Giáo trình Đại số tuyến tính - Trường Đại học Công Nghệ thông tin

(NB) Giáo trình Đại số tuyến tính thông tin đến các bạn với những kiến thức về khái niệm; các dạng biểu diễn của số phức; phép toán trên tập số phức; giải phương trình bậc 2 trong tập số phức; khái niệm về ma trận; các dạng ma trận; phép toán ma trận; phép biến đổi sơ cấp theo hàng của ma trận; phương pháp giải hệ phương trình tuyến tính và các bài tập vận dụng.

Trường Đại học Công Nghệ thông tin ĐẠI SỐ TUYẾN TÍNH (Tài liệu nội bộ) Bộ mơn Tốn-Lý 8/10/2015 ii Mục lục Mục lục 1.1 Khái niệm 1.2 Các dạng biểu diễn số phức 1.2.1 Dạng hình học số phức 1.2.2 Môđun, argumen, dạng lượng giác số phức 1.2.3 Dạng mũ số phức 1.3 Phép toán tập số phức 1.3.1 Phép cộng 1.3.2 Phép trừ 1.3.3 Phép nhân 1.3.4 Phép chia 1.3.5 Lũy thừa 1.3.6 Khai bậc n (nguyên dương) 1.4 Giải phương trình bậc tập số phức 11 2.1 Khái niệm ma trận 16 2.1.1 Định nghĩa 16 2.2 Các dạng ma trận 18 2.2.1 Ma trận không 18 2.2.2 Ma trận tam giác 19 2.2.3 Ma trận chéo 19 Mục lục iii 2.2.4 Ma trận đơn vị 20 2.2.5 Ma trận đối xứng 20 2.3 Phép toán ma trận 21 2.3.1 Hai ma trận 21 2.3.2 Phép chuyển vị ma trận 21 2.3.3 Phép cộng ma trận 22 2.3.4 Phép nhân ma trận với số 23 Phép trừ ma trận 24 2.3.5 Phép nhân ma trận với ma trận 24 2.4 Phép biến đổi sơ cấp theo hàng ma trận 30 2.5 Ma trận rút gọn bậc thang (theo hàng) 31 2.6 Định thức 33 2.6.1 Định nghĩa định thức cấp n 33 2.6.2 Định lý Laplace khai triển định thức 37 2.6.3 Các tính chất định thức 38 2.6.4 Các phương pháp tính định thức 43 2.7 Hạng ma trận 46 2.7.1 Định nghĩa (Định thức con) 46 2.7.2 Định nghĩa (Hạng ma trận) 47 2.7.3 Tính hạng ma trận 48 2.8 Ma trận nghịch đảo 51 2.8.1 Định nghĩa 51 iv Mục lục 2.8.2 Điều kiện tồn ma trận nghịch đảo cách tìm 51 2.8.3 Tính chất ma trận nghịch đảo 55 3.1 Khái niệm 69 3.2 Phương pháp giải hệ phương trình tuyến tính 73 3.2.1 Phương pháp Gauss Jordan 73 3.2.2 Phương pháp Cramer 79 a Hệ Cramer: 79 b Quy tắc Cramer 80 3.3 Hệ phương trình tuyến tính 84 3.3.1 Định lý 85 3.3.2 Hệ nghiệm 86 BÀI TẬP 87 4.1 Định nghĩa không gian véctơ 93 4.2 Một số không gian véctơ thường gặp 94 n 4.2.1 Không gian  94 4.2.2 Không gian n x  95 4.2.3 Không gian Mmn(  ) 96 4.3 Các tính chất khơng gian véctơ 96 4.4 Không gian 97 4.5 Sự độc lập tuyến tính phụ thuộc tuyến tính hệ véctơ 99 4.5.1 Tổ hợp tuyến tính 99 Mục lục v 4.5.2 Độc lập tuyến tính phụ thuộc tuyến tính 102 4.6 Hạng hệ véctơ 104 4.6.1 Định