dạng tồn phương không gian R n Nội dung sách tổng kết từ giảng hai tác giả nhiều năm có tham khảo giáo trình trường đại học khác Chính thế, giáo trình dùng làm tài liệu học tập, tài liệu tham khảo cho sinh viên trường đại học cao đẳng khối ngành Kinh tế Tốn học ngồi vai trị cơng cụ cho ngành khoa học khác, cung cấp phương pháp tư lập luận xác chặt chẽ Vì việc học toán giúp ta rèn luyện phương pháp tư Một vài phương pháp tư Toán học giảng dạy cung cấp bước trình học tập phổ thơng với mức độ đơn giản Trong Chương vấn đề trình bày lại cách có hệ thống Các chương cịn lại giáo trình đại số tuyến tính Kiến thức chương liên hệ chặt chẽ với nhau, kết chương công cụ chương khác Vì người học cần thấy mối liên hệ chương Đặc điểm môn học tính khái qt hố Lời nói đầu trừu tượng cao Một số khái niệm khái qt hố từ kết Hình học giải tích phổ thơng, học ta nên liên hệ đến kết Giáo trình trình bày theo cách thích hợp người tự học Trước nghiên cứu nội dung chi tiết, người đọc nên xem phần giới thiệu chương để thấy mục đích, ý nghĩa, yêu cầu chương Trong chương, nội dung, người đọc tự đọc hiểu cặn kẽ thông qua cách diễn đạt chứng minh rõ ràng Đặc biệt người học nên ý đến nhận xét, bình luận để hiểu sâu mở rộng tổng quát kết Hầu hết toán xây dựng theo lược đồ: Đặt toán, chứng minh tồn lời giải lý thuyết cuối nêu thuật toán giải tốn Các ví dụ để minh họa trực tiếp khái niệm, định lý thuật tốn, giúp người đọc dễ dàng tiếp thu học Cuối chương có tập xếp từ dễ đến khó Các tập dễ kiểm tra trực tiếp nội dung vừa học cịn tập khó địi hỏi phải sử dụng kiến thức tổng hợp Một số nội dung sách dạy dạy phần phổ thơng Tài liệu có nội dung túy tốn học, nhiên mức độ chúng tơi giới thiệu số ví dụ, tập liên quan đến chuyên ngành nhằm minh họa thấy ứng dụng Toán cao cấp Mặc dù nội dung dạng đối tượng chủ yếu sinh viên năm thứ Đại học Cao đẳng, chưa trang bị kiến thức chuyên ngành Tuy tác giả cố gắng, song thiếu sót cịn tồn giáo trình điều khó tránh khỏi Tác giả mong đóng góp ý kiến bạn bè đồng nghiệp, học viên xa gần xin cám ơn điều Cuối bày tỏ cám ơn Ban Giám đốc Học viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thông, Khoa Cơ bạn bè đồng nghiệp khuyến khích động viên, tạo nhiều điều kiện thuận lợi để chúng tơi hồn thành giáo trình Hà nội, ngày 15 tháng 04 năm 2021 Bảng ký hiệu Bảng ký hiệu N, Z, Q, R, C Tập số tự nhiên, số nguyên, số hữu tỉ, số thực, số phức N∗ , Z ∗ , Q ∗ , R∗ , C∗ Tập số tương ứng loại trừ số a∈X a phần tử X, a thuộc X A⊂X ∀ ∃ f :X→Y g◦f Pn [x] A chứa X, A tập X lượng từ phổ biến; với lượng từ tồn tại; tồn ánh xạ f từ X vào Y hợp ánh xạ f ánh xạ g Tập hợp đa thức biến x bậc ≤ n θ Véc tơ không, ma trận không SpanS Không gian véc tơ sinh bở hệ véc tơ S r(S), r(A) Hạng hệ véc tơ S, hạng ma trận A dimV Chiều không gian véc tơ V (v)B Tọa độ véc tơ v sở B [v]B [aij ]m×n Ma trận cột có phần tử tọa độ véc tơ v sở B Ma trận cỡ m × n có phần tử aij At Ma trận chuyển vị ma trận A A−1 Ma trận nghịch đảo ma trận A CA Ma trận phụ hợp ma trận A det(A), |A| Định thức ma trận A DB {v1 , , } Định thức hệ véc tơ {v1 , , } sở B Home(V, W) Tập ánh xạ tuyến tính từ V vào W End(V) Tập phép biến đổi tuyến tính V [f ]B Ma trận phép biến đổi tuyến tính sở B PA (λ), Pf (λ) Đa thức đặc trưng ma trận A, ánh xạ f Mục lục Lời nói đầu Bảng ký hiệu Mục lục Chương Mở đầu lôgic mệnh đề, tập hợp, ánh xạ 10 1.1 Lôgic mệnh đề 11 1.1.1 Mệnh đề phép liên kết mệnh đề 11 1.1.2 Các tính chất (hay cịn gọi luật lôgic) 14 1.2 Tập hợp 16 1.2.1 Khái niệm tập hợp 16 1.2.2 Tập 18 1.2.3 Các phép toán tập hợp 19 1.2.4 Hàm mệnh đề, lượng từ phổ biến lượng từ tồn 21 1.2.5 Tích Đề Các 22 1.3 Ánh xạ 23 1.3.1 Các định nghĩa ví dụ 23 1.3.2 Phân loại ánh xạ 25 1.3.3 Ánh xạ hợp, ánh xạ ngược 27 Bài tập Chương 29 Hướng dẫn giải tập Chương 32 Chương Không gian véc tơ n chiều 36 2.1 Khái niệm tính chất khơng gian véc tơ 37 2.1.1 Định nghĩa không gian véc tơ 37 2.1.2 Tính chất không gian véc tơ 39 2.2 Không gian véc tơ 41 Mục lục 2.2.1 Khái niệm không gian véc tơ 41 2.2.2 Sự hình thành khơng gian véc tơ 42 2.3 Độc lập tuyến tính, phụ thuộc tuyến tính 44 2.3.1 Các khái niệm 44 2.3.2 Tính chất hệ độc lập tuyến tính, phụ thuộc tuyến tính 47 2.4 Cơ sở - Số chiều không gian véc tơ 48 2.4.1 Hạng hệ véc tơ 48 2.4.2 Cơ sở, số chiều không gian véc tơ 54 2.5 Tọa độ véc tơ sở 57 Bài tập Chương 58 Hướng dẫn giải tập Chương 61 Chương Ma trận định thức 65 3.1 Ma trận 66 3.1.1 Khái niệm ma trận 66 3.1.2 Phép toán ma trận 70 3.1.3 Ma trận chuyển sở 77 3.2 Định thức 83 3.2.1 Hoán vị phép 83 3.2.2 Định nghĩa định thức 86 3.2.3 Các tính chất định thức 90 3.2.4 Khai triển định thức theo hàng theo cột 96 3.2.5 Khai triển theo k hàng k cột (Công thức Laplace) 100 3.3 Ma trận nghịch đảo 105 3.3.1 Điều kiện cần đủ để tồn ma trận nghịch đảo 106 3.3.2 Các phương pháp tìm ma trận nghịch đảo 108 3.4 Hạng ma trận 110 3.4.1 Định nghĩa cách tìm hạng ma trận phép biến đổi tuyến tính 110 3.4.2 Tìm hạng ma trận ứng dụng định thức (tham khảo) 114 Mục lục 3.4.3 Xác định tính chất độc lập hệ véc tơ ứng dụng định thức 116 Bài tập Chương 118 