Вектор — это сдвиг, а не стрелка в конкретном месте

На лекции вводятся векторы и действия с ними, на семинаре — определители, главный вычислительный инструмент всего курса.

Свободный вектор можно переносить параллельно — от этого он не меняется. Поэтому векторы складывают «цепочкой» и раскладывают по нескольким заданным направлениям. Проекция превращает вектор в число вдоль оси — так геометрия начинает считаться.

Определитель — число, сопоставленное квадратной таблице. Позже он окажется площадью, объёмом, критерием компланарности и ключом к решению систем.

Геометрический вектор — направленный отрезок \(\overrightarrow{AB}\): точка \(A\) — начало, \(B\) — конец. Длина (модуль) \(|\overrightarrow{AB}|\) — длина отрезка \(AB\).

  • Нуль-вектор \(\vec 0\): начало совпадает с концом, длина 0, направление не определено.
  • Единичный вектор (орт): \(|\vec e|=1\). Орт вектора \(\vec a\ne\vec 0\): \(\vec a^{\,0}=\dfrac{\vec a}{|\vec a|}\).
  • Коллинеарные векторы лежат на параллельных прямых (или на одной): \(\vec a\parallel\vec b\). Бывают сонаправленные \(\uparrow\uparrow\) и противоположно направленные \(\uparrow\downarrow\).
  • Компланарные векторы параллельны одной плоскости. Любые два вектора компланарны всегда.

\(\vec a=\vec b\), если они коллинеарны, сонаправлены и имеют одинаковую длину.

Отсюда три вида векторов из механики: связанные (важна точка приложения — сила, приложенная к точке), скользящие (можно сдвигать вдоль своей прямой — сила, действующая на твёрдое тело), свободные (можно переносить куда угодно параллельно). В курсе работаем со свободными.

Равенство определено без упоминания начала, поэтому вектор можно «отложить» от любой точки — это и даёт право складывать векторы, приставляя один к концу другого.

Сумма \(\vec a+\vec b\): от конца \(\vec a\) откладываем \(\vec b\); сумма идёт из начала \(\vec a\) в конец \(\vec b\) (правило треугольника). Если отложить оба от одной точки — сумма есть диагональ параллелограмма.

Разность \(\vec a-\vec b=\vec a+(-\vec b)\) — вторая диагональ, направленная от конца \(\vec b\) к концу \(\vec a\).

aba+bb−a
Диагонали параллелограмма: сумма и разность

Произведение на число \(\lambda\vec a\): длина \(|\lambda|\,|\vec a|\), направление — как у \(\vec a\) при \(\lambda>0\) и противоположное при \(\lambda<0\).

\(\vec a+\vec b=\vec b+\vec a\); \((\vec a+\vec b)+\vec c=\vec a+(\vec b+\vec c)\); \(\vec a+\vec 0=\vec a\); \(\vec a+(-\vec a)=\vec 0\);
\(\lambda(\mu\vec a)=(\lambda\mu)\vec a\); \((\lambda+\mu)\vec a=\lambda\vec a+\mu\vec a\); \(\lambda(\vec a+\vec b)=\lambda\vec a+\lambda\vec b\); \(1\cdot\vec a=\vec a\).

\(\vec b\parallel\vec a\ (\vec a\ne\vec 0)\iff\) существует число \(\lambda\), что \(\vec b=\lambda\vec a\).

В параллелограмме \(ABCD\): \(\overrightarrow{AB}=\vec a\), \(\overrightarrow{AD}=\vec b\). Выразить \(\overrightarrow{AC},\ \overrightarrow{BD},\ \overrightarrow{MA}\), где \(M\) — точка пересечения диагоналей.

  1. \(\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\vec a+\vec b\), потому что \(\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AD}\) (противоположные стороны).
  2. \(\overrightarrow{BD}=\overrightarrow{BA}+\overrightarrow{AD}=-\vec a+\vec b\).
  3. Диагонали делятся пополам: \(\overrightarrow{MA}=-\tfrac12\overrightarrow{AC}\).
\(\overrightarrow{AC}=\vec a+\vec b,\ \overrightarrow{BD}=\vec b-\vec a,\ \overrightarrow{MA}=-\tfrac12(\vec a+\vec b)\)

В треугольнике \(ABC\) точка \(K\) — середина \(BC\). Выразить медиану \(\overrightarrow{AK}\) через \(\vec c=\overrightarrow{AB}\) и \(\vec d=\overrightarrow{AC}\).

  1. Две цепочки: \(\overrightarrow{AK}=\vec c+\overrightarrow{BK}\) и \(\overrightarrow{AK}=\vec d+\overrightarrow{CK}\).
  2. Сложим: \(2\overrightarrow{AK}=\vec c+\vec d+(\overrightarrow{BK}+\overrightarrow{CK})\). Так как \(K\) — середина, \(\overrightarrow{BK}=-\overrightarrow{CK}\), скобка равна \(\vec 0\).
\(\overrightarrow{AK}=\tfrac12(\vec c+\vec d)\) — медиана равна полусумме сторон, выходящих из той же вершины.

Ортогональная проекция вектора \(\vec a\) на ось \(l\) (направление, заданное ненулевым вектором) — число \(\operatorname{пр}_l\vec a=|\vec a|\cos\varphi\), где \(\varphi\) — угол между \(\vec a\) и осью.

Геометрически: опускаем перпендикуляры из начала и конца \(\vec a\) на ось; получаем отрезок со знаком «+», если он смотрит по оси, и «−», если против.

1) \(\operatorname{пр}_l(\vec a+\vec b)=\operatorname{пр}_l\vec a+\operatorname{пр}_l\vec b\);  2) \(\operatorname{пр}_l(\lambda\vec a)=\lambda\operatorname{пр}_l\vec a\).

Проекция — это «тень» на ось. Тень цепочки векторов — цепочка теней, поэтому проекция суммы равна сумме проекций. Именно это свойство позже сделает скалярное произведение линейным.

Проекция — число, а не вектор. Она отрицательна, если угол тупой.

\(|\vec a|=4\), угол с осью \(l\) равен \(60^\circ\); \(|\vec b|=6\), угол с осью \(135^\circ\). Найти \(\operatorname{пр}_l(2\vec a-\vec b)\).

  1. \(\operatorname{пр}_l\vec a=4\cos60^\circ=2\); \(\operatorname{пр}_l\vec b=6\cos135^\circ=-3\sqrt2\).
  2. По теоремам о проекциях: \(\operatorname{пр}_l(2\vec a-\vec b)=2\cdot2-(-3\sqrt2)\).
\(4+3\sqrt2\)

\(\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}=a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}\).

Определитель 3-го порядка удобнее всего считать разложением по первой строке:

\[\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}=a_{11}\begin{vmatrix}a_{22}&a_{23}\\a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}-a_{12}\begin{vmatrix}a_{21}&a_{23}\\a_{31}&a_{33}\end{vmatrix}+a_{13}\begin{vmatrix}a_{21}&a_{22}\\a_{31}&a_{32}\end{vmatrix}.\]

Знаки чередуются \(+\,-\,+\). Эквивалентно — правило треугольников (Саррюса): три произведения «по главной диагонали и параллельно ей» со знаком +, три «по побочной» со знаком −.

  1. При транспонировании (строки ↔ столбцы) не меняется.
  2. Перестановка двух строк меняет знак.
  3. Две одинаковые (или пропорциональные) строки ⇒ определитель 0. Нулевая строка ⇒ 0.
  4. Общий множитель строки выносится за знак определителя.
  5. Если к строке прибавить другую, умноженную на число, определитель не изменится.
  6. Определитель треугольной матрицы равен произведению диагональных элементов.

Свойство 5 — рабочий инструмент: им «зануляют» элементы столбца, после чего раскладывают по нему, и счёт становится коротким.

Геометрический смысл определителя 2×2: столбцы матрицы — два вектора, а \(\det\) — ориентированная площадь параллелограмма на них.

Вычислить \(\begin{vmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&10\end{vmatrix}\).

  1. Разложим по первой строке: \(1\cdot(5\cdot10-6\cdot8)-2\cdot(4\cdot10-6\cdot7)+3\cdot(4\cdot8-5\cdot7)\).
  2. \(=1\cdot2-2\cdot(-2)+3\cdot(-3)=2+4-9\).
\(-3\)

Тот же определитель — через свойства: вычтем из 2-й строки 1-ю×4, из 3-й — 1-ю×7.

  1. \(\begin{vmatrix}1&2&3\\0&-3&-6\\0&-6&-11\end{vmatrix}\) — значение не изменилось (свойство 5).
  2. Раскладываем по первому столбцу: \(1\cdot\big((-3)(-11)-(-6)(-6)\big)=33-36\).
\(-3\), совпало

Решить уравнение \(\begin{vmatrix}x&2\\3&x-1\end{vmatrix}=0\).

  1. \(x(x-1)-6=0\iff x^2-x-6=0\).
  2. Корни: \(x=3,\ x=-2\).
\(x\in\{-2;\,3\}\)

В параллелограмме \(ABCD\): \(\overrightarrow{AB}=\vec a,\ \overrightarrow{AD}=\vec b\); \(M\) — середина \(BC\), \(N\) — середина \(CD\). Выразить \(\vec a,\vec b\) через \(\vec m=\overrightarrow{AM}\) и \(\vec n=\overrightarrow{AN}\).

  1. Цепочки: \(\vec m=\vec a+\tfrac12\vec b\), \(\vec n=\vec b+\tfrac12\vec a\).
  2. Это система двух уравнений с «неизвестными» \(\vec a,\vec b\). Её определитель \(\begin{vmatrix}1&1/2\\1/2&1\end{vmatrix}=\tfrac34\ne0\) — решение единственно.
  3. Из первого \(\vec a=\vec m-\tfrac12\vec b\); подставим во второе: \(\vec n=\tfrac12\vec m+\tfrac34\vec b\Rightarrow\vec b=\tfrac43\vec n-\tfrac23\vec m\).
  4. Тогда \(\vec a=\vec m-\tfrac12\vec b=\tfrac43\vec m-\tfrac23\vec n\).
  5. Проверка симметрией: задача не меняется при замене \(\vec a\leftrightarrow\vec b,\ \vec m\leftrightarrow\vec n\) — ответы переходят друг в друга. ✓
\(\vec a=\tfrac43\vec m-\tfrac23\vec n,\quad \vec b=\tfrac43\vec n-\tfrac23\vec m\)

Вычислить \(\begin{vmatrix}3&1&-2\\0&4&5\\0&0&-1\end{vmatrix}\).

\(-12\) — матрица треугольная, перемножаем диагональ.

Вычислить \(\begin{vmatrix}2&1&0\\1&3&1\\0&1&2\end{vmatrix}\).

\(2(6-1)-1(2-0)+0=8\)

Верно ли, что \(\operatorname{пр}_l\vec a\) не зависит от того, от какой точки отложен \(\vec a\)?

Да: равные векторы дают равные проекции — проекция зависит только от длины и угла.

Чему равен определитель, у которого третья строка равна сумме первых двух?

0: вычитаем из третьей строки первую и вторую и получаем нулевую строку.

Лекция 1. Скалярные и векторные величины, линейные операции, проекция. ОЛ-1, пп. 1.1–1.4; ОЛ-3, гл. 2 §1.

Занятия 1–2. Определители, формулы Крамера.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 3.2, 3.8, 3.13, 3.19, 3.22, 3.25, 3.27, 3.51, 3.53, 3.187, 3.189, 3.191, 3.198 (или Клетеник №№ 1204(8), 1205(3), 1206(1), 1211, 1213, 1217…).
Дома: ОЛ-2 №№ 3.3, 3.9, 3.12, 3.20, 3.21, 3.28, 3.50, 3.52, 3.188, 3.190, 3.192, 3.199.

ДЗ №1 часть 2 «Прямые и плоскости» выдаётся на 1-й неделе (сдать к 9-й).

Базис превращает векторы в наборы чисел

Разложив вектор по базису, мы заменяем геометрию арифметикой координат. Скалярное произведение добавляет длины и углы.

Ключевой вопрос — какие векторы годятся в базис. Ответ даёт линейная независимость: в пространстве нужны три некомпланарных вектора. Найти коэффициенты разложения — значит решить систему линейных уравнений; для неё на семинаре появляются формулы Крамера.

Скалярное произведение в ортонормированном базисе считается как сумма произведений координат — из него получаются длина, угол и проекция.

Линейная комбинация векторов \(\vec a_1,\dots,\vec a_n\) — вектор \(\lambda_1\vec a_1+\dots+\lambda_n\vec a_n\). Система векторов линейно зависима (ЛЗ), если существует нетривиальная (не все \(\lambda_i=0\)) комбинация, равная \(\vec 0\). Иначе — линейно независима (ЛНЗ).

Система из \(n\ge2\) векторов ЛЗ \(\iff\) хотя бы один из них есть линейная комбинация остальных.

Доказательство (нужно на РК)

⇒ Пусть \(\lambda_1\vec a_1+\dots+\lambda_n\vec a_n=\vec 0\) и, скажем, \(\lambda_1\ne0\). Делим на \(\lambda_1\): \(\vec a_1=-\frac{\lambda_2}{\lambda_1}\vec a_2-\dots-\frac{\lambda_n}{\lambda_1}\vec a_n\).

⇐ Если \(\vec a_1=\mu_2\vec a_2+\dots+\mu_n\vec a_n\), то \(1\cdot\vec a_1-\mu_2\vec a_2-\dots-\mu_n\vec a_n=\vec 0\) — нетривиальная комбинация (коэффициент при \(\vec a_1\) равен 1). ∎

Сколько векторовЛЗ ⇔
2коллинеарны
3компланарны
4 и больше в пространствевсегда ЛЗ

Если \(\vec a,\vec b\) не коллинеарны, то любой \(\vec c\) в их плоскости раскладывается по ним (параллелограмм с диагональю \(\vec c\)). Значит, третий компланарный вектор «лишний» — он выражается через два.

Базис в \(V_3\) — упорядоченная тройка некомпланарных векторов \(\vec e_1,\vec e_2,\vec e_3\); в \(V_2\) (плоскость) — пара неколлинеарных; в \(V_1\) (прямая) — любой ненулевой вектор.

Любой вектор \(\vec a\) раскладывается по базису: \(\vec a=x\vec e_1+y\vec e_2+z\vec e_3\), и это разложение единственно. Числа \((x;y;z)\) — координаты \(\vec a\) в этом базисе.

Почему единственно

Пусть есть два разложения. Вычтем: \((x-x')\vec e_1+(y-y')\vec e_2+(z-z')\vec e_3=\vec 0\). Базис ЛНЗ ⇒ все скобки равны 0. ∎

Линейные операции выполняются покоординатно: \(\vec a\pm\vec b=(x_1\pm x_2;\,y_1\pm y_2;\,z_1\pm z_2)\), \(\lambda\vec a=(\lambda x;\lambda y;\lambda z)\).

\(\vec a\parallel\vec b\iff\dfrac{x_1}{x_2}=\dfrac{y_1}{y_2}=\dfrac{z_1}{z_2}\) (координаты пропорциональны; ноль в знаменателе означает ноль в числителе).

Коллинеарны ли \(\vec a=(2;-1;3)\) и \(\vec b=(-4;2;-6)\)? А \(\vec c=(1;2;3)\) и \(\vec d=(2;4;5)\)?

  1. \(\frac{-4}{2}=\frac{2}{-1}=\frac{-6}{3}=-2\) — пропорциональны, \(\vec b=-2\vec a\).
  2. \(\frac21=\frac42\ne\frac53\) — нет.
\(\vec a\parallel\vec b\) (противоположно направлены); \(\vec c\not\parallel\vec d\).

Разложить \(\vec c=(5;3)\) по векторам \(\vec a=(1;2)\), \(\vec b=(3;-1)\).

  1. Базис ли это? \(\frac13\ne\frac{2}{-1}\) — не коллинеарны, значит базис в \(V_2\).
  2. Ищем \(\vec c=\alpha\vec a+\beta\vec b\). Покоординатно: \(\alpha+3\beta=5,\ 2\alpha-\beta=3\).
  3. Из второго \(\beta=2\alpha-3\); подставляем: \(\alpha+6\alpha-9=5\Rightarrow\alpha=2,\ \beta=1\).
  4. Проверка: \(2(1;2)+(3;-1)=(5;3)\) ✓
\(\vec c=2\vec a+\vec b\)

Минор \(M_{ij}\) элемента \(a_{ij}\) — определитель, полученный вычёркиванием \(i\)-й строки и \(j\)-го столбца. Алгебраическое дополнение: \(A_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\).

Определитель равен сумме произведений элементов любой строки (столбца) на их алгебраические дополнения: \(\Delta=\sum_j a_{ij}A_{ij}\). Сумма произведений элементов строки на дополнения чужой строки равна 0.

Знаки \((-1)^{i+j}\) образуют «шахматку»: \(\begin{smallmatrix}+&-&+\\-&+&-\\+&-&+\end{smallmatrix}\). Раскладывать выгодно по строке/столбцу, где больше нулей.

Если определитель системы \(n\) уравнений с \(n\) неизвестными \(\Delta\ne0\), то решение единственно: \(x_k=\dfrac{\Delta_k}{\Delta}\), где \(\Delta_k\) получен заменой \(k\)-го столбца на столбец свободных членов.

При \(\Delta=0\) формулы Крамера неприменимы: система либо несовместна, либо имеет бесконечно много решений. Это разбирается в модуле 2 (метод Гаусса).

Решить: \(\begin{cases}x+y+z=6\\2x-y+z=3\\x+2y-z=2\end{cases}\)

  1. \(\Delta=\begin{vmatrix}1&1&1\\2&-1&1\\1&2&-1\end{vmatrix}=1(1-2)-1(-2-1)+1(4+1)=-1+3+5=7\ne0\).
  2. \(\Delta_x=\begin{vmatrix}6&1&1\\3&-1&1\\2&2&-1\end{vmatrix}=6(1-2)-1(-3-2)+1(6+2)=7\).
  3. \(\Delta_y=\begin{vmatrix}1&6&1\\2&3&1\\1&2&-1\end{vmatrix}=1(-3-2)-6(-2-1)+1(4-3)=14\).
  4. \(\Delta_z=\begin{vmatrix}1&1&6\\2&-1&3\\1&2&2\end{vmatrix}=1(-2-6)-1(4-3)+6(4+1)=21\).
  5. \(x=7/7=1,\ y=14/7=2,\ z=21/7=3\). Проверка: \(1+2+3=6,\ 2-2+3=3,\ 1+4-3=2\) ✓
\((1;\,2;\,3)\)

\((\vec a,\vec b)=\vec a\cdot\vec b=|\vec a|\,|\vec b|\cos\varphi\), где \(\varphi\) — угол между векторами. Эквивалентно: \((\vec a,\vec b)=|\vec a|\operatorname{пр}_{\vec a}\vec b\).

Механический смысл: работа постоянной силы \(\vec F\) на перемещении \(\vec s\): \(A=(\vec F,\vec s)\).

\((\vec a,\vec b)=(\vec b,\vec a)\); \((\lambda\vec a,\vec b)=\lambda(\vec a,\vec b)\); \((\vec a+\vec b,\vec c)=(\vec a,\vec c)+(\vec b,\vec c)\); \((\vec a,\vec a)=|\vec a|^2\ge0\); \(\vec a\perp\vec b\iff(\vec a,\vec b)=0\).

Базис \(\vec i,\vec j,\vec k\) из попарно ортогональных единичных векторов.

\((\vec a,\vec b)=x_1x_2+y_1y_2+z_1z_2\).

Вывод (вопрос РК)

Раскроем \((x_1\vec i+y_1\vec j+z_1\vec k,\ x_2\vec i+y_2\vec j+z_2\vec k)\) по линейности: получится 9 слагаемых. \((\vec i,\vec i)=(\vec j,\vec j)=(\vec k,\vec k)=1\), а скалярные произведения разных ортов равны 0. Остаются три слагаемых. ∎

\[|\vec a|=\sqrt{x^2+y^2+z^2},\qquad \cos\varphi=\frac{(\vec a,\vec b)}{|\vec a||\vec b|},\qquad \operatorname{пр}_{\vec b}\vec a=\frac{(\vec a,\vec b)}{|\vec b|}.\]

Направляющие косинусы — косинусы углов с осями: \(\cos\alpha=\frac{x}{|\vec a|},\ \cos\beta=\frac{y}{|\vec a|},\ \cos\gamma=\frac{z}{|\vec a|}\); \(\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1\). Это координаты орта \(\vec a^{\,0}\). Координаты вектора в ОНБ — его проекции на оси: \(x=(\vec a,\vec i)=\operatorname{пр}_{\vec i}\vec a\).

\(\vec a=(2;-1;2)\), \(\vec b=(1;2;-2)\). Найти угол между ними, \(\operatorname{пр}_{\vec b}\vec a\) и направляющие косинусы \(\vec a\).

  1. \((\vec a,\vec b)=2-2-4=-4\); \(|\vec a|=\sqrt{4+1+4}=3\), \(|\vec b|=3\).
  2. \(\cos\varphi=\frac{-4}{9}\) — угол тупой: \(\varphi=\arccos(-\tfrac49)=\pi-\arccos\tfrac49\).
  3. \(\operatorname{пр}_{\vec b}\vec a=\frac{-4}{3}\).
  4. \(\cos\alpha=\tfrac23,\ \cos\beta=-\tfrac13,\ \cos\gamma=\tfrac23\); проверка: \(\tfrac49+\tfrac19+\tfrac49=1\) ✓
\(\varphi=\arccos(-4/9)\), \(\operatorname{пр}_{\vec b}\vec a=-4/3\), \((\tfrac23;-\tfrac13;\tfrac23)\)

\(|\vec m|=2,\ |\vec n|=1,\ \angle(\vec m,\vec n)=\pi/3\). Доказать, что \(\vec a=2\vec m+\vec n\) и \(\vec b=\vec m-3\vec n\) перпендикулярны.

  1. \((\vec m,\vec n)=2\cdot1\cdot\cos\frac\pi3=1\), \((\vec m,\vec m)=4\), \((\vec n,\vec n)=1\).
  2. Раскрываем как многочлен: \((\vec a,\vec b)=2(\vec m,\vec m)-6(\vec m,\vec n)+(\vec n,\vec m)-3(\vec n,\vec n)=8-6+1-3\).
\((\vec a,\vec b)=0\Rightarrow\vec a\perp\vec b\)

Сила \(\vec F=(3;-2;4)\) перемещает точку из \(A(1;0;2)\) в \(B(3;1;-1)\). Найти работу и угол между силой и перемещением.

  1. Перемещение: \(\vec s=\overrightarrow{AB}=(3-1;1-0;-1-2)=(2;1;-3)\).
  2. \(A=(\vec F,\vec s)=6-2-12=-8\) — сила работает «против» движения.
  3. \(|\vec F|=\sqrt{29},\ |\vec s|=\sqrt{14}\), \(\cos\varphi=\frac{-8}{\sqrt{406}}\).
\(A=-8\); \(\varphi=\arccos\left(-8/\sqrt{406}\right)\)

Найти вектор \(\vec x\), коллинеарный \(\vec a=(2;1;-2)\) и удовлетворяющий \((\vec x,\vec a)=27\).

  1. Коллинеарность: \(\vec x=\lambda\vec a\).
  2. \((\lambda\vec a,\vec a)=\lambda|\vec a|^2=9\lambda=27\Rightarrow\lambda=3\).
\(\vec x=(6;3;-6)\)

Образуют ли базис \((1;2;3),(2;4;6),(0;1;1)\)?

Нет: первые два коллинеарны, значит тройка компланарна (ЛЗ).

При каком \(\alpha\) векторы \((\alpha;2;1)\) и \((3;-1;\alpha)\) перпендикулярны?

\(3\alpha-2+\alpha=0\Rightarrow\alpha=1/2\)

Может ли вектор иметь направляющие косинусы \(\tfrac12,\tfrac12,\tfrac12\)?

Нет: сумма квадратов \(3/4\ne1\).

Найти \(|\vec a+\vec b|\), если \(|\vec a|=9,\ |\vec b|=7,\ |\vec a-\vec b|=15\) (задача из подготовки к экзамену).

Сумма квадратов диагоналей параллелограмма: \(|\vec a+\vec b|^2+|\vec a-\vec b|^2=2(81+49)=260\Rightarrow|\vec a+\vec b|^2=35\), \(|\vec a+\vec b|=\sqrt{35}\).

Лекция 2. Линейная зависимость, базисы, координаты, скалярное произведение. ОЛ-1, пп. 1.5–1.7, 2.2; ОЛ-3, гл. 2 §§1–2.

Занятие 2 — продолжение «Определители, формулы Крамера» (номера — см. неделю 1).

ДЗ №1 часть 1 «Векторная алгебра» выдаётся на 2-й неделе (сдать к 7-й).

Площадь и объём — через определители

Векторное произведение даёт вектор, перпендикулярный двум данным, длиной равный площади параллелограмма. Смешанное — объём параллелепипеда со знаком.

Оба произведения в ортонормированном базисе — определители третьего порядка, отсюда и связь с прошлой неделей. Знак смешанного произведения говорит об ориентации тройки, а его равенство нулю — о компланарности.

На семинаре — практика линейных операций и разложения по базису в пространстве: базис проверяем определителем.

Тройка некомпланарных \(\vec a,\vec b,\vec c\) правая, если из конца \(\vec c\) кратчайший поворот от \(\vec a\) к \(\vec b\) виден против часовой стрелки; иначе — левая. Базис \(\vec i,\vec j,\vec k\) считаем правым.

Векторное произведение \(\vec a\times\vec b=[\vec a,\vec b]\) — вектор \(\vec c\), такой что: 1) \(|\vec c|=|\vec a||\vec b|\sin\varphi\); 2) \(\vec c\perp\vec a,\ \vec c\perp\vec b\); 3) тройка \(\vec a,\vec b,\vec c\) правая.