nghĩa 104 4.6.2 Định lý không gian véctơ n 105 4.7 Cơ sở 106 4.7.1 Định nghĩa: Hệ véctơ 106 4.7.2 Tính chất sở, số chiều 108 4.8 Tọa độ - Ma trận chuyển sở 110 4.8.1 Tọa độ 110 4.8.2 Ma trận chuyển sở 111 4.8.3 Các tính chất ma trận chuyển sở 114 4.9 Không gian Euclide 115 4.9.1 Tích vơ hướng 115 4.9.2 Độ dài véctơ 116 4.9.3 Sự trực giao 117 4.10 Cơ sở trực chuẩn 118 Đọc thêm: Các mặt bậc tắc  123 5.1 Chéo hoá ma trận 136 5.1.1 Trị riêng véctơ riêng ma trận 136 5.1.2 Cách tìm véctơ riêng: 137 5.1.3 Chéo hoá ma trận 140 5.1.4 Thuật toán chéo hoá 141 vi Mục lục 5.1.5 Chéo hoá trực giao ma trận đối xứng thực 146 a Ma trận trực giao 146 b Thuật toán chéo hoá trực giao 149 5.2 Dạng toàn phương 151 5.2.1 Định nghĩa 151 5.2.2 Hạng dạng toàn phương 153 5.2.3 Dạng tồn phương tắc 154 5.2.4 Đưa dạng tồn phương dạng tắc 155 a Phương pháp phép biến đổi trực giao 155 b Phương pháp Lagrange 158 c Định luật quán tính 160 5.2.5 Phân loại dạng toàn phương 161 a Định nghĩa: 161 b Phân loại dạng toàn phương qua dạng tắc 162 5.2.6 Tiêu chuẩn Sylvester 163 a Định thức ma trận vng 163 b Định lý Sylvester 164 Đáp án 170 Đề mẫu 187 CHƯƠNG : SỐ PHỨC Vào kỷ 16, G Cardano (1501-1576) nói đến số “ảo” số âm Sau đó, khái niệm số ảo xuất nghiên cứu nhà toán học kỷ 18 Khái niệm số “ảo” tưởng chừng không gặp thực tế trở thành tảng để phát triển ngành toán học có nhiều ứng dụng ngành vật lý kỹ thuật khác 1.1 Khái niệm - Số phức z biểu thức có dạng: z  x  iy x, y số thực, ký hiệu i gọi đơn vị ảo thỏa i  1 ,  Im z  phần thực - Ta gọi x  Re z  , y phần ảo số phức z - Khi z  x  i.0 , ta nói z số thực - Khi z   iy , ta nói z số ảo Ví dụ 1 Số phức z   3i có phần thực Re  z   , phần ảo Im  z   3 - Người ta thường ký hiệu tập hợp số phức    z  x  iy / x  , y   (  tập số thực) - Số phức z  x  iy gọi số phức liên hợp số phức z  x  iy Số phức Thấy z z Ví dụ Số phức z   i có số phức liên hợp với z  i - Hai số phức gọi phần thực phần ảo chúng  x1  x x1  iy1  x  iy2   y  y    Ví dụ Tìm x , y cho hai số phức sau (1.1) z1  x  iy; z  y   i(x  1) Giải: x  iy  y   i(x  1)    x  x   y         y  x  1    y     1.2 Các dạng biểu diễn số phức Người gọi biểu diễn z  x  iy dạng đại số số phức z 1.2.1 Dạng hình học số phức Cho số phức z  x  iy tương ứng với điểm M có tọa độ x , y  mặt phẳng tọa độ Đềcác Đây tương ứng – nên ta đồng điểm M x , y  mặt phẳng tọa độ với số phức Số phức z  x  iy Điểm M x , y  gọi biểu diễn hình học số phức z  x  iy