I. Расстояние между двумя точками.

Пусть , (Рисунок 2.3). Требуется найти .

Рисунок 2.3. Расстояние между двумя точками.

Из прямоугольного по теореме Пифагора имеем

, то есть ,

Эта формула справедлива при любом расположении точек и .

II. Деление отрезка в данном отношении:

Пусть , . Требуется найти , лежащую на отрезке и делящую его в данном отношении (Рисунок 2.4.).

Рисунок 2.4. Деление отрезка в данном отношении.

Из подобия ~ , то есть , , откуда . Аналогично .

Таким образом,

– формула деления отрезка в отношении .

Если , то

– координаты середины отрезка.

Замечание. Выведенные формулы можно обобщить и на случай пространственной прямоугольной декартовой системы координат. Пусть точки , . Тогда

-формуладля нахождениярасстояния между точками и .

- формула деления отрезка в отношении .

2.2

Помимо декартовых на плоскости и в пространстве можно построить большое число других систем координат, то есть способов охарактеризовать положение точки на плоскости или в пространстве с помощью двух или трёх числовых параметров (координат). Рассмотрим некоторые из существующих систем координат.

На плоскости можно определить полярную систему координат, которая применяется, в частности, при исследовании вращательных движений.

Рисунок 2.5. Полярная система координат.

Зафиксируем на плоскости точку и выходящую из нее полупрямую , а также выберем единицу масштаба (Рисунок 2.5). Точка называется полюсом, полупрямая – полярной осью. Произвольной точке поставим в соответствие два числа :

– полярный радиус, равный расстоянию от точки М до полюса О;

– полярный угол, равный углу между полярной осью и полупрямой .

измеряется в радианах, отсчет положительного направления значений ведется от против часовой стрелки, обычно полагают .

Полюсу соответствует полярный радиус , полярный угол для него не определен.

Найдем зависимость между прямоугольными и полярными координатами (Рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Связь прямоугольной и полярной систем координат.

Будем считать начало координат прямоугольной системы координат полюсом, а луч примем за полярную ось . Пусть - в прямоугольной декартовой системе координат и - в полярной системе координат. Найдем зависимость между прямоугольными и полярными координатами.

Из прямоугольного , а из прямоугольного . Таким образом, формулы

–

выражают прямоугольные координаты точки через ее полярные координаты.

Обратную зависимость выражают формулы

Замечание. Полярный угол можно определить и из формулы , предварительно определив по прямоугольным координатам, в какой четверти лежит точка.

Пример 1. Найти полярные координаты точки .

Решение. Вычисляем ; полярный угол находим из условий:

, следовательно, , поэтому .

Имеем .

Пример 2. Найти прямоугольные координаты точки .

Решение. Вычисляем

Получаем .

В трёхмерном пространстве помимо прямоугольной декартовой системы координат часто применяются цилиндрическая и сферическая системы координат.

Цилиндрическая система координат – это полярная система координат в плоскости , к которой добавлена пространственная ось , перпендикулярная данной плоскости (Рисунок 2.7). Положение любой точки характеризуется тремя числами – её цилиндрическими координатами: , где и - полярные координаты (полярный радиус и полярный угол) проекции точки на плоскость, в которой выбрана полярная система координат, - аппликата, которая равна расстоянию от точки до указанной плоскости.

Рисунок 2.7. Цилиндрическая система координат

Для установления зависимости между прямоугольной декартовой системой координат и цилиндрической расположим их друг относительно друга как на рисунке 2.8 (плоскость расположим в плоскости , причём полярная ось совпадает с положительным направлением оси , ось общая в обеих системах координат).

Пусть - прямоугольные координаты точки , - цилиндрические координаты этой точки, - проекция точки на плоскость . Тогда

формулы, связывающие прямоугольные и цилиндрические координаты точки.

Рисунок 2.8. Зависимость между прямоугольной декартовой

и цилиндрической системами координат

Замечание. Цилиндрические координаты часто применяются при рассмотрении тел вращения, причём ось располагается по оси вращения.

Сферическая система координат может быть построена следующим образом. Выберем в плоскости полярную ось . Через точку проведём прямую перпендикулярную плоскости (нормаль). Тогда любой точке пространства можно поставить в соответствие три действительных числа , где - расстояние от точки до , - угол между осью и проекцией отрезка на плоскость , - угол между нормалью и отрезком . Заметим, что , , .