  • Геометрический смысл: \(|\vec a\times\vec b|=S_{\text{параллелограмма}}\); площадь треугольника — половина.
  • Механический смысл: момент силы \(\vec F\), приложенной в точке \(B\), относительно точки \(A\): \(\vec M=\overrightarrow{AB}\times\vec F\).

\(\vec a\times\vec b=-\vec b\times\vec a\) (антикоммутативность!); \((\lambda\vec a)\times\vec b=\lambda(\vec a\times\vec b)\); \((\vec a+\vec b)\times\vec c=\vec a\times\vec c+\vec b\times\vec c\); \(\vec a\times\vec b=\vec 0\iff\vec a\parallel\vec b\). В частности \(\vec a\times\vec a=\vec 0\).

Таблица для ортов: \(\vec i\times\vec j=\vec k,\ \vec j\times\vec k=\vec i,\ \vec k\times\vec i=\vec j\) (циклически), в обратном порядке — с минусом.

\[\vec a\times\vec b=\begin{vmatrix}\vec i&\vec j&\vec k\\x_1&y_1&z_1\\x_2&y_2&z_2\end{vmatrix}=\vec i\begin{vmatrix}y_1&z_1\\y_2&z_2\end{vmatrix}-\vec j\begin{vmatrix}x_1&z_1\\x_2&z_2\end{vmatrix}+\vec k\begin{vmatrix}x_1&y_1\\x_2&y_2\end{vmatrix}.\]
Вывод (вопрос РК)

Раскрываем \((x_1\vec i+y_1\vec j+z_1\vec k)\times(x_2\vec i+y_2\vec j+z_2\vec k)\) по линейности: 9 слагаемых. Произведения одинаковых ортов равны \(\vec 0\), остальные — по таблице. Собираем при \(\vec i\): \(y_1z_2-z_1y_2\); при \(\vec j\): \(z_1x_2-x_1z_2\); при \(\vec k\): \(x_1y_2-y_1x_2\). Это и есть разложение определителя по первой строке. ∎

Не забывай минус у средней компоненты. Самопроверка: результат должен быть ортогонален обоим сомножителям (скалярные произведения = 0).

\(\vec a=(1;2;-1)\), \(\vec b=(3;0;2)\). Найти \(\vec a\times\vec b\) и площадь параллелограмма на этих векторах.

  1. \(\vec i\,(2\cdot2-(-1)\cdot0)-\vec j\,(1\cdot2-(-1)\cdot3)+\vec k\,(1\cdot0-2\cdot3)=(4;-5;-6)\).
  2. Проверка: \((\vec a,\vec c)=4-10+6=0\), \((\vec b,\vec c)=12+0-12=0\) ✓
  3. \(S=|\vec a\times\vec b|=\sqrt{16+25+36}=\sqrt{77}\).
\((4;-5;-6)\), \(S=\sqrt{77}\)

Найти площадь треугольника \(A(1;1;1),\ B(2;3;0),\ C(4;1;3)\) и его высоту, опущенную из \(C\).

  1. \(\overrightarrow{AB}=(1;2;-1),\ \overrightarrow{AC}=(3;0;2)\) — те же векторы, что выше.
  2. \(S_\triangle=\tfrac12\sqrt{77}\).
  3. \(h_C=\dfrac{2S}{|AB|}=\dfrac{\sqrt{77}}{\sqrt6}\).
\(S=\frac{\sqrt{77}}2,\ h_C=\sqrt{77/6}\)

\(|\vec a|=3,\ |\vec b|=4,\ \angle(\vec a,\vec b)=\pi/6\). Найти \(|(2\vec a+\vec b)\times(\vec a-\vec b)|\).

  1. Раскрываем: \(2\vec a\times\vec a-2\vec a\times\vec b+\vec b\times\vec a-\vec b\times\vec b=-2\vec a\times\vec b-\vec a\times\vec b=-3\,\vec a\times\vec b\).
  2. \(|\vec a\times\vec b|=3\cdot4\cdot\sin\frac\pi6=6\).
\(18\)

\((\vec a,\vec b,\vec c)=(\vec a\times\vec b,\ \vec c)\) — число.

\(|(\vec a,\vec b,\vec c)|=V\) параллелепипеда на этих векторах. Знак «+» — тройка правая, «−» — левая. Объём тетраэдра: \(V_{\text{тетр}}=\tfrac16|(\vec a,\vec b,\vec c)|\).

\[(\vec a,\vec b,\vec c)=\begin{vmatrix}x_1&y_1&z_1\\x_2&y_2&z_2\\x_3&y_3&z_3\end{vmatrix}.\]

Циклическая перестановка не меняет значения: \((\vec a,\vec b,\vec c)=(\vec b,\vec c,\vec a)=(\vec c,\vec a,\vec b)\); перестановка двух сомножителей меняет знак; \((\vec a\times\vec b,\vec c)=(\vec a,\vec b\times\vec c)\).

\(\vec a,\vec b,\vec c\) компланарны \(\iff(\vec a,\vec b,\vec c)=0\).

Объём «сплющенного» параллелепипеда равен нулю. Поэтому три вектора образуют базис ⇔ их определитель не ноль.

\(\vec a=(1;2;-1),\ \vec b=(3;0;2),\ \vec c=(2;1;1)\). Найти \((\vec a,\vec b,\vec c)\), ориентацию тройки, объём тетраэдра.

  1. Удобно: \((\vec a\times\vec b,\vec c)=(4;-5;-6)\cdot(2;1;1)=8-5-6=-3\).
  2. Знак «−» ⇒ тройка левая. \(V_{\text{пар}}=3\), \(V_{\text{тетр}}=3/6\).
\(-3\); левая; \(V_{\text{тетр}}=1/2\)

При каком \(\lambda\) векторы \((1;2;3),\ (2;\lambda;1),\ (1;1;1)\) компланарны?

  1. \(\begin{vmatrix}1&2&3\\2&\lambda&1\\1&1&1\end{vmatrix}=1(\lambda-1)-2(2-1)+3(2-\lambda)=3-2\lambda\).
  2. \(3-2\lambda=0\).
\(\lambda=3/2\)

Показать, что \(\vec a=(1;0;1),\ \vec b=(0;1;1),\ \vec c=(1;1;0)\) — базис, и разложить по нему \(\vec d=(2;3;3)\).

  1. \(\begin{vmatrix}1&0&1\\0&1&1\\1&1&0\end{vmatrix}=1(0-1)-0+1(0-1)=-2\ne0\) ⇒ некомпланарны, базис.
  2. \(\vec d=\alpha\vec a+\beta\vec b+\gamma\vec c\): \(\alpha+\gamma=2,\ \beta+\gamma=3,\ \alpha+\beta=3\).
  3. Сложим все три: \(2(\alpha+\beta+\gamma)=8\Rightarrow\alpha+\beta+\gamma=4\). Отсюда \(\alpha=4-3=1,\ \beta=4-2=2,\ \gamma=4-3=1\).
  4. Проверка: \((1;0;1)+2(0;1;1)+(1;1;0)=(2;3;3)\) ✓
\(\vec d=\vec a+2\vec b+\vec c\)

Параллелепипед построен на \(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AD},\overrightarrow{AA_1}\), где \(A(1;1;1),\ B(2;3;0),\ D(4;1;3),\ A_1(3;2;2)\). Убедиться, что он невырожден, найти объём и высоту, опущенную из \(A_1\) на основание \(ABCD\).

  1. \(\overrightarrow{AB}=(1;2;-1),\ \overrightarrow{AD}=(3;0;2),\ \overrightarrow{AA_1}=(2;1;1)\).
  2. Смешанное произведение (посчитано выше): \(-3\ne0\) ⇒ векторы некомпланарны, параллелепипед существует.
  3. \(V=|-3|=3\). Площадь основания \(S=|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AD}|=\sqrt{77}\).
  4. \(V=S\cdot h\Rightarrow h=\dfrac{3}{\sqrt{77}}\).
\(V=3,\ h=3/\sqrt{77}\)

Компланарны ли \((1;1;1),(1;2;3),(1;3;5)\)?

Да: \(1(10-9)-1(5-3)+1(3-2)=0\).

Чему равно \(\vec i\times(\vec i+\vec j+\vec k)\)?

\(\vec 0+\vec k-\vec j=(0;-1;1)\)

\((\vec a,\vec b,\vec c)=5\). Найти \((\vec b,\vec a,\vec c)\) и \((\vec a+\vec b,\vec b,\vec c)\).

\(-5\) (перестановка) и \(5\) (слагаемое \((\vec b,\vec b,\vec c)=0\)).

Лекция 3. Ориентация, векторное и смешанное произведения. ОЛ-1, пп. 2.3–2.5; ОЛ-3, гл. 2 §3.

Занятие 3. Линейные операции с векторами, разложение по базису.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.7, 2.8, 2.19, 2.20, 2.38, 2.39, 2.44, 2.46, 2.51, 2.56, 2.57 (или Клетеник 769(1,3), 773(1,3,5), 775(2,4,6), 777, 779, 783, 788, 789, 794, 771).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.10, 2.22, 2.36, 2.37, 2.45, 2.46, 2.52, 2.58.

Уравнение — это условие, которому подчиняются точки

Система координат связывает точку с её радиус-вектором. Прямая — множество точек, для которых выполнено одно линейное уравнение.

Все виды уравнения прямой получаются из одной картинки: точка \(M_0\) на прямой плюс либо направляющий вектор \(\vec s\) (вдоль прямой), либо нормальный \(\vec n\) (перпендикулярно). Переходы между видами — просто арифметика.

На семинаре — приложения скалярного произведения: углы треугольника, проекции, поиск вектора по условиям перпендикулярности.

Декартова прямоугольная система координат — точка \(O\) и ортонормированный базис \(\vec i,\vec j,\vec k\). Координаты точки \(M\) — координаты её радиус-вектора \(\overrightarrow{OM}\).

\(\overrightarrow{AB}=(x_B-x_A;\ y_B-y_A;\ z_B-z_A)\) — «конец минус начало». \(\ |AB|=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}\).

Если \(\overrightarrow{AM}=\lambda\overrightarrow{MB}\) (\(\lambda\ne-1\)), то \(\ \vec r_M=\dfrac{\vec r_A+\lambda\vec r_B}{1+\lambda}\), т.е. \(x_M=\dfrac{x_A+\lambda x_B}{1+\lambda}\) и т.д.

Вывод

\(\vec r_M-\vec r_A=\lambda(\vec r_B-\vec r_M)\Rightarrow(1+\lambda)\vec r_M=\vec r_A+\lambda\vec r_B\). ∎ Середина: \(\lambda=1\). Центр масс треугольника: \(\vec r=\frac13(\vec r_A+\vec r_B+\vec r_C)\).

Уравнение \(f(x,y)=0\) задаёт на плоскости линию — множество точек, координаты которых ему удовлетворяют. Аналогично \(F(x,y,z)=0\) в пространстве задаёт поверхность.

\(A(1;-2;3),\ B(4;4;-3)\). Найти точку \(M\), делящую \(AB\) в отношении \(AM:MB=2:1\).

  1. \(\lambda=2\): \(x=\frac{1+2\cdot4}{3}=3,\ y=\frac{-2+8}{3}=2,\ z=\frac{3-6}{3}=-1\).
  2. Контроль: \(\overrightarrow{AM}=(2;4;-4)\), \(\overrightarrow{MB}=(1;2;-2)\) — ровно вдвое ✓
\(M(3;2;-1)\)

Точка \(C\) делит \(AB\) в отношении \(\lambda=-2\) (это \(\overrightarrow{AC}=-2\overrightarrow{CB}\)). Где она лежит для тех же \(A,B\)?

  1. \(\vec r_C=\frac{\vec r_A-2\vec r_B}{-1}=2\vec r_B-\vec r_A=(7;10;-9)\).
  2. Отрицательное \(\lambda\) — точка вне отрезка (здесь за точкой \(B\), \(B\) — середина \(AC\)).
\(C(7;10;-9)\)
ВидУравнениеЧто в нём видно
Общее\(Ax+By+C=0\)\(\vec n=(A;B)\perp\) прямой
Через точку с нормалью\(A(x-x_0)+B(y-y_0)=0\)\(M_0,\ \vec n\)
Каноническое\(\dfrac{x-x_0}{l}=\dfrac{y-y_0}{m}\)\(M_0,\ \vec s=(l;m)\)
Параметрическое\(x=x_0+lt,\ y=y_0+mt\)движение точки по прямой
Через две точки\(\dfrac{x-x_1}{x_2-x_1}=\dfrac{y-y_1}{y_2-y_1}\)\(\vec s=\overrightarrow{M_1M_2}\)
С угловым коэффициентом\(y=kx+b\)\(k=\operatorname{tg}\alpha\), \(b\) — отрезок на \(Oy\)
В отрезках\(\dfrac xa+\dfrac yb=1\)прямая отсекает \(a\) на \(Ox\), \(b\) на \(Oy\)

В ДСК на плоскости любое уравнение первой степени \(Ax+By+C=0\) (\(A^2+B^2\ne0\)) задаёт прямую, и любая прямая задаётся таким уравнением.