Ghi chú: Vì lý trên, đơi người ta gọi mặt phẳng tọa độ Đềcác mặt phẳng phức 1.2.2 Môđun, argumen, dạng lượng giác số phức Trong hệ toạ độ cực, điểm M ứng với số phức xác định độ dài đoạn OM góc tia Ox tia OM - Mođun z: độ dài đoạn OM gọi môđun số phức z, ký hiệu mod(z )  z  r Thấy z  M x  y2 r - Argumen z: Góc lượng giác tia Ox tia OM gọi argumen số phức z ký hiệu Arg(z) - Nếu  giá trị góc tia Ox tia OM Arg(z) Arg (z )    k 2 (k  Z ) - Để dễ xác định, người ta thường lấy góc   ,   ký hiệu arg(z):   arg(z )   Ví dụ Số phức z   i có mơdun argument sau:  z    ; Arg  z    k 2 Thấy ngay, mối liên hệ x , y, r,  cho hệ thức: Số phức  góc cho x  r cos     y  r sin     y tg   , x  x (1.2) Vậy z  x  iy  r cos   ir sin  z  r cos   i sin   Hay (1.3) Dạng gọi dạng lượng giác số phức Ví dụ Theo ví dụ 1.4 số phức z   i có  z    ; Arg  z    k 2 nên có dạng lượng giác       z  cos  k 2  i sin  k 2  4  Theo biểu diễn hình học, ta thấy rằng: Hai số phức dạng lượng giác mô đun chúng argument chúng sai khác bội 2 Nghĩa z1  r1 cos 1  i sin 1  z  r2 cos 2  i sin 2   r1  r2 z1  z       k 2    (1.4) 178 c) Không không gian véctơ Bài 4.2: 2  HD: A ~   0  a) m  6 -4 -4 m6 1    17  b)  m  R 1  0 c) m = -8 , HD A ~   0   d) m = , HD A ~ 1  0    0     0   5 0 -7 0   m3   24 m   5  16 -23 -2 m   42 m   11 m   7   21 21 m    2  Bài 4.3: a) Độc lập tuyến tính b) Nếu m = phụ thuộc tuyến tính Nếu m  độc lập tuyến tính c) Phụ thuộc tuyến tính Bài 4.4: a) r = 2, hệ phụ thuộc tuyến tính 179 b) r = 3, hệ độc lập tuyến tính b) r = 2, hệ phụ thuộc tuyến tính d) r=3, hệ phụ thuộc tuyến tính Bài 4.5: a) b) c) d) Khơng sở Không sở Không sở Là sở Bài 4.6: a) m  b) m = -2 c) m= -1 v m = v m =1 Bài 4.7: {u1 = (1, 1, 1, 0) , v1 = (1, -1, 0, 1)} sở W1 {u2 = (1, 1, 1, 0) , v2 = (1, -1, 0, 1)} sở W2 0  2 Bài 4.8: [x]B =   1    2 Bài 4.9: a) m  m m    b) P(B E) =    1 3 1   180 Bài 4.10: a) m  10 b) Ma trận chuyển sở từ B sang E : 1 1     P(BE) =    m    10  m    Bài 4.11: a) Cơ sở {(1, 1, 1) } , dim = b) Cơ sở {(1, -2, 1)} , dim = c) Cơ sở ( 5, 4, 0, -7) , (-3, 0, 2, 5) , dim = Bài 4.12: a) Cơ sở trực chuẩn   1 (1,1,1), v  (1,1,0), v  (1,1,2) v    b) Cơ sở trực chuẩn   1 (0,1,2), v  (0,6,3) v1  (1,0,0), v  5   CHƯƠNG Bài 5.1: a) Trị riêng vectơ riêng sở tương ứng A 1 vec tơ riêng sở  =      X1 =    2 181 0 vec tơ riêng sở  = -1      X2 =     b) A-I=  2 -4 +5 = (1) Xét trêng trường số thực : Vì phương trình (1) vơ nghiệm trêng trường số