Если расположить плоскость в плоскости , причём полярную ось выбрать совпадающей с положительным направлением оси , в качестве нормали выбрать ось (Рисунок 2.9), то получаем формулы связывающие эти две системы координат

Рисунок 2.9. Связь между сферической и прямоугольной декартовой

системами координат

2.3

Скалярные величины, или скаляры полностью характеризуются своим численным значением в выбранной системе единиц. Векторные величины или векторы кроме численного значения обладают также направлением. Например, если мы скажем, что дует ветер со скоростью 10 м/сек, то тем самым введем скалярную величину скорости ветра, но если мы скажем, что дует юго-западный ветер со скоростью 10 м/сек, то в этом случае скорость ветра будет уже вектором.

Вектором называется направленный отрезок, имеющий определенную длину, т.е. отрезок определенной длины, у которого одна из ограничивающих точек принимается за начало, а вторая - за конец. Вектор будем обозначать либо , либо (Рисунок 2.10).

Длина вектора обозначается символом или и называется модулем вектора. Вектор, у которого длина равна 1, называется единичным. Вектор называется нулевым, если начало и конец его совпадают, и обозначается θ или . Нулевой вектор не имеет определенного направления и имеет длину, равную нулю. Векторы и , расположенные на одной прямой или на параллельных прямых, называются коллинеарными. Два вектора и называются равными, если они коллинеарны, имеют одинаковую длину и одинаковое направление. Все нулевые векторы считаются равными.

Два коллинеарных вектора, отличные от нулевых, имеющие равные модули, но противоположное направление, называются противоположными. Вектор, противоположный , обозначается , для противоположный вектор .

К числу линейных операций над векторами относят операции сложения, вычитания векторов и умножения вектора на число, т.е. операции, результатом которых является вектор.

Определим указанные операции над векторами. Пусть даны два вектора и . Возьмем произвольную точку О и построим вектор , от точки А отложим вектор . Тогда вектор , соединяющий начало первого слагаемого вектора с концом второго, называется суммой этих векторов и обозначается . Рассмотренное правило нахождения суммы векторов носит название правила треугольников (Рисунок 2.11).

Ту же самую сумму векторов можно получить и иным способом (Рисунок 2.12). Отложим от точки вектор и вектор . Построим на этих векторах как на сторонах параллелограмм . Вектор , являющийся диагональю параллелограмма, проведенной из вершины , и будет суммой . Это правило нахождения суммы носит название правила параллелограмма.

Сумму любого конечного числа векторов можно получить по правилу ломанной (Рисунок 2.13). Из произвольной точки откладываем вектор , далее откладываем вектор и т.д. Вектор, соединяющий начало первого с концом последнего, является суммой

данных векторов, т.е.

_.Очевидно, если конец последнего слагаемого вектора совпадает с началом первого, то сумма векторов равна нуль-вектору.

Разностью двух векторов и называется такой вектор , сумма которого с вычитаемым вектором дает вектор . Отсюда правило построения вектора-разности (Рисунок 2.14). Из точки откладываем вектор и вектор . Вектор , соединяющий концы уменьшаемого вектора и вычитаемого вектора и направленный от вычитаемого к уменьшаемому вектору, является разностью .

Произведением вектора на действительное число λ называется вектор , который коллинеарен вектору , имеет длину и то же направление, что и вектор , если , и направление, противоположное вектору , если .

Введенные линейные операции над векторами обладают свойствами:

1⁰. Коммутативность сложения: .

2⁰. Ассоциативность сложения: .

3⁰. Существование нейтрального элемента по сложению: .

4⁰. Существование противоположного элемента по сложению:

5⁰. Дистрибутивность умножения на число относительно сложения векторов: .

6⁰. Дистрибутивность умножения вектора на сумму двух чисел:

7⁰. Свойство ассоциативности относительно умножения вектора на произведение чисел: .

2.4

Пусть дана система векторов:

(2.1)

Выражение , где λ_i (i = 1,2,…, n) - некоторые числа, называется линейной комбинацией системы векторов (2.1). Система векторов (2.1) называется линейно зависимой, если их линейная комбинация равна нулю при условии, что не все числа λ₁, λ₂, …, λ_nравны нулю. Система векторов (2.1) называется линейно независимой, если их линейная комбинация равна нулю только при условии, что все числа λ_i = 0 ( ). Можно дать другое определение линейной зависимости векторов. Система векторов (2.1) называется линейно зависимой, если какой-либо вектор этой системы линейно выражается через остальные, в противном случае система векторов (2.1) линейно независима.

Для векторов, лежащих в плоскости, справедливы следующие утверждения.

1⁰. Всякие три вектора на плоскости линейно зависимы.

2⁰. Если число данных векторов на плоскости больше трех, то они также линейно зависимы.