Доказательство (вопрос РК №1)

Пусть, например, \(A\ne0\). Тогда точка \(M_0(-C/A;\,0)\) удовлетворяет уравнению, и его можно переписать как \(A(x-x_0)+B(y-y_0)=0\), т.е. \((\vec n,\overrightarrow{M_0M})=0\) с \(\vec n=(A;B)\). Это множество точек \(M\), для которых \(\overrightarrow{M_0M}\perp\vec n\), — прямая через \(M_0\) перпендикулярно \(\vec n\). Обратно, прямая через \(M_0\) с нормалью \(\vec n\) задаётся условием \((\vec n,\overrightarrow{M_0M})=0\) — а это уравнение первой степени. ∎

Связь нормали и направления на плоскости: если \(\vec n=(A;B)\), то \(\vec s=(-B;A)\) (или \((B;-A)\)) — проверь, что \((\vec n,\vec s)=0\).

Прямая проходит через \(A(1;2)\) и \(B(3;-2)\). Записать каноническое, общее, с угловым коэффициентом уравнения и уравнение в отрезках.

  1. \(\vec s=\overrightarrow{AB}=(2;-4)\parallel(1;-2)\). Каноническое: \(\frac{x-1}{1}=\frac{y-2}{-2}\).
  2. «Перемножим крест-накрест»: \(-2(x-1)=y-2\Rightarrow 2x+y-4=0\) — общее, \(\vec n=(2;1)\).
  3. \(y=-2x+4\): \(k=-2,\ b=4\).
  4. Перенесём 4 и разделим: \(\frac{2x}{4}+\frac y4=1\Rightarrow\frac x2+\frac y4=1\).
\(2x+y-4=0\); \(y=-2x+4\); \(\frac x2+\frac y4=1\)

Прямые \(A_1x+B_1y+C_1=0\) и \(A_2x+B_2y+C_2=0\):

  • совпадают: \(\frac{A_1}{A_2}=\frac{B_1}{B_2}=\frac{C_1}{C_2}\); параллельны: \(\frac{A_1}{A_2}=\frac{B_1}{B_2}\ne\frac{C_1}{C_2}\); иначе пересекаются;
  • перпендикулярны: \(A_1A_2+B_1B_2=0\) (или \(k_1k_2=-1\)).
\[\cos\varphi=\frac{|A_1A_2+B_1B_2|}{\sqrt{A_1^2+B_1^2}\sqrt{A_2^2+B_2^2}},\qquad \operatorname{tg}\varphi=\left|\frac{k_2-k_1}{1+k_1k_2}\right|.\]

Угол между прямыми берут острым (или прямым), отсюда модуль в числителе.

Найти угол между \(2x+y-4=0\) и \(x-3y+1=0\).

  1. Через нормали: \((2;1)\cdot(1;-3)=-1\); \(\cos\varphi=\frac{1}{\sqrt5\sqrt{10}}=\frac1{5\sqrt2}\).
  2. Через \(k\): \(k_1=-2,\ k_2=\frac13\); \(\operatorname{tg}\varphi=\left|\frac{1/3+2}{1-2/3}\right|=7\).
  3. Сходится: \(\cos(\operatorname{arctg}7)=\frac1{\sqrt{50}}\) ✓
\(\varphi=\operatorname{arctg}7\approx81{,}9^\circ\)

Провести через \(P(1;1)\) прямую, перпендикулярную \(2x+y-4=0\).

  1. Нормаль данной \((2;1)\) становится направляющим вектором искомой.
  2. \(\frac{x-1}{2}=\frac{y-1}{1}\Rightarrow x-2y+1=0\).
\(x-2y+1=0\)

\(A(1;-1;2),\ B(5;-6;2),\ C(1;3;-1)\). Найти угол при вершине \(A\) и \(\operatorname{пр}_{\overrightarrow{AC}}\overrightarrow{AB}\).

  1. \(\overrightarrow{AB}=(4;-5;0),\ \overrightarrow{AC}=(0;4;-3)\); \(|AB|=\sqrt{41},\ |AC|=5\).
  2. \((\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=0-20+0=-20\).
  3. \(\cos A=\frac{-20}{5\sqrt{41}}=-\frac{4}{\sqrt{41}}\) — угол тупой.
  4. \(\operatorname{пр}=\frac{-20}{5}=-4\).
\(A=\arccos(-4/\sqrt{41})\), проекция \(-4\)

Найти \(\vec x\), перпендикулярный \(\vec a=(2;3;-1)\) и \(\vec b=(1;-2;3)\), если \((\vec x,\vec c)=-6\), \(\vec c=(2;-1;1)\).

  1. Условия: \(2x+3y-z=0,\ x-2y+3z=0,\ 2x-y+z=-6\).
  2. Из первого \(z=2x+3y\); во второе: \(7x+7y=0\Rightarrow y=-x\), тогда \(z=-x\).
  3. В третье: \(2x+x-x=-6\Rightarrow x=-3\).
  4. Проверка: \(-6+9-3=0,\ -3-6+9=0,\ -6-3+3=-6\) ✓
\(\vec x=(-3;3;3)\)

Треугольник \(A(1;2),\ B(3;-2),\ C(5;4)\). Найти уравнение высоты из \(C\), её основание \(H\) и длину.

  1. Сторона \(AB\): \(2x+y-4=0\) (этап «Переходы»).
  2. Высота через \(C\) с направлением \(\vec n_{AB}=(2;1)\): \(\frac{x-5}{2}=\frac{y-4}{1}\Rightarrow x-2y+3=0\).
  3. \(H\): решаем \(2x+y=4,\ x-2y=-3\). Из второго \(x=2y-3\); \(5y-6=4\Rightarrow y=2,\ x=1\). \(H(1;2)=A\)!
  4. Значит, угол \(A\) прямой. Проверка скалярным произведением: \(\overrightarrow{AB}=(2;-4),\ \overrightarrow{AC}=(4;2)\), \(8-8=0\) ✓
  5. Длина высоты \(=|CA|=\sqrt{16+4}=2\sqrt5\).
\(x-2y+3=0\); \(H=A(1;2)\); \(h=2\sqrt5\)

Прямая \(3x-2y+6=0\) — записать в отрезках.

\(\frac{x}{-2}+\frac y3=1\)

Параллельны ли \(2x-4y+1=0\) и \(-x+2y+5=0\)?

Да: \(\frac{2}{-1}=\frac{-4}{2}\ne\frac15\).

Найти середину отрезка \(A(-1;4;2),\ B(3;0;-6)\).

\((1;2;-2)\)

Лекция 4. ДСК, простейшие задачи, прямая на плоскости. ОЛ-1, пп. 3.1–3.5, 4.1–4.3; ОЛ-3, гл. 4 §1, гл. 5 §1.

Занятие 4. Скалярное произведение и его приложения.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.40, 2.65, 2.70, 2.78(б,г,ж,з,и), 2.80, 2.82, 2.84, 2.89 (или Клетеник 795(1,3,5,7), 808, 814(1,4), 815, 818, 821, 826, 833, 780, 825).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.66, 2.67, 2.71, 2.72, 2.78(а,в,д), 2.81, 2.83, 2.88.

Плоскость в пространстве устроена как прямая на плоскости

Общее уравнение \(Ax+By+Cz+D=0\) — та же идея «точка + нормаль», только на одну координату больше.

Нормальное уравнение (с единичной нормалью) сразу даёт расстояние от точки: подставь точку — получишь отклонение со знаком. Это работает и для прямой на плоскости, и для плоскости в пространстве.

На семинаре — векторное произведение: оно строит нормаль плоскости по двум лежащим в ней векторам.

\(x\cos\alpha+y\sin\alpha-p=0\), где \(p\ge0\) — расстояние от начала координат до прямой, \(\alpha\) — угол единичной нормали (направленной от \(O\) к прямой) с осью \(Ox\).

Чтобы привести \(Ax+By+C=0\) к нормальному виду, умножаем на нормирующий множитель \(\mu=\pm\frac{1}{\sqrt{A^2+B^2}}\), знак \(\mu\) — противоположный знаку \(C\) (чтобы \(-p=\mu C\le0\)).

Отклонение точки \(M_0\): \(\delta=x_0\cos\alpha+y_0\sin\alpha-p\) (знак показывает, по какую сторону от прямой точка). Расстояние: \(d=|\delta|=\dfrac{|Ax_0+By_0+C|}{\sqrt{A^2+B^2}}\).

Почему так

Пусть \(\vec e=(\cos\alpha;\sin\alpha)\). Проекция радиус-вектора \(\overrightarrow{OM_0}\) на \(\vec e\) равна \(x_0\cos\alpha+y_0\sin\alpha\), а проекция любой точки прямой равна \(p\). Разность проекций и есть отклонение \(M_0\) от прямой вдоль нормали. ∎

Привести \(3x-4y+5=0\) к нормальному виду; найти расстояние от \(M(3;-1)\) до прямой.

  1. \(\sqrt{9+16}=5\), \(C=5>0\Rightarrow\mu=-\frac15\): \(-\frac35x+\frac45y-1=0\), \(p=1\).
  2. \(\delta=-\frac95-\frac45-1=-\frac{18}5\), \(d=\frac{18}{5}\).
\(-\frac35x+\frac45y-1=0\); \(d=3{,}6\)

Расстояние между параллельными прямыми \(3x-4y+5=0\) и \(3x-4y-10=0\).

  1. Возьмём точку на второй прямой: \((2;-1)\) (\(6+4-10=0\)).
  2. \(d=\frac{|6+4+5|}{5}=3\). Короче: \(d=\frac{|C_1-C_2|}{\sqrt{A^2+B^2}}\) при одинаковых \(A,B\).
\(3\)

В ДСК любое уравнение первой степени \(Ax+By+Cz+D=0\) задаёт плоскость с нормальным вектором \(\vec n=(A;B;C)\). (Доказательство — дословно как для прямой на плоскости.)

  • Через точку с нормалью: \(A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0\).
  • Через три точки — условие компланарности \(\overrightarrow{M_1M},\overrightarrow{M_1M_2},\overrightarrow{M_1M_3}\): \[\begin{vmatrix}x-x_1&y-y_1&z-z_1\\x_2-x_1&y_2-y_1&z_2-z_1\\x_3-x_1&y_3-y_1&z_3-z_1\end{vmatrix}=0.\]
  • В отрезках: \(\frac xa+\frac yb+\frac zc=1\).

\(D=0\) — через начало координат; \(A=0\) — параллельна \(Ox\) (нормаль ⟂ \(Ox\)); \(A=D=0\) — содержит \(Ox\); \(A=B=0\) — параллельна \(Oxy\): \(z=\text{const}\).

Все плоскости через прямую пересечения двух плоскостей: \(\alpha(A_1x+B_1y+C_1z+D_1)+\beta(A_2x+B_2y+C_2z+D_2)=0\). Удобно, когда нужна плоскость «через данную прямую и ещё что-то».

Плоскость через \(M_1(1;2;0),\ M_2(2;1;1),\ M_3(3;0;1)\).

  1. \(\overrightarrow{M_1M_2}=(1;-1;1),\ \overrightarrow{M_1M_3}=(2;-2;1)\).
  2. Нормаль — их векторное произведение: \(\vec i(-1+2)-\vec j(1-2)+\vec k(-2+2)=(1;1;0)\).
  3. \(1(x-1)+1(y-2)+0=0\Rightarrow x+y-3=0\). Проверка \(M_2,M_3\): \(2+1-3=0,\ 3+0-3=0\) ✓
\(x+y-3=0\) (плоскость параллельна \(Oz\))

Записать \(2x-3y+6z-12=0\) в отрезках.

\(\frac x6+\frac{y}{-4}+\frac z2=1\)
  • Параллельны: \(\vec n_1\parallel\vec n_2\) (и \(D\) не пропорциональны); перпендикулярны: \((\vec n_1,\vec n_2)=0\).
  • Угол: \(\cos\varphi=\dfrac{|(\vec n_1,\vec n_2)|}{|\vec n_1||\vec n_2|}\).

\(x\cos\alpha+y\cos\beta+z\cos\gamma-p=0\): \((\cos\alpha;\cos\beta;\cos\gamma)\) — единичная нормаль (направляющие косинусы), \(p\ge0\) — расстояние от \(O\). Нормирующий множитель \(\mu=\pm1/|\vec n|\), знак противоположен \(D\).

\[d(M_0,\Pi)=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}.\]

Угол между \(x+y-3=0\) и \(2x-y+2z-5=0\); расстояние от \(P(1;-1;2)\) до второй плоскости.

  1. \((1;1;0)\cdot(2;-1;2)=1\); \(\cos\varphi=\frac{1}{\sqrt2\cdot3}\).
  2. \(d=\frac{|2+1+4-5|}{3}=\frac23\).
\(\varphi=\arccos\frac1{3\sqrt2}\); \(d=\frac23\)

(Из задач к экзамену) Плоскость параллельна \(x+3y-z+2=0\) и отстоит от \(A(-1;-2;0)\) на \(\sqrt{11}\).