Hướng dẫn giải tập Chương 125 Chương Hệ phương trình tuyến tính 132 4.1 Khái niệm hệ phương trình tuyến tính 133 4.1.1 Dạng tổng quát hệ phương trình tuyến tính 134 4.1.2 Dạng ma trận hệ phương trình tuyến tính 135 4.1.3 Dạng véc tơ hệ phương trình tuyến tính 135 4.2 Định lý tồn nghiệm 136 4.3 Một số phương pháp giải hệ phương trình tuyến tính 138 4.3.1 Phương pháp Cramer (còn gọi phương pháp định thức)138 4.3.2 Phương pháp ma trận nghịch đảo 142 4.3.3 Phương pháp khử Gauss 144 4.3.4 Ứng dụng hệ phương trình tuyến tính để tìm sở không gian sinh hệ véc tơ 151 4.4 Hệ phương trình tuyến tính 153 4.4.1 Nghiệm hệ phương trình tuyến tính 153 4.4.2 Cấu trúc tập nghiệm hệ phương trình tuyến tính 153 4.4.3 Hệ nghiệm hệ phương trình tuyến tính 155 4.4.4 Mối liên hệ nghiệm hệ khơng hệ phương trình tương ứng 159 4.5 Một số mơ hình tuyến tính phân tích kinh tế 160 4.5.1 Mơ hình cân thị trường 160 4.5.2 Mô hình cân kinh tế vĩ mơ 162 Bài tập Chương 164 Hướng dẫn giải tập Chương 168 Chương Phép biến đổi tuyến tính dạng tồn phương Rn 177 Mục lục 5.1 Phép biến đổi tuyến tính 178 5.1.1 Khái niệm, tính chất, phép tốn 178 5.1.2 Ma trận phép biến đổi tuyến tính sở 183 5.1.3 Véc tơ riêng, giá trị riêng phép biến đổi tuyến tính ma trận vuông 190 5.1.4 Chéo hóa ma trận 198 5.1.5 Một vài ứng dụng đa thức đặc trưng tốn chéo hóa 203 5.2 Dạng toàn phương Rn 207 5.2.1 Định nghĩa biểu thức tọa độ dạng toàn phương 207 5.2.2 Ma trận dạng toàn phương sở 210 5.2.3 Đưa biểu thức tọa độ dạng toàn phương dạng tắc 215 5.2.4 Luật quán tính 220 Bài tập Chương 222 Hướng dẫn giải tập Chương 228 Tài liệu tham khảo 238 10 Mở đầu lôgic mệnh đề, tập hợp, ánh xạ Chương Mở đầu lôgic mệnh đề, tập hợp, ánh xạ 1.1 Lôgic mệnh đề 1.2 Tập hợp 11 16 1.3 Ánh xạ Bài tập Chương Hướng dẫn giải tập Chương 23 29 32 Toán học ngành khoa học lý thuyết phát triển sở tuân thủ nghiêm ngặt quy luật lập luận tư lơgic hình thức Các quy luật lơgic hình thức phát triển từ thời Aristote (Arít-xtốt) (thế kỷ thứ trước công nguyên) với phát triển rực rỡ văn minh cổ Hy Lạp Tuy nhiên đến kỷ 17 với cơng trình De Morgan (Đờ Mocgan), Boole lơgic hình thức có cấu trúc đại số đẹp đẽ với lý thuyết tập hợp giúp làm xác hố khái niệm toán học thúc đẩy toán học phát triển mạnh mẽ Việc nắm vững lơgic hình thức khơng giúp sinh viên học tốt mơn tốn mà cịn vận dụng thực tế biết lập luận cách xác Khái niệm tập hợp, ánh xạ khái niệm bản: vừa công cụ vừa ngơn ngữ tốn học đại Vì vai trị tảng nên khái niệm tập hợp đưa sớm vào chương trình tốn phổ thơng (tốn lớp 