3⁰. Для того, чтобы два вектора на плоскости были линейно независимы, необходимо и достаточно, чтобы они были неколлинеарны.

Таким образом, максимальное число линейно независимых векторов на плоскости равно двум.

Векторы называются компланарными, если они лежат в одной плоскости или параллельны одной плоскости. Для векторов пространства справедливы следующие утверждения.

1⁰. Всякие четыре вектора пространства линейно зависимы.

2⁰. Если число данных векторов в пространстве больше четырех, то они также линейно зависимы.

3⁰. Для того, чтобы три вектора были линейно независимы, необходимо и достаточно, чтобы они были некомпланарны.

Таким образом, максимальное число линейно независимых векторов в пространстве равно трем.

Всякая максимальная подсистема линейно независимых векторов, через которую выражается любой вектор этой системы, называется базисомрассматриваемой системы векторов. Несложно заключить, что базис на плоскости состоит из двух неколлинеарных векторов, а базис в пространстве состоит из трех некомпланарных векторов. Число векторов базиса называется рангом системы векторов. Коэффициенты разложения вектора по векторам базиса называют координатами вектора в данном базисе.

Пусть векторы образуют базис и пусть , тогда числа λ₁, λ₂, λ₃– координаты вектора в базисе В этом случае записывают Можно показать, что разложение вектора по базису является единственным. Основное значение базиса состоит в том, что линейные операции над векторами становятся обычными линейными операциями над числами – координатами этих векторов. С помощью свойств линейных операций над векторами можно доказать следующую теорему.

Теорема. При сложении двух векторов их соответствующие координаты складываются. При умножении вектора на число все его координаты умножаются на это число.

Таким образом, если и , то , где , и где , λ – некоторое число.

Обычно множество всех векторов на плоскости, приведенных к общему началу, с введенными линейными операциями обозначают V₂, а множество всех векторов пространства, приведенных к общему началу, обозначают V₃. Множества V₂и V₃называют пространствами геометрических векторов.

2.5

Углом между векторами и называется наименьший угол ( ), на который надо повернуть один из векторов до его совпадения со вторым после приведения этих векторов к общему началу.

Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению модулей этих векторов на косинус угла между ними. Скалярное произведение векторов и обозначают , или

Если угол между векторами и равен , то

. (2.2)

С геометрической точки зрения скалярное произведение векторов равно произведению модуля одного вектора на проекцию на него другого вектора. Из равенства (2.2) следует, что

(2.3)

Отсюда условие ортогональности двух векторов: два вектора и ортогональны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю, т.е. .

Скалярное произведение векторов не является линейной операцией, так как ее результатом является число, а не вектор.

Свойства скалярного произведения.

1º. – коммутативность.

2º. – дистрибутивность.

3º. – ассоциативность относительно числового множителя.

4º. - свойство скалярного квадрата.

Из свойства 4º следует определение длины вектора:

. (2.4)

Пусть в пространстве V₃ задан базис , где векторы – единичные векторы (их называют ортами), направление каждого их которых совпадает с положительным направлением координатных осей Ох, Oy, Oz прямоугольной декартовой системы координат.

Разложим вектор пространства V₃по этому базису (Рисунок 2.15):

. (2.5)

Векторы называют составляющими вектора по осям координат, или компонентами, числа a_x_,a_y_,a_z – прямоугольные декартовы координаты вектора а. Направление вектора определяется углами α, β, γ, образованными им с координатными прямыми. Косинус этих углов называют направляющими вектора . Тогда направляющие косинусы определяются по формулам:

Несложно показать, что

Выразим скалярное произведение в координатной форме.

Пусть и . Перемножая эти векторы как многочлены и учитывая, что получим выражение для нахождения скалярного произведения в координатной форме:

, (2.6)

т.е. скалярное произведение двух векторов равно сумме парных произведений одноименных координат.

Из (2.6) и (2.4) следует формула для нахождения длины вектора :

(2.7)

Из (2.6) и (2.7) получаем формулу для определения угла между векторами:

. (2.8)

2.6

Тройка векторов называется упорядоченной, если указано, какой из них считается первым, какой – вторым, а какой третьим.

Упорядоченная тройка векторов называется правой, если после приведения их к общему началу из конца третьего вектора кратчайший поворот от первого ко второму вектору совершается против часовой стрелки. В противном случае тройка векторов называется левой. Например, на рисунке 2.15 векторы , , образуют правую тройку векторов, а векторы , , - левую тройку векторов.

Аналогичным образом вводится понятие правой и левой систем координат в трехмерном пространстве.