  1. Параллельные плоскости: \(x+3y-z+D=0\).
  2. \(\frac{|-1-6-0+D|}{\sqrt{11}}=\sqrt{11}\Rightarrow|D-7|=11\Rightarrow D=18\) или \(D=-4\).
\(x+3y-z+18=0\) и \(x+3y-z-4=0\)

Сила \(\vec F=(2;-1;3)\) приложена в точке \(B(1;2;0)\). Найти её момент относительно \(A(0;1;1)\) и величину момента.

  1. \(\overrightarrow{AB}=(1;1;-1)\); \(\vec M=\overrightarrow{AB}\times\vec F\).
  2. \(\vec i(3-1)-\vec j(3+2)+\vec k(-1-2)=(2;-5;-3)\).
\(\vec M=(2;-5;-3)\), \(|\vec M|=\sqrt{38}\)

Найти единичный вектор, перпендикулярный \(\vec a=(1;2;-1)\) и \(\vec b=(3;0;2)\).

\(\pm\frac{1}{\sqrt{77}}(4;-5;-6)\) — орт векторного произведения (неделя 3).

Плоскость через \(M(1;0;-1)\), перпендикулярная плоскостям \(x+y-3=0\) и \(2x-y+2z-5=0\).

  1. Искомая нормаль \(\vec n\) перпендикулярна обеим нормалям \(\vec n_1=(1;1;0),\ \vec n_2=(2;-1;2)\) ⇒ \(\vec n=\vec n_1\times\vec n_2\).
  2. \(\vec i(2-0)-\vec j(2-0)+\vec k(-1-2)=(2;-2;-3)\). Проверка: \((\vec n,\vec n_1)=0,\ (\vec n,\vec n_2)=4+2-6=0\) ✓
  3. \(2(x-1)-2(y-0)-3(z+1)=0\).
\(2x-2y-3z-5=0\)

Расстояние от начала координат до \(2x+y-2z+9=0\)?

\(9/3=3\)

Перпендикулярны ли \(x-2y+z=0\) и \(3x+y-z+7=0\)?

\(3-2-1=0\) — да.

Какая плоскость задаётся уравнением \(y+2z=0\)?

Содержит ось \(Ox\) (\(A=0,\ D=0\)).

Лекция 5. Нормальное уравнение прямой, плоскость. ОЛ-1, пп. 4.4, 5.1; ОЛ-3, гл. 5 §1 п.7, §3.

Занятие 5. Векторное произведение и его приложения.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.98(а,б), 2.99, 2.100(а,б), 2.108, 2.109, 2.115, 2.118, 2.120 (или Клетеник 839, 843, 844, 850, 854, 855, 857, 840, 861, 862).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.98(в), 2.100(в,г), 2.105, 2.106(в), 2.107, 2.111, 2.116, 2.119.

Прямая в пространстве — точка и направление

Одного линейного уравнения в пространстве мало (это плоскость), поэтому прямую задают точкой и направляющим вектором или как пересечение двух плоскостей.

Все задачи «прямая–плоскость» и «прямая–прямая» решаются через три объекта: точку \(M_0\), направляющий \(\vec s\) и нормаль \(\vec n\). Расстояние между скрещивающимися прямыми — высота параллелепипеда, поэтому в формуле стоит смешанное произведение.

  • Векторное: \(\vec r=\vec r_0+t\vec s\); параметрические: \(x=x_0+lt,\ y=y_0+mt,\ z=z_0+nt\).
  • Канонические: \(\dfrac{x-x_0}{l}=\dfrac{y-y_0}{m}=\dfrac{z-z_0}{n}\), \(\vec s=(l;m;n)\). Ноль в знаменателе допустим и означает, что соответствующая координата постоянна.
  • Через две точки: \(\dfrac{x-x_1}{x_2-x_1}=\dfrac{y-y_1}{y_2-y_1}=\dfrac{z-z_1}{z_2-z_1}\).
  • Общие: \(\begin{cases}A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0\\A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0\end{cases}\) — пересечение двух непараллельных плоскостей.

1) \(\vec s=\vec n_1\times\vec n_2\) (прямая лежит в обеих плоскостях ⇒ перпендикулярна обеим нормалям). 2) Точку находим, задав одну координату (например, \(x=0\)) и решив систему 2×2 для двух других.

Записать канонические уравнения прямой \(\begin{cases}x-2y+z-3=0\\x+y-z+2=0\end{cases}\)

  1. \(\vec s=(1;-2;1)\times(1;1;-1)=\vec i(2-1)-\vec j(-1-1)+\vec k(1+2)=(1;2;3)\).
  2. Точка: \(x=0\): \(-2y+z=3,\ y-z=-2\). Складываем: \(-y=1\Rightarrow y=-1,\ z=1\).
  3. Проверка \((0;-1;1)\): \(0+2+1-3=0\), \(0-1-1+2=0\) ✓
\(\frac x1=\frac{y+1}{2}=\frac{z-1}{3}\)

Прямая через \(A(1;-1;2)\) и \(B(3;1;1)\).

\(\frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{2}=\frac{z-2}{-1}\)

Угол между прямой и плоскостью — угол между прямой и её проекцией на плоскость, \(\varphi\in[0;\frac\pi2]\). Он дополняет до \(\frac\pi2\) угол между \(\vec s\) и \(\vec n\), поэтому

\[\sin\varphi=\frac{|(\vec n,\vec s)|}{|\vec n||\vec s|}.\]
  • Прямая ∥ плоскости (или лежит в ней): \((\vec n,\vec s)=0\). Лежит — если ещё и точка \(M_0\) удовлетворяет уравнению плоскости.
  • Прямая ⟂ плоскости: \(\vec s\parallel\vec n\).
  • Точка пересечения: подставляем параметрические уравнения в уравнение плоскости, находим \(t\).

Здесь синус, а не косинус! Типичная ошибка — по привычке написать \(\cos\).

Найти точку пересечения прямой \(\frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{-1}=\frac z3\) с плоскостью \(x+y+z-6=0\) и угол между ними.

  1. Параметрически: \(x=1+2t,\ y=-1-t,\ z=3t\).
  2. Подставляем: \(1+2t-1-t+3t-6=0\Rightarrow4t=6,\ t=\frac32\).
  3. Точка \((4;-\frac52;\frac92)\); проверка: \(4-2{,}5+4{,}5=6\) ✓
  4. \(\sin\varphi=\frac{|2-1+3|}{\sqrt{14}\sqrt3}=\frac{4}{\sqrt{42}}\).
\(M(4;-2{,}5;4{,}5)\), \(\varphi=\arcsin\frac4{\sqrt{42}}\)

Пусть \(L_1:(M_1,\vec s_1)\), \(L_2:(M_2,\vec s_2)\).

  • В одной плоскости \(\iff(\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2)=0\). Тогда они пересекаются (\(\vec s_1\not\parallel\vec s_2\)) или параллельны.
  • Скрещиваются \(\iff(\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2)\ne0\).
  • Угол: \(\cos\varphi=\frac{|(\vec s_1,\vec s_2)|}{|\vec s_1||\vec s_2|}\).
\[d(M_0,L)=\frac{|\overrightarrow{M_1M_0}\times\vec s|}{|\vec s|},\qquad d(L_1,L_2)=\frac{|(\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2)|}{|\vec s_1\times\vec s_2|}.\]

Первая формула: площадь параллелограмма на \(\overrightarrow{M_1M_0}\) и \(\vec s\), делённая на основание, — высота. Вторая: объём параллелепипеда на трёх векторах, делённый на площадь основания (на \(\vec s_1,\vec s_2\)), — высота, а она и есть расстояние между параллельными плоскостями, содержащими прямые.

\(L_1:\frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{1}=\frac{z}{-1}\), \(L_2:\frac{x}{1}=\frac{y-2}{-1}=\frac{z-1}{2}\). Взаимное расположение, угол, расстояние.

  1. \(M_1(1;-1;0),\ \vec s_1=(2;1;-1)\); \(M_2(0;2;1),\ \vec s_2=(1;-1;2)\); \(\overrightarrow{M_1M_2}=(-1;3;1)\).
  2. \(\begin{vmatrix}-1&3&1\\2&1&-1\\1&-1&2\end{vmatrix}=-1(2-1)-3(4+1)+1(-2-1)=-19\ne0\) ⇒ скрещиваются.
  3. \(\cos\varphi=\frac{|2-1-2|}{\sqrt6\sqrt6}=\frac16\).
  4. \(\vec s_1\times\vec s_2=\vec i(2-1)-\vec j(4+1)+\vec k(-2-1)=(1;-5;-3)\), длина \(\sqrt{35}\).
  5. \(d=\frac{19}{\sqrt{35}}\).
скрещиваются; \(\varphi=\arccos\frac16\); \(d=\frac{19}{\sqrt{35}}\approx3{,}21\)

Расстояние от \(P(2;3;1)\) до \(L_1\).

  1. \(\overrightarrow{M_1P}=(1;4;1)\); \(\overrightarrow{M_1P}\times\vec s_1=\vec i(-4-1)-\vec j(-1-2)+\vec k(1-8)=(-5;3;-7)\).
  2. \(d=\frac{\sqrt{25+9+49}}{\sqrt6}=\sqrt{\frac{83}{6}}\).
\(\sqrt{83/6}\approx3{,}72\)

Тетраэдр \(A(2;-1;1),\ B(5;5;4),\ C(3;2;-1),\ D(4;1;3)\). Найти объём и высоту из \(D\).

  1. \(\overrightarrow{AB}=(3;6;3),\ \overrightarrow{AC}=(1;3;-2),\ \overrightarrow{AD}=(2;2;2)\).
  2. \(\begin{vmatrix}3&6&3\\1&3&-2\\2&2&2\end{vmatrix}=3(6+4)-6(2+4)+3(2-6)=-18\Rightarrow V=\frac{18}6=3\).
  3. \(\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=(-21;9;3)\), \(|\cdot|=\sqrt{531}=3\sqrt{59}\), \(S_{ABC}=\frac{3\sqrt{59}}2\).
  4. \(V=\frac13Sh\Rightarrow h=\frac{3V}{S}=\frac{9\cdot2}{3\sqrt{59}}=\frac{6}{\sqrt{59}}\).
\(V=3,\ h=6/\sqrt{59}\)

Лежат ли \(A(1;2;-1),\ B(0;1;5),\ C(-1;2;1),\ D(2;1;3)\) в одной плоскости?

  1. \(\overrightarrow{AB}=(-1;-1;6),\ \overrightarrow{AC}=(-2;0;2),\ \overrightarrow{AD}=(1;-1;4)\).
  2. \(-1(0+2)+1(-8-2)+6(2-0)=-2-10+12=0\).
Да, компланарны.

Для \(L_1, L_2\) из этапа «Скрещивающиеся прямые» найти основания общего перпендикуляра и записать его уравнения.

  1. Точки на прямых: \(P_1=(1+2t;\,-1+t;\,-t)\), \(P_2=(u;\,2-u;\,1+2u)\). \(\overrightarrow{P_1P_2}=(u-1-2t;\,3-u-t;\,1+2u+t)\).
  2. \(\overrightarrow{P_1P_2}\perp\vec s_1\): \(2(u-1-2t)+(3-u-t)-(1+2u+t)=0\Rightarrow-u-6t=0\).
  3. \(\overrightarrow{P_1P_2}\perp\vec s_2\): \((u-1-2t)-(3-u-t)+2(1+2u+t)=0\Rightarrow6u+t-2=0\).
  4. \(u=-6t\Rightarrow-35t=2\): \(t=-\frac2{35},\ u=\frac{12}{35}\). \(P_1\left(\frac{31}{35};-\frac{37}{35};\frac{2}{35}\right)\), \(P_2\left(\frac{12}{35};\frac{58}{35};\frac{59}{35}\right)\).
  5. Проверка: \(\overrightarrow{P_1P_2}=\frac{19}{35}(-1;5;3)\parallel\vec s_1\times\vec s_2\) ✓, длина \(\frac{19}{35}\sqrt{35}=\frac{19}{\sqrt{35}}\) — совпало с формулой ✓
\(\dfrac{x-31/35}{1}=\dfrac{y+37/35}{-5}=\dfrac{z-2/35}{-3}\)

Параллельна ли прямая \(\frac{x}{1}=\frac{y}{2}=\frac{z}{3}\) плоскости \(x+y-z+1=0\)?

\((1;2;3)\cdot(1;1;-1)=0\) — да; \(O\) не лежит в плоскости, значит параллельна, не лежит.

Прямая через \(M(1;2;3)\), перпендикулярная плоскости \(2x-y+4z=0\).

\(\frac{x-1}{2}=\frac{y-2}{-1}=\frac{z-3}{4}\)

Что означает \(\frac{x-1}{0}=\frac{y}{2}=\frac{z+1}{1}\)?

\(x\equiv1\): прямая лежит в плоскости \(x=1\), \(\vec s=(0;2;1)\).

Лекция 6. Прямая в пространстве. ОЛ-1, пп. 5.3–5.5; ОЛ-3, гл. 5 §4.