6) Khái niệm tập hợp Cantor (Căng-to) đưa vào cuối kỷ 19 Sau xác hố hệ tiên đề tập hợp Có thể tiếp thu lý thuyết tập hợp theo nhiều mức độ khác Chúng ta tiếp cận lý thuyết tập hợp mức độ trực quan kết hợp với phép tốn lơgic hình thức “và”, “hoặc”, phép kéo theo, phép tương đương, lượng từ phổ biến, lượng từ tồn Với phép toán lơgic ta có tương ứng phép tốn giao, hợp, hiệu tập hợp tập hợp 1.1 Lôgic mệnh đề 11 Khái niệm ánh xạ mở rộng khái niệm hàm số biết Khái niệm giúp ta mô tả phép tương ứng từ tập đến tập thoả mãn điều kiện phần tử tập nguồn cho ứng với phần tử tập đích phần tử tập nguồn cho ứng với phần tử tập đích Ở đâu có tương ứng ta mơ tả ngôn ngữ ánh xạ Nắm vững sử dụng cách xác luật lơgic mệnh đề, vận dụng triệt để kiến thức lý thuyết tập hợp, ánh xạ yếu tố quan trọng sinh viên muốn đạt kết tốt học tập mơn tốn nói riêng lĩnh vực nghiên cứu khác 1.1 Lôgic mệnh đề 1.1.1 Mệnh đề phép liên kết mệnh đề a Khái niệm mệnh đề Lôgic mệnh đề hệ thống lôgic đơn giản nhất, với đơn vị mệnh đề mang nội dung phán đoán, phán đoán giả thiết có giá trị chân lý định sai Như mệnh đề thường phát biểu dạng câu khẳng định phủ định Câu dạng nghi vấn, mệnh lệnh, yêu cầu dạng mệnh đề ta xét Để mệnh đề chưa xác định ta dùng chữ p, q, r, gọi chúng biến mệnh đề Nếu mệnh đề p ta cho p nhận giá trị p sai ta cho nhận giá trị Giá trị gọi thể p Chẳng hạn: “7 > 9” mệnh đề sai, “tam giác tam giác cân”, hay “tam giác ABC tam giác vuông đỉnh A BC = AC +AB ” mệnh đề đúng, “x 3” mệnh đề Phủ định mệnh đề p mệnh đề ký hiệu p, đọc không p Mệnh đề p p sai p sai p Tương tự ngôn ngữ thông thường, người ta dùng liên từ để nối câu đơn thành câu phức hợp, liên từ thường gặp “và”, “hay là”, “hoặc ”, “nếu thì” Mệnh đề phức hợp xây dựng từ mệnh đề đơn giản phép liên kết lôgic mệnh đề b Các phép liên kết lôgic mệnh đề 1) Phép hội: Hội hai mệnh đề p, q mệnh đề, kí hiệu x Ví dụ 3.19 y = 12y+3x+20z−xyz−8−90 = 3x+12y+20z−xyz−98 z ... nên ? ?2 , , βk ∈ R không đồng thời 0, ta giả sử ? ?2 6= Khi u2 = β1 β3 βk v2 − v1 − u − · · · − uk ? ?2 ? ?2 ? ?2 ? ?2 Xét hệ R2 = {v1 , v2 , u3 , , uk }, véc tơ S tổ hợp tuyến tính véc tơ R2 Nếu... sử có hai véc tơ khơng θ1 , ? ?2 , từ V2) ta có θ1 = θ1 + ? ?2 = ? ?2 2) Giả sử u có hai véc tơ đối u1 , u2 , u1 = u1 + θ = u1 + (u + u2 ) = (u1 + u) + u2 = θ + u2 = u2 3) (⇐): Nếu k = ta có 0u =... ánh; b) Phương trình g(x, y)(= (X, Y ) ⇔ (2x + 4y, x + 2y) = (X, Y ) tương đương 2x + 4y = X với hệ phương trình x + 2y = Y Hệ phương trình có nghiệm X = 2Y Khi X = 2Y hệ phương trình tương đương