thực nên A khơng có trị riêng vectơ riêng Xét trêng trường số phức : Pt (1)   =  i 1 vec tơ riêng sở  = 2+ i      X1 =   i 1   i vec tơ riêng sở  = 2- i      X2 =  0   c) Trị riêng  =      X1 =   , 1   vec tơ riêng sở 1   X2 =   0   1   d)  =      X1 =   0   vec tơ riêng sở 1    = -1      X2 =   1  2   vec tơ riêng sở 182   1    =      X3 =   1   vec tơ riêng sở Bài 5.2: 1 1 1 0     -1 a) Đặt P =  2  P AP =   = D 1 2  0 3     b) Khơng chéo hóa  1  0     -1 c) Đặt P =  1  P AP =   = D  1 0 0 1     4 1    e) Đặt P    P-1AP = 2    0 0   0 0 = D  0 3    0 1 0     -1 f) Đặt P =     P AP =   = D 0  0 2     183 Bài 5.3:   a) P =   1       1 b) P =          c) P =    1       1 d) P =         , P-1 A P = PTAP =  0    2   3 1  -1 T  , P A P = P AP 3 1   3 1   6   -1 T  , P A P = P AP 6 1   6   3 1  -1 T  , P A P = P AP 3 1   3 0    0   = 0 0 0 0    0   = 0 0 0 0    1 0   =  1 0  0 5   184     1 e) P =      1   3   0    -1 T  , P A P = P AP =    3  0     3 Bài 5.4:    x1   y1  a) Với X =   ,Y=   , P =   x2  y2    5    , phép đổi biến trực  2  5 giao X = PY đưa dạng tắc fCT(Y) = 4y 12 + 9y 22 Hạng r(f) = , f xác định dương  x1   y1      Với X =  x  , Y =  y  , phép đổi biến trực giao X = PY đưa x  y   3  3 dạng toàn phương f dạng tắc fCT(y) 185 b) c) d) e)  1    3  1    fCT(Y) = 2y 12 +2y 22 - y 32 , P =  ,   1     3  r(f) = , f không xác định dấu  1    3  1   fCT(Y) = y 12 +y 22 + y 32 , P =   ,        3  r(f) = 3, f xác định dương  1    3  1   fCT(Y) = 2y 12 +2y 22 +8 y 32 , P =    3       3  r(f) = 3, f xác định dương   2   fCT(Y) = 2y 12 - y 22 + y 32 , P =   2  , 3   r(f) = , f không xác định dấu 186  1    6  1   f) fCT(Y) = 2y 12 +y 22 +4 y 32 , P =    6  2    6  r(f) = 3, f xác định dương 2       5   g) fCT(Y) = -y 12 - y 22 -10 y 32 , P =   3   2   5   r(f) = 3, f xác định âm 2       5   h) fCT(Y) = y 12 + y 22 +10 y 32 , P =   3   2   5    r(f) = 3, f xác định dương  1    6  1   i) fCT(Y) = y 12 +y 22 +7 y 32 , P =    6       6  r(f) = 3, f xác định dương 187 Bài 5.6: a) -2 < m < b) - < m < Bài 5.7: 12  x  u  v a) Thực phép biến đổi :  11 ta PT tương  y  v đương u2 v2 = 15 33 11 20 Đồ thị đường Hypebol  x  u  v b) Thực phép biến đổi :  ta PT tương  y  v đương v2 u2 + = 36 5 Đồ thị đường Elip x  u  v c) Thực phép biến đổi :  ta PT tương y  v đương 188 u2 v2 = Đồ thị đường Hypebol  x  u  v d) Thực phép biến đổi :  ta PT tương  y  v đương u2 v2 + = 15 Đồ thị đường Elip Bài 5.8: a) Mặt bậc