Занятие 6. Смешанное произведение и его приложения.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.125, 2.127(а), 2.129, 2.130, 2.132, 2.134, 2.135(а), 2.136(а), 2.137, 2.138(а), 2.140(а,в) (или Клетеник 865(1,3,5), 867–869, 871, 874(1,2), 875, 877, 878).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.124, 2.126, 2.127(б), 2.133, 2.135(б), 2.136(б), 2.138(б), 2.139, 2.140(б,г).

ДЗ №2 «Кривые и поверхности» выдаётся на 6-й неделе.

Кривая как геометрическое место точек

Эллипс — точки с постоянной суммой расстояний до двух фокусов, гипербола — с постоянной разностью (по модулю).

Из этих определений выводятся канонические уравнения, а все параметры — полуоси, фокусное расстояние, эксцентриситет — связаны одним соотношением между \(a,b,c\). Кто запомнил, какое из трёх чисел самое большое, тот не ошибётся.

На семинаре — задачи на плоскость: через точку и прямую, перпендикулярно плоскости, симметричная точка.

Эллипс — множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух данных точек \(F_1,F_2\) (фокусов) постоянна и равна \(2a\), причём \(2a>|F_1F_2|=2c\).

\[\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad b^2=a^2-c^2,\quad a\ge b>0.\]
  • Фокусы \(F_{1,2}(\mp c;0)\), вершины \((\pm a;0),(0;\pm b)\).
  • Эксцентриситет \(e=\frac ca\in[0;1)\): чем ближе к 0, тем «круглее»; \(e=0\) — окружность.
  • Фокальные радиусы точки \(M(x;y)\): \(r_1=a+ex,\ r_2=a-ex\).
  • Директрисы \(x=\pm\frac ae\): \(\frac{r}{d}=e\) для каждой пары «фокус–своя директриса».
Вывод канонического уравнения

\(\sqrt{(x+c)^2+y^2}+\sqrt{(x-c)^2+y^2}=2a\). Переносим второй корень, возводим в квадрат: \(a\sqrt{(x-c)^2+y^2}=a^2-cx\). Ещё раз в квадрат: \((a^2-c^2)x^2+a^2y^2=a^2(a^2-c^2)\). Обозначаем \(b^2=a^2-c^2\) и делим на \(a^2b^2\). (Можно показать, что лишних точек при возведении в квадрат не появилось.)

Эллипс \(9x^2+25y^2=225\). Найти полуоси, фокусы, эксцентриситет; проверить свойство \(r_1+r_2=2a\) для точки \(M(4;\frac95)\).

  1. Делим на 225: \(\frac{x^2}{25}+\frac{y^2}{9}=1\Rightarrow a=5,\ b=3\).
  2. \(c=\sqrt{25-9}=4\): \(F_{1,2}(\mp4;0)\), \(e=\frac45\).
  3. \(M\) на эллипсе: \(\frac{16}{25}+\frac{81/25}{9}=\frac{16}{25}+\frac{9}{25}=1\) ✓
  4. \(r_1=5+\frac45\cdot4=8{,}2;\ r_2=5-3{,}2=1{,}8\); сумма \(10=2a\) ✓ (Напрямую: \(r_2=|MF_2|=\frac95\), так как \(M\) стоит над фокусом.)
\(a=5,b=3,c=4,e=0{,}8\)

Составить уравнение эллипса с фокусами на \(Ox\) (симметрично \(O\)), если \(2a=10,\ e=\frac35\).

  1. \(a=5,\ c=ea=3,\ b^2=25-9=16\).
\(\frac{x^2}{25}+\frac{y^2}{16}=1\)

Гипербола — множество точек, модуль разности расстояний от которых до фокусов \(F_1,F_2\) постоянен и равен \(2a<2c\).

\[\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad b^2=c^2-a^2.\]
  • Действительная ось \(2a\) (вершины \((\pm a;0)\)), мнимая \(2b\).
  • Асимптоты \(y=\pm\frac bax\) — диагонали «основного прямоугольника» \(2a\times2b\).
  • \(e=\frac ca>1\); фокальные радиусы \(r_{1,2}=|ex\pm a|\).
  • Равносторонняя (равноосная): \(a=b\), асимптоты \(y=\pm x\), \(e=\sqrt2\).
  • Сопряжённая: \(-\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1\) — ветви вверх-вниз, фокусы на \(Oy\).

У эллипса \(a\) — самое большое из чисел \(a,b,c\); у гиперболы самое большое — \(c\). Отсюда и знак в связи \(a,b,c\).

\(16x^2-9y^2=144\). Найти \(a,b,c,e\), фокусы и асимптоты.

  1. \(\frac{x^2}{9}-\frac{y^2}{16}=1\): \(a=3,\ b=4\).
  2. \(c=\sqrt{9+16}=5\), \(e=\frac53\), \(F(\pm5;0)\).
  3. Асимптоты \(y=\pm\frac43x\).
\(a=3,b=4,c=5,e=5/3\), \(y=\pm\frac43x\)

Равносторонняя гипербола с фокусами на \(Ox\), \(c=4\). Уравнение?

  1. \(a=b,\ c^2=2a^2=16\Rightarrow a^2=8\).
\(x^2-y^2=8\)

Плоскость через \(A(1;2;3)\) и прямую \(\frac x1=\frac{y-1}{2}=\frac{z+1}{-1}\).

  1. На прямой \(M_0(0;1;-1)\), \(\vec s=(1;2;-1)\); \(\overrightarrow{M_0A}=(1;1;4)\).
  2. Оба вектора лежат в плоскости ⇒ \(\vec n=\vec s\times\overrightarrow{M_0A}=\vec i(8+1)-\vec j(4+1)+\vec k(1-2)=(9;-5;-1)\).
  3. \(9(x-1)-5(y-2)-(z-3)=0\Rightarrow 9x-5y-z+4=0\). Проверка \(M_0\): \(0-5+1+4=0\) ✓
\(9x-5y-z+4=0\)

Найти точку, симметричную \(P(3;1;-1)\) относительно плоскости \(x+2y-z+6=0\).

  1. Перпендикуляр из \(P\): \(x=3+t,\ y=1+2t,\ z=-1-t\) (направление — нормаль).
  2. Пересечение с плоскостью: \(3+t+2+4t+1+t+6=0\Rightarrow6t=-12,\ t=-2\). Основание \(H(1;-3;1)\).
  3. \(H\) — середина \(PP'\): \(P'=2H-P\).
\(P'(-1;-7;3)\)

Плоскость через \(M_1(1;0;2)\) и \(M_2(2;1;0)\), перпендикулярная плоскости \(x-y+z=0\).

  1. В искомой плоскости лежат \(\overrightarrow{M_1M_2}=(1;1;-2)\) и нормаль данной плоскости \(\vec n_0=(1;-1;1)\) (раз плоскости перпендикулярны).
  2. \(\vec n=\overrightarrow{M_1M_2}\times\vec n_0=\vec i(1-2)-\vec j(1+2)+\vec k(-1-1)=(-1;-3;-2)\parallel(1;3;2)\).
  3. \((x-1)+3y+2(z-2)=0\). Проверки: \(M_2\): \(2+3+0-5=0\) ✓; \((\vec n,\vec n_0)=1-3+2=0\) ✓
\(x+3y+2z-5=0\)

Эксцентриситет эллипса \(\frac{x^2}{16}+\frac{y^2}{25}=1\)?

Здесь большая полуось вдоль \(Oy\): \(a=5,b=4,c=3\), \(e=0{,}6\); фокусы \((0;\pm3)\).

Асимптоты гиперболы \(x^2-4y^2=4\)?

\(\frac{x^2}{4}-y^2=1\Rightarrow y=\pm\frac12x\)

Может ли у гиперболы быть \(a=5,\ c=4\)?

Нет: у гиперболы \(c>a\).

Лекции 7–8. Кривые второго порядка. ОЛ-1, гл. 11; ОЛ-3, гл. 6 §§1–3.

Занятие 7. Плоскость в пространстве.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.180(а), 2.181(а), 2.182(а), 2.183(а), 2.184(б), 2.185, 2.190, 2.196, 2.191 (или Клетеник 916, 917, 921, 930, 932, 926(1), 927(1), 940(1), 941(3), 942(2), 947, 949, 964(1)).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.180(б), 2.181(б), 2.192(б), 2.193(б), 2.194(а), 2.187, 2.188, 2.189, 2.195.

Срок сдачи ДЗ №1, часть 1 — 7-я неделя.

Выделяем полные квадраты — и кривая становится канонической

Уравнение без члена \(xy\) приводится к каноническому виду параллельным переносом: группируем \(x\) с \(x\), \(y\) с \(y\) и выделяем полные квадраты.

Тип кривой виден ещё до вычислений, по знакам коэффициентов при \(x^2\) и \(y^2\): одинаковые знаки — эллипс, разные — гипербола, одного квадрата нет — парабола. Это ровно задачи 1–2 ДЗ №2 и задача 2 контрольной работы.

На семинаре — прямая в пространстве: проекция прямой на плоскость, симметричная точка, высота треугольника.

Парабола — множество точек, равноудалённых от точки \(F\) (фокуса) и прямой \(d\) (директрисы), не проходящей через \(F\).

\[y^2=2px,\quad p>0\]
  • \(p\) — параметр (расстояние от фокуса до директрисы).
  • Фокус \(F(\frac p2;0)\), директриса \(x=-\frac p2\), вершина \(O\), \(e=1\).
  • \(y^2=-2px\) — ветви влево; \(x^2=\pm2py\) — вверх/вниз.
Вывод (вопрос экзамена)

\(|MF|=d(M,d)\): \(\sqrt{(x-\frac p2)^2+y^2}=x+\frac p2\). Возводим в квадрат: \(x^2-px+\frac{p^2}4+y^2=x^2+px+\frac{p^2}4\Rightarrow y^2=2px\). ∎

Для эллипса и гиперболы тоже \(\frac{r}{d}=e\) (расстояние до фокуса / до соответствующей директрисы): \(e<1\) — эллипс, \(e=1\) — парабола, \(e>1\) — гипербола. Оптическое свойство параболы: лучи из фокуса после отражения идут параллельно оси (прожектор, антенна).

\(y^2=8x\): параметр, фокус, директриса.

\(2p=8,\ p=4\); \(F(2;0)\); \(x=-2\).

(Подготовка к КР) Уравнение параболы с фокусом \(F(-4;-2)\) и директрисой \(y-4=0\).

  1. По определению: \(\sqrt{(x+4)^2+(y+2)^2}=|y-4|\).
  2. В квадрат: \((x+4)^2=(y-4)^2-(y+2)^2=(-6)(2y-2)=-12(y-1)\).
  3. Вершина \((-4;1)\) — середина между фокусом и директрисой; \(p=6\); ветви вниз (фокус ниже директрисы).
\((x+4)^2=-12(y-1)\)

Если центр (вершина) кривой в точке \(O'(x_0;y_0)\), то в канонических уравнениях \(x\) заменяется на \(x-x_0\), \(y\) — на \(y-y_0\). Например, \(\frac{(x-x_0)^2}{a^2}+\frac{(y-y_0)^2}{b^2}=1\).

  1. Тип по \(AC\): \(AC>0\) — эллиптический, \(AC<0\) — гиперболический, \(AC=0\) — параболический.
  2. Группируем и выносим коэффициент: \(A(x^2+\frac DAx)\). Выделяем квадрат: \(x^2+2kx=(x+k)^2-k^2\).
  3. Переносим константу вправо, делим, получаем канонический вид в \(X=x-x_0,\ Y=y-y_0\).
  4. Параметры (\(a,b,c,e,p\)) считаем в \(X,Y\), а координаты фокусов, вершин, асимптоты, директрису переводим обратно: \(x=X+x_0\).

Вырожденные случаи: \(\frac{X^2}{a^2}+\frac{Y^2}{b^2}=0\) — точка, \(=-1\) — пустое множество, \(\frac{X^2}{a^2}-\frac{Y^2}{b^2}=0\) — пара пересекающихся прямых, \(Y^2=k\) — пара параллельных прямых или пусто.

(КР) \(y^2+4x-4y+8=0\). Канонический вид, тип, чертёж.

  1. \(AC=0\) — парабола. \(y^2-4y=(y-2)^2-4\): \((y-2)^2-4+4x+8=0\).
  2. \((y-2)^2=-4x-4=-4(x+1)\). Перенос \(X=x+1,\ Y=y-2\): \(Y^2=-4X\).
  3. \(2p=4,\ p=2\), ветви влево. Вершина \((-1;2)\), фокус \(X=-1\Rightarrow F(-2;2)\), директриса \(X=1\Rightarrow x=0\).
\((y-2)^2=-4(x+1)\) — парабола, вершина \((-1;2)\), \(F(-2;2)\), директриса \(x=0\)

\(3x^2-30x-y^2-2y+83=0\).