Векторным произведением вектора на вектор называется вектор (другое обозначение ), который:

1) имеет длину , где – угол между векторами и ;

2) перпендикулярен векторам и ( ), т.е. перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы и ;

3) направлен так, что векторы , , образуют правую тройку векторов (Рисунок 2.15).

По определению найдём векторное произведение координатных ортов , , :

, ,

Если , , то координаты векторного произведения вектора на вектор определяются по формуле:

Из определения следует геометрический смысл векторного произведения: модуль вектора равен площади параллелограмма, построенного на векторах и .

Свойства векторного произведения:

1⁰. .

2⁰. .

3⁰. .

4⁰_. , если векторы и коллинеарны, или один из этих векторов нулевой.

Пример 3. Параллелограмм построен на векторах и , где , , . Вычислить длину диагоналей этого параллелограмма, угол между диагоналями и площадь параллелограмма.

Решение. Построение векторов и показано на рисунке 2.16, построение параллелограмма на этих векторах показано на рисунке 2.17.

Проведём аналитическое решение этой задачи. Выразим вектора, определяющие диагонали построенного параллелограмма, через векторы и , а затем через и . Находим , . Далее находим длины диагоналей параллелограмма, как длины построенных векторов

Угол между диагоналями параллелограмма обозначим через . Тогда из формулы скалярного произведения векторов имеем:

Следовательно, .

Используя свойства векторного произведения, вычислим площадь параллелограмма:

2.7

Пусть даны три вектора , и . Представим себе, что вектор умножается векторно на и вектор и полученный вектор умножается скалярно на вектор , тем самым определяется число . Оно называется векторно-скалярным или смешанным произведением трёх векторов , и . Обозначается или .

Выясним геометрический смысл смешанного произведения (Рисунок 2.18). Пусть , , не компланарны. Построим на этих векторах параллелепипед как на ребрах. Векторное произведение есть вектор , модуль которого равен площади параллелограмма (основание параллелепипеда), построенного на векторах и и направлен перпендикулярно к плоскости параллелограмма.

Скалярное произведение (равно произведению модуля вектора и проекции на ). Высота построенного параллелепипеда есть абсолютная величина этой проекции. Следовательно, абсолютная величина смешанного произведения трёх векторов равна объёму параллелепипеда, построенного на векторах , и , т.е. .

Отсюда объем треугольной пирамиды , построенной на векторах , и , вычисляется по формуле .

Отметим ещё некоторые свойства смешанного произведения векторов.

1^о. Знак произведения положителен, если векторы , , образуют систему, одноименную с основной, и отрицателен в противном случае.

Действительно, скалярное произведение положительно, если угол между и острый и отрицательно, если угол тупой. При остром угле между и векторы и расположены по одну сторону относительно основания параллелепипеда, и следовательно, из конца вектора вращение от к будет видно так же, как из конца вектора , т.е. в положительном направлении (против часовой стрелки).

При тупом угле и векторы и расположены по разные стороны относительно плоскости параллелограмма, лежащего в основании параллелепипеда, и следовательно, из конца вектора вращение от к видно в отрицательном направлении (по часовой стрелке).

2^о Смешанное произведение не меняется при круговой перестановке его сомножителей: .

3^о При перестановке любых двух векторов смешанное произведение изменяет только знак. Например, , .

4^о Необходимым и достаточным условием компланарности 3-х векторов служит условие равенства нулю их смешанного произведения: .

Действительно, это свойство следует из геометрического смысла смешанного произведения. В этом случае параллелепипед вырождается в часть плоскости, т.е. имеет нулевой объем.

5^оПусть векторы , , заданы их разложениями по ортам:

, , ,

тогда .

Действительно,

6^о Для того чтобы три вектора , , были компланарны (векторы заданы разложением по ортам как в предыдущем свойстве) необходимо и достаточно, чтобы определитель

7^о .

8^о .

Пример 4. Проверить, компланарны ли векторы , , ? Если векторы некомпланарны, то найти объём параллелепипеда, построенного на этих векторах.

Решение. Если векторы компланарны, то их смешанное произведение равно нулю. Найдем смешанное произведение данных векторов, вычислив определитель:

векторы , , некомпланарны. Тогда .

Лекция 3.Системы линейных уравнений и методы их решения.

План лекции

3.1. Системы линейных уравнений. Основные определения.

3.2. Метод Гаусса решения систем линейных уравнений.

3.3. Критерий совместности систем линейных уравнений.

3.4. Метод Крамера решения систем линейных уравнений.