hai cho mặt Elipxôit b) Mặt bậc hai cho mặt Elipxôit c) Mặt bậc hai cho mặt Hyperboloit tầng Đề mẫu Đề số Câu (2 điểm) Trên không gian R , cho tập hợp: A  { X  (2a  b  c, b  a  c,5a  4c  2b) | a, b, c  R} B  { X  ( x, y , z ) | z  y  x} a/ Chứng minh A B không gian vector R b/ Hãy tìm tập sinh, sở, số chiều cho A B Câu (3 điểm) Trên không gian R , cho vector: 1  (15,8, 9),   (12, 6, 7),   (2, 1,1),   (4,3,1),   (0, 2, 2),   (5,1, 6) tập hợp a  { ,  ,  } ,   { ,  ,  } a/ Chứng minh a  sở R  P  P(   a) b/ Hãy tìm ma trận chuyển sở:  , Q  P(    ) để từ suy S  P (a   ) , với  sở tắc R (   {  (1,0,0),   (0,1,0),   (0,0,1)} ) Câu (3 điểm) 190  1    3 Cho ma trận thực: A         Hãy chéo hóa ma trận A , sau tìm A n , với n số nguyên, n0 Câu (2 điểm) Hãy đưa dạng toàn phương sau dạng tắc: f ( x1 , x , x3 )  x12  x1 x  x1 x3  x 22  x2 x3  x32 Đề số Câu (2 điểm) Trên không gian R , cho tập hợp: A  { X  (a  b  c,3b  2a  4c,3a  2c  5b) | a, b, c  R} B  { X  ( x, y, z ) | y  z  x} a/ Chứng minh A B không gian vector R b/ Hãy tìm tập sinh, sở, số chiều cho A B Câu (3 điểm) Trên không gian R , cho vector: 191 1  (1,2,2),  (2,0,1),  (2,3,3),  (3,4,2),  (2,5,1),  (1,2,4) tập hợp a  { ,  ,  } ,   { ,  ,  } a/ Chứng minh a  sở R  P  P(   a) b/ Hãy tìm ma trận chuyển sở:  , Q  P(    ) để từ suy S  P ( a   ) , với  sở tắc R (   {  (1,0,0),   (0,1,0),   (0,0,1)} ) Câu (3,5 điểm)   12     Cho ma trận thực: A    0     Hãy chéo hóa ma trận A , sau tìm A n , với n số nguyên, n  Câu (1,5 điểm) Hãy đưa dạng toàn phương sau dạng tắc: f ( x1 , x , x3 )  x12  x 22  x32  x1 x  x1 x3 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Trí (chủ biên)-Tốn học cao cấp- tập 1- NXB GD-1996 [2] Doãn Tam Hịe- Tốn học đại cương-Tập 1- NXB GD-1997 [3] Davis, Ernest-Linear Algebra and Probability for Computer Science Applications-CRC Press -2012 ... c11=2.0+3(–1)+1.4+(–2)1=–1 Tương tự: c12=2.1+3.3+1.0+ (-2 ) (-1 )=11; c13=2 (-4 )+3.2+1 (-5 )+ (-2 ).1 =-9 c21=1.0+0 (-1 )+ (-3 ).4+2.1 =-1 0; c22=1.1+0.3+ (-3 ).0+2 (-1 ) =-1 c23=1 (-4 )+0.2+ (-3 ) (-5 )+2.1=13 Kết quả:  1 11 9  A.B... x  , y   (  tập số thực) - Số phức z  x  iy gọi số phức liên hợp số phức z  x  iy Số phức Thấy z z Ví dụ Số phức z   i có số phức liên hợp với z  i - Hai số phức gọi phần thực... Các tính chất khơng gian véctơ 96 4.4 Không gian 97 4.5 Sự độc lập tuyến tính phụ thuộc tuyến tính hệ véctơ 99 4.5.1 Tổ hợp tuyến tính 99 Mục lục v 4.5.2 Độc lập tuyến tính