  1. \(AC=-3<0\) — гиперболический тип.
  2. \(3(x^2-10x)=3(x-5)^2-75\); \(-(y^2+2y)=-(y+1)^2+1\).
  3. \(3(x-5)^2-(y+1)^2+9=0\Rightarrow\frac{(y+1)^2}{9}-\frac{(x-5)^2}{3}=1\).
  4. Сопряжённая гипербола: действительная ось вдоль \(Oy\), центр \((5;-1)\), \(a=3\) (по \(y\)), \(b=\sqrt3\), \(c=\sqrt{12}=2\sqrt3\), \(e=\frac{2\sqrt3}{3}\).
  5. Фокусы \((5;-1\pm2\sqrt3)\), асимптоты \(y+1=\pm\sqrt3(x-5)\).
\(\frac{(y+1)^2}{9}-\frac{(x-5)^2}{3}=1\)

(Из задач к экзамену) Уравнения проекции прямой \(x=3+2t,\ y=5-t,\ z=2-3t\) на плоскость \(x-y-z+1=0\).

  1. Проекция = пересечение данной плоскости с плоскостью \(\Pi'\), которая содержит прямую и перпендикулярна данной.
  2. \(\vec n'=\vec s\times\vec n=(2;-1;-3)\times(1;-1;-1)=\vec i(1-3)-\vec j(-2+3)+\vec k(-2+1)=(-2;-1;-1)\parallel(2;1;1)\).
  3. \(\Pi'\) через \((3;5;2)\): \(2(x-3)+(y-5)+(z-2)=0\Rightarrow2x+y+z-13=0\).
  4. Канонические: сложим уравнения плоскостей: \(3x-12=0\Rightarrow x=4\), тогда \(y+z=5\); точка \((4;5;0)\), направление \((0;1;-1)\).
\(\begin{cases}x-y-z+1=0\\2x+y+z-13=0\end{cases}\iff\frac{x-4}{0}=\frac{y-5}{1}=\frac{z}{-1}\)

(Из задач к экзамену) Точка, симметричная \(A(1;2;-4)\) относительно прямой \(\frac{x+3}{1}=\frac{y-3}{2}=\frac{z}{-3}\).

  1. Точка прямой \(P(t)=(-3+t;\,3+2t;\,-3t)\); \(\overrightarrow{AP}=(t-4;\,2t+1;\,4-3t)\).
  2. Основание перпендикуляра: \((\overrightarrow{AP},\vec s)=0\): \((t-4)+2(2t+1)-3(4-3t)=14t-14=0\Rightarrow t=1\), \(H(-2;5;-3)\).
  3. \(A'=2H-A\).
\(A'(-5;8;-2)\)

\(A(2;-1;3),\ B(3;-2;2),\ C(4;1;1)\). Канонические уравнения высоты из \(C\) на \(AB\) и её длина.

  1. \(\overrightarrow{AB}=(1;-1;-1)\); точка на \(AB\): \(H=(2+t;\,-1-t;\,3-t)\).
  2. \(\overrightarrow{CH}=(t-2;\,-t-2;\,2-t)\perp\overrightarrow{AB}\): \((t-2)+(t+2)-(2-t)=3t-2=0\Rightarrow t=\frac23\).
  3. \(H\left(\frac83;-\frac53;\frac73\right)\), \(\overrightarrow{CH}=\left(-\frac43;-\frac83;\frac43\right)\parallel(1;2;-1)\).
  4. Проверка ⟂: \((1;2;-1)\cdot(1;-1;-1)=1-2+1=0\) ✓. Длина \(\frac43\sqrt6\).
\(\frac{x-4}{1}=\frac{y-1}{2}=\frac{z-1}{-1}\), \(h=\frac{4\sqrt6}{3}\)

Тип кривой \(4x^2+y^2-8x+6y+13=0\)?

\(4(x-1)^2+(y+3)^2=0\) — вырожденный эллипс: одна точка \((1;-3)\).

Тип кривой \(x^2-y^2+2y-1=0\)?

\(x^2=(y-1)^2\) — пара прямых \(y=1\pm x\).

Фокус параболы \(x^2=-6y\)?

\(2p=6\), ветви вниз: \(F(0;-\frac32)\), директриса \(y=\frac32\).

Лекции 7–8. ОЛ-1, гл. 11; ОЛ-3, гл. 6 §§1–3. МП-5 (Дубограй и др.) — методичка к ДЗ «Кривые второго порядка».

Занятие 8. Прямая в пространстве, прямые и плоскости.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.197(а), 2.198, 2.200(а), 2.204, 2.205(а), 2.208, 2.214 (или Клетеник 1010(1), 1007, 1018, 1020(1), 1023, 1042, 1050, 1063(1), 991, 1052).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.197(б), 2.199, 2.201, 2.203(б), 2.205(б), 2.206, 2.210, 2.215.

Поверхность понимают по её сечениям

Метод сечений: режем поверхность плоскостями \(z=h\), \(x=0\), \(y=0\) и смотрим, какие кривые получаются. Из знакомых эллипсов, гипербол и парабол складывается объёмная картина.

Каноническое уравнение распознаётся по набору знаков и по тому, есть ли переменная в первой степени. Смещённая поверхность приводится к каноническому виду теми же полными квадратами.

Вторая половина недели — сводная задача по всему модулю 1 перед РК №1 и сдачей ДЗ №1 ч.2.

Образована прямыми (образующими), параллельными заданному направлению и проходящими через кривую (направляющую). Если в уравнении нет \(z\), это цилиндр с образующими \(\parallel Oz\): например, \(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1\) в пространстве — эллиптический цилиндр; \(\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\) — гиперболический; \(y^2=2px\) — параболический.

При вращении кривой \(F(y,z)=0\), лежащей в плоскости \(Oyz\), вокруг оси \(Oz\) нужно заменить \(y\) на \(\pm\sqrt{x^2+y^2}\): \(F(\pm\sqrt{x^2+y^2},z)=0\).

Пример: эллипс \(\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9}=1\) вокруг \(Oz\) даёт \(\frac{x^2+y^2}{4}+\frac{z^2}{9}=1\) — эллипсоид вращения. Парабола \(z=y^2\) вокруг \(Oz\) — параболоид \(z=x^2+y^2\).

ПоверхностьУравнениеСечения \(z=h\)Как узнать
Эллипсоид\(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1\)эллипсы при \(|h|<c\)все «+», справа 1
Однополостный гиперболоид\(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1\)эллипсы при всех \(h\), растутодин «−», справа 1
Двуполостный гиперболоид\(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=-1\)эллипсы при \(|h|>c\), пусто при \(|h|<c\)один «−», справа −1 (два «−» при +1)
Конус\(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=0\)эллипсы, при \(h=0\) — точкасправа 0
Эллиптический параболоид\(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=2z\)эллипсы при \(h>0\)\(z\) в 1-й степени, квадраты одного знака
Гиперболический параболоид («седло»)\(\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=2z\)гиперболы (при \(h=0\) — пара прямых)\(z\) в 1-й степени, квадраты разных знаков

Ось однополостного и двуполостного гиперболоида — та переменная, знак при которой «выбивается» из остальных. У однополостного «горловина» — эллипс \(z=0\); у двуполостного плоскость \(z=0\) поверхность не пересекает.

Определить тип: а) \(\frac{x^2}{4}+\frac{y^2}{9}-\frac{z^2}{16}=1\); б) \(x^2-y^2-z^2=1\); в) \(x^2+y^2=z^2\); г) \(y^2+z^2=4x\); д) \(z=xy\).

  1. а) Один минус, справа 1 — однополостный гиперболоид с осью \(Oz\). Сечения \(z=h\): \(\frac{x^2}{4}+\frac{y^2}{9}=1+\frac{h^2}{16}\) — эллипсы, растущие с \(|h|\).
  2. б) Перепишем: \(-x^2+y^2+z^2=-1\): двуполостный гиперболоид с осью \(Ox\) (при \(|x|<1\) сечений нет).
  3. в) Круговой конус с осью \(Oz\).
  4. г) Эллиптический (круговой) параболоид с осью \(Ox\), раскрывается в сторону \(x>0\).
  5. д) Поворот на 45°: \(xy=\frac{u^2-v^2}{2}\) — гиперболический параболоид.
однопол. гиперболоид; двупол. гиперболоид; конус; параболоид вращения; седло

(Пример из ДЗ №2) \(4y^2-z^2-8y-4z-1=0\).

  1. \(4(y-1)^2-4-(z+2)^2+4-1=0\Rightarrow4(y-1)^2-(z+2)^2=1\).
  2. Перенос \(Y=y-1,\ Z=z+2\) (\(x\) не меняется): \(\frac{Y^2}{1/4}-\frac{Z^2}{1}=1\).
  3. \(x\) отсутствует — образующие \(\parallel Ox\).
гиперболический цилиндр

(Подготовка к КР) \(y^2-z^2+6y+2z+2x+4=0\).

  1. \((y+3)^2-9-(z-1)^2+1+2x+4=0\Rightarrow(y+3)^2-(z-1)^2=-2(x-2)\).
  2. \(X=x-2,\ Y=y+3,\ Z=z-1\): \(Y^2-Z^2=-2X\).
гиперболический параболоид с вершиной \((2;-3;1)\)

Данные из примера ДЗ №1 кафедры: \(A(0;3;2),\ B(-1;4;2),\ D(0;1;2),\ A_1(1;2;0)\); параллелепипед \(ABCDA_1B_1C_1D_1\).

Плоскость основания \(P\) (через \(A,B,D\)), объём, высота.

  1. \(\overrightarrow{AB}=(-1;1;0),\ \overrightarrow{AD}=(0;-2;0)\); \(\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AD}=(0;0;2)\) ⇒ \(P:\ z=2\).
  2. \(\overrightarrow{AA_1}=(1;-1;-2)\); \(V=\left|\begin{vmatrix}-1&1&0\\0&-2&0\\1&-1&-2\end{vmatrix}\right|=|-1\cdot4-1\cdot0|=4\).
  3. \(S_{ABCD}=|(0;0;2)|=2\), \(h=V/S=2\) — и правда, \(A_1\) на расстоянии 2 от плоскости \(z=2\).
\(z=2\); \(V=4\); \(h=2\)

Точка \(A_2\), симметричная \(A_1\) относительно основания; угол диагонали \(A_1C\) с основанием.

  1. Отражение в плоскости \(z=2\): \(z\mapsto4-z\), \(A_2(1;2;4)\).
  2. \(C=B+\overrightarrow{AD}=(-1;2;2)\); \(\overrightarrow{A_1C}=(-2;0;2)\).
  3. \(\sin\varphi=\frac{|(0;0;1)\cdot(-2;0;2)|}{1\cdot2\sqrt2}=\frac1{\sqrt2}\).
\(A_2(1;2;4)\); \(\varphi=45^\circ\)

Расстояние между прямыми \(AB\) и \(CC_1\).

  1. \(AB:\ A,\ \vec s_1=(-1;1;0)\); \(CC_1:\ C,\ \vec s_2=\overrightarrow{AA_1}=(1;-1;-2)\); \(\overrightarrow{AC}=(-1;-1;0)\).
  2. \((\overrightarrow{AC},\vec s_1,\vec s_2)=\begin{vmatrix}-1&-1&0\\-1&1&0\\1&-1&-2\end{vmatrix}=-1(-2)+1(2)=4\).
  3. \(\vec s_1\times\vec s_2=(-2;-2;0)\), длина \(2\sqrt2\). \(d=\frac{4}{2\sqrt2}\).
\(d=\sqrt2\)

\(x^2+y^2-z^2=-4\)?

Двуполостный гиперболоид вращения, ось \(Oz\).

\(x^2+2z^2=6y\)?

Эллиптический параболоид с осью \(Oy\).

\(y^2=4z\) в пространстве?

Параболический цилиндр (образующие \(\parallel Ox\)).

Лекция 9. Поверхности второго порядка. ОЛ-1, гл. 12; ОЛ-3, гл. 7 §3. МП-6 (Бархатова, Садыхов) «Поверхности второго порядка».

Занятие 9 по плану — контроль по модулю №1; по рейтинг-плану РК №1 проводится на 10-й неделе. Срок сдачи ДЗ №1, часть 2 — 9-я неделя.

Матрица — таблица, с которой можно считать

Матрицы складывают поэлементно, а умножают «строка на столбец». Умножение некоммутативно — это главное отличие от чисел.

Элементарные преобразования строк приводят любую матрицу к ступенчатому виду. Этим приёмом дальше считаются обратная матрица, ранг и решения систем, так что технику стоит отработать сейчас.

На этой неделе проходит РК №1 — открой раздел «Подготовка к РК».

Матрица размера \(m\times n\) — прямоугольная таблица из \(m\) строк и \(n\) столбцов: \(A=(a_{ij})\). Матрицы равны, если у них один размер и совпадают все элементы.

  • Квадратная (\(m=n\)), её главная диагональ \(a_{11},\dots,a_{nn}\); диагональная; единичная \(E\) (единицы на диагонали); нулевая \(O\); верхне/нижнетреугольная; матрица-строка и матрица-столбец.
  • \(A+B=(a_{ij}+b_{ij})\) — только для одного размера; \(\lambda A=(\lambda a_{ij})\).
  • Транспонирование \(A^T\): строки становятся столбцами, \((A^T)_{ij}=a_{ji}\). \((A+B)^T=A^T+B^T,\ (\lambda A)^T=\lambda A^T,\ (A^T)^T=A\).