3.5. Обратная матрица. Методы её нахождения.

3.6. Матричный метод решения систем линейных уравнений.

3.7. Однородная система линейных уравнений, условие существования ненулевых решений.

3.1

Системой линейных уравнений с неизвестными называются соотношения вида

(3.1)

где - коэффициенты системы, - свободные члены, - неизвестные системы.

Система (3.1) называется однородной, если все свободные члены . Система (3.1) называется неоднородной, если хотя бы один из свободных членов .

Решением системы называется совокупность чисел , при подстановке которых в уравнения системы вместо соответствующих неизвестных каждое уравнение системы превращается в тождество. Система, не имеющая ни одного решения, называется несовместной, или противоречивой. Система, имеющая хотя бы одно решение, называется совместной.

Совместная система называется определенной, если она имеет единственное решение. Если совместная система имеет более одного решения, то она называется неопределенной. Однородная система всегда совместна, так как имеет, по крайней мере, нулевое решение . Выражение для неизвестных , из которого можно получить любое конкретное решение системы, называют ее общим решением, а любое конкретное решение системы – ее частным решением. Две системы с одними и теми же неизвестными эквивалентны (равносильны), если каждое решение одной из них является решением другой или обе системы несовместны.

Рассмотрим методы решения систем линейных уравнений.

3.2

Одним из основных методов решения систем линейных уравнений является метод Гаусса, или метод последовательного исключения неизвестных. Суть этого метода состоит в сведении системы линейных уравнений к ступенчатому виду. При этом над уравнениями приходится проводить следующие элементарные преобразования:

1. Перестановка уравнений системы.

2. Прибавление к одному уравнению другого уравнения.

3. Умножение обеих частей уравнения на число, отличное от нуля.

4. Прибавление к одному уравнению другого, умноженного на некоторое число, отличное от нуля.

5. Вычеркивание уравнений вида , т.е. тождеств .

В результате элементарных преобразований система преобразуется в эквивалентную ей систему.

Рассмотрим алгоритм метода Гаусса. Пусть дана система вида (3.1). Предположим, что в этой системе коэффициент . Заметим, что этого всегда можно достигнуть перестановкой уравнений системы. Для исключения неизвестной во всех уравнениях, начиная со второго, умножим первое уравнение системы последовательно на числа и добавим соответственно ко 2-му, 3-му, ..., - му уравнению системы.

В результате система примет вид:

Продолжая этот процесс дальше, исключим неизвестную из всех уравнений, начиная с третьего. Для этого умножим второе уравнение на числа и добавим к 3-му, ..., к - му уравнению системы. Следующие шаги метода Гаусса осуществляются аналогично. Если в результате преобразований получится тождественное уравнение, то вычеркнем его из системы. Если на некотором шаге метода Гаусса получается уравнение вида:

(3.2)

тогда рассматриваемая система несовместна и дальнейшее ее решение прекращается. Если же уравнение вида (3.2) не встретится при выполнении элементарных преобразований, то не более чем через - шагов система (3.1) будет преобразована к ступенчатому виду:

(3.3)

где . Если , то говорят, что система свелась к треугольному виду. В этом случае система имеет единственное решение, которое находим, решая систему снизу вверх.

Если , то говорят, что система свелась к трапециидальному виду. В этом случае система является неопределенной. Для нахождения общего решения системы в этом случае выбирают главных и свободных неизвестных. Например, неизвестные принимают за главные, а неизвестные принимают за свободные. Переносим свободные неизвестные в правую часть уравнений и выражаем главные неизвестные через свободные. В результате получаем общее решение системы:

(3.4)

Для получения частного решения системы необходимо будет в (3.4) придать свободным переменным конкретные значения.

Заметим, что так как в методе Гаусса все преобразования выполняются над коэффициентами при неизвестных уравнений и свободными членами, то на практике обычно этот метод применяют к матрице, составленной из коэффициентов при неизвестных и столбца свободных членов. Эту матрицу называют расширенной. С помощью элементарных преобразований эту матрицу сводят к ступенчатому виду. После чего по полученной матрице восстанавливают систему и применяют к ней все предыдущие рассуждения.

Пример 1. Решить систему:

Решение. Составляем расширенную матрицу и сводим ее к ступенчатому виду:

~^*) ~^**) ~ ^***)

~ ~^****) .

^*) – первую строку умножили на и добавили ко второй, полученную строку записали на первое место (цель этого преобразования получить единицу в первом столбце); оставили без изменения вторую строку на втором месте (можно было сюда записать первоначальную первую строку) и третью строку на своём месте.