Те же, что для векторов: \(A+B=B+A\), \((A+B)+C=A+(B+C)\), \(A+O=A\), \(\lambda(A+B)=\lambda A+\lambda B\), \((\lambda+\mu)A=\lambda A+\mu A\), \(\lambda(\mu A)=(\lambda\mu)A\).

Если \(A\) размера \(m\times k\), \(B\) — \(k\times n\), то \(C=AB\) — матрица \(m\times n\), \(c_{ij}=\sum_{s=1}^k a_{is}b_{sj}\): \(i\)-я строка \(A\), скалярно умноженная на \(j\)-й столбец \(B\).

\((AB)C=A(BC)\); \(A(B+C)=AB+AC\); \(\lambda(AB)=(\lambda A)B\); \(AE=EA=A\); \((AB)^T=B^TA^T\); \(\det(AB)=\det A\cdot\det B\).

В общем случае \(AB\ne BA\) (а \(BA\) может даже не существовать). Ещё: из \(AB=O\) не следует, что \(A=O\) или \(B=O\).

Умножение на матрицу — преобразование плоскости; произведение \(AB\) — «сначала \(B\), потом \(A\)», поэтому порядок важен.

\(A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix},\ B=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}\). Найти \(AB\) и \(BA\).

  1. \(AB=\begin{pmatrix}1\cdot0+2\cdot1&1\cdot1+2\cdot0\\3\cdot0+4\cdot1&3+0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&1\\4&3\end{pmatrix}\) — справа на \(B\) переставляет столбцы.
  2. \(BA=\begin{pmatrix}3&4\\1&2\end{pmatrix}\) — слева на \(B\) переставляет строки.
\(AB\ne BA\)

\(A=\begin{pmatrix}1&0&2\\-1&3&1\end{pmatrix}\ (2\times3),\ B=\begin{pmatrix}2&1\\0&-1\\1&3\end{pmatrix}\ (3\times2)\). Найти \(AB\).

  1. Результат \(2\times2\). \(c_{11}=2+0+2=4,\ c_{12}=1+0+6=7\).
  2. \(c_{21}=-2+0+1=-1,\ c_{22}=-1-3+3=-1\).
\(\begin{pmatrix}4&7\\-1&-1\end{pmatrix}\)

Найти \(f(A)=A^2-3A+2E\) для \(A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}\).

  1. \(A^2=\begin{pmatrix}7&10\\15&22\end{pmatrix}\).
  2. \(A^2-3A+2E=\begin{pmatrix}7-3+2&10-6\\15-9&22-12+2\end{pmatrix}\).
\(\begin{pmatrix}6&4\\6&12\end{pmatrix}\)

1) перестановка двух строк; 2) умножение строки на число \(\ne0\); 3) прибавление к строке другой строки, умноженной на число. (Аналогично для столбцов.)

Нулевые строки (если есть) — внизу; первый ненулевой элемент каждой строки стоит правее, чем у предыдущей.

  1. Найди столбец с ненулевым элементом, поставь строку с ним наверх (лучше, если там 1).
  2. Обнули элементы под ним преобразованиями 3-го типа.
  3. Забудь первую строку и повтори для оставшейся части.

Привести к ступенчатому виду \(\begin{pmatrix}1&2&-1&3\\2&5&0&4\\3&7&-1&7\end{pmatrix}\).

  1. \(R_2-2R_1=(0;1;2;-2)\), \(R_3-3R_1=(0;1;2;-2)\).
  2. \(R_3-R_2=(0;0;0;0)\).
\(\begin{pmatrix}1&2&-1&3\\0&1&2&-2\\0&0&0&0\end{pmatrix}\) — две ненулевые строки (ранг 2, см. неделю 13)

Для \(A,B\) из этапа «Считаем произведения» проверить \(\det(AB)=\det A\det B\) и найти \(\det(A^TB^3)\).

  1. \(\det A=4-6=-2,\ \det B=-1\); \(\det(AB)=2\cdot3-1\cdot4=2=(-2)(-1)\) ✓
  2. \(\det A^T=\det A\), \(\det B^3=(\det B)^3=-1\).
\(\det(A^TB^3)=(-2)(-1)=2\)

Можно ли умножить матрицу \(3\times2\) на \(3\times2\)?

Нет: число столбцов первой (2) ≠ числу строк второй (3). Зато \(A^TB\) (\(2\times2\)) можно.

\((AB)^T=?\)

\(B^TA^T\) — порядок меняется.

Найти \(A^2\), если \(A=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}\).

\(O\) — ненулевая матрица, квадрат которой равен нулю.

Лекция 10. Матрицы и действия. ОЛ-1, пп. 6.1–6.4; ОЛ-4, гл. 1 §1.

Контроль по модулю №1 (РК №1) — 10-я неделя. См. раздел «Подготовка к РК → РК 1».

Делить на матрицу нельзя, а умножить на обратную — можно

\(A^{-1}\) существует ровно тогда, когда \(\det A\ne0\). Её можно найти двумя способами: через присоединённую матрицу или преобразованиями \([A\,|\,E]\to[E\,|\,A^{-1}]\).

На семинаре — снова кривые второго порядка, но уже «обратные» задачи ДЗ №2: восстановить уравнение по центру, фокусу, эксцентриситету и проверить фокальное свойство точки.

\(A^{-1}\) — обратная к квадратной \(A\), если \(AA^{-1}=A^{-1}A=E\). Матрица \(A\) невырожденная, если \(\det A\ne0\).

Если обратная существует, то она единственна.

Доказательство

Пусть \(B\) и \(C\) обе обратные. Тогда \(B=BE=B(AC)=(BA)C=EC=C\). ∎

\(A^{-1}\) существует \(\iff\det A\ne0\). При этом \(A^{-1}=\dfrac{1}{\det A}\tilde A\), где \(\tilde A\) — присоединённая матрица: на месте \((i,j)\) стоит \(A_{ji}\) (алгебраические дополнения, затем транспонирование).

Доказательство (вопрос РК №2)

⇒ \(AA^{-1}=E\Rightarrow\det A\cdot\det A^{-1}=1\Rightarrow\det A\ne0\).

⇐ Элемент \((i,j)\) произведения \(A\tilde A\) равен \(\sum_k a_{ik}A_{jk}\). При \(i=j\) это разложение \(\det A\) по \(i\)-й строке; при \(i\ne j\) — сумма произведений элементов строки на дополнения чужой строки, т.е. 0. Значит \(A\tilde A=\det A\cdot E\), и \(\frac1{\det A}\tilde A\) — обратная. ∎

\((AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}\). Доказательство: \((AB)(B^{-1}A^{-1})=A(BB^{-1})A^{-1}=AA^{-1}=E\).

\(\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}^{-1}=\dfrac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}\) — диагональ меняем местами, побочной меняем знак.

Обратная матрица «отменяет» преобразование. Если \(\det A=0\), плоскость сплющивается в прямую, и вернуть её обратно нельзя — обратной нет.

Найти \(A^{-1}\) для \(A=\begin{pmatrix}1&2&2\\2&1&-2\\2&-2&1\end{pmatrix}\), сделать проверку.

  1. \(\det A=1(1-4)-2(2+4)+2(-4-2)=-3-12-12=-27\ne0\).
  2. Дополнения: \(A_{11}=-3,\ A_{12}=-6,\ A_{13}=-6;\ A_{21}=-6,\ A_{22}=-3,\ A_{23}=6;\ A_{31}=-6,\ A_{32}=6,\ A_{33}=-3\).
  3. \(\tilde A\) (транспонируем таблицу дополнений) \(=\begin{pmatrix}-3&-6&-6\\-6&-3&6\\-6&6&-3\end{pmatrix}\); делим на \(-27\).
  4. Получаем \(\frac19A\). Проверка: строки \(A\) попарно ортогональны и имеют длину 3, поэтому \(A\cdot A=9E\) ✓
\(A^{-1}=\frac19\begin{pmatrix}1&2&2\\2&1&-2\\2&-2&1\end{pmatrix}\)

\(\begin{pmatrix}2&5\\1&3\end{pmatrix}^{-1}=?\)

\(\det=1\): \(\begin{pmatrix}3&-5\\-1&2\end{pmatrix}\)

Записываем расширенную матрицу \([A\,|\,E]\) и только строчными преобразованиями добиваемся слева \(E\). Справа окажется \(A^{-1}\).

Каждое элементарное преобразование строк — умножение слева на некоторую матрицу. Если их произведение \(P\) превратило \(A\) в \(E\), то \(PA=E\Rightarrow P=A^{-1}\), а справа стоит \(PE=A^{-1}\).

Столбцы трогать нельзя. Если слева появилась нулевая строка, то \(\det A=0\) и обратной нет.

Найти обратную к \(A=\begin{pmatrix}3&-4&5\\2&-3&1\\3&-5&-1\end{pmatrix}\) элементарными преобразованиями.

  1. \(\left(\begin{smallmatrix}3&-4&5&|&1&0&0\\2&-3&1&|&0&1&0\\3&-5&-1&|&0&0&1\end{smallmatrix}\right)\). Чтобы получить ведущую 1: \(R_1:=R_1-R_2=(1;-1;4\,|\,1;-1;0)\).
  2. \(R_2:=R_2-2R_1=(0;-1;-7\,|\,-2;3;0)\), \(R_3:=R_3-3R_1=(0;-2;-13\,|\,-3;3;1)\).
  3. \(R_2:=-R_2=(0;1;7\,|\,2;-3;0)\); \(R_3:=R_3+2R_2=(0;0;1\,|\,1;-3;1)\).
  4. Обратный ход: \(R_2:=R_2-7R_3=(0;1;0\,|\,-5;18;-7)\), \(R_1:=R_1-4R_3=(1;-1;0\,|\,-3;11;-4)\).
  5. \(R_1:=R_1+R_2=(1;0;0\,|\,-8;29;-11)\).
  6. Проверка первой строки \(A\) на первый столбец \(A^{-1}\): \(3(-8)-4(-5)+5\cdot1=1\) ✓; на второй: \(3\cdot29-4\cdot18+5(-3)=0\) ✓
\(A^{-1}=\begin{pmatrix}-8&29&-11\\-5&18&-7\\1&-3&1\end{pmatrix}\) (\(\det A=-1\))

Эллипс: центр \(O_1(-2;2)\), фокус \(F_1(-2;-1)\), \(e=\frac12\).

  1. Центр и фокус на прямой \(x=-2\) ⇒ большая ось вертикальна, \(c=|2-(-1)|=3\).
  2. \(a=\frac ce=6,\ b^2=36-9=27\).
\(\frac{(x+2)^2}{27}+\frac{(y-2)^2}{36}=1\)

Равносторонняя гипербола: центр \(O_1(4;-1)\), фокус \(F_1(4;-3)\).

  1. Фокальная ось вертикальна, \(c=2\); \(a=b\Rightarrow2a^2=c^2=4,\ a^2=2\).
\(\frac{(y+1)^2}{2}-\frac{(x-4)^2}{2}=1\)

(Пример ДЗ №2) Парабола симметрична относительно \(y+1=0\), фокус \(F(-\frac38;-1)\), проходит через \(C(-\frac35;0)\), ветви направлены в сторону \(x>0\). Найти уравнение и проверить для \(C\) определяющее свойство.

  1. Ось \(y=-1\), ветви вправо: \((y+1)^2=2p(x-x_0)\), \(p>0\), фокус \(x_0+\frac p2=-\frac38\).
  2. Через \(C\): \(1=2p\left(-\frac35-x_0\right)=2p\left(-\frac35+\frac38+\frac p2\right)=p^2-\frac{9}{20}p\).
  3. \(p^2-0{,}45p-1=0\Rightarrow p=\frac{0{,}45\pm2{,}05}{2}\); берём \(p=\frac54>0\). Тогда \(x_0=-\frac38-\frac58=-1\).
  4. Директриса \(x=x_0-\frac p2=-\frac{13}8\). \(|CF|=\sqrt{\left(\frac{9}{40}\right)^2+1}=\frac{41}{40}\), \(d(C)=-\frac35+\frac{13}{8}=\frac{41}{40}\) ✓
\((y+1)^2=\frac52(x+1)\), вершина \((-1;-1)\)

Решить \(\begin{cases}x+2y+2z=9\\2x+y-2z=0\\2x-2y+z=9\end{cases}\) с помощью \(A^{-1}\).

  1. Матрица системы — та, для которой \(A^{-1}=\frac19A\).
  2. \(X=\frac19A\begin{pmatrix}9\\0\\9\end{pmatrix}=A\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3\\0\\3\end{pmatrix}\).
  3. Проверка: \(3+0+6=9;\ 6+0-6=0;\ 6-0+3=9\) ✓
\((3;0;3)\)

Существует ли обратная к \(\begin{pmatrix}2&4\\1&2\end{pmatrix}\)?

Нет, \(\det=0\).

\((A^T)^{-1}=?\)

\((A^{-1})^T\)

\(\det(A^{-1})\) при \(\det A=5\)?

\(1/5\)

Лекции 11–12. Обратная матрица, Крамер, Гаусс. ОЛ-1, пп. 6.5, 6.6, 8.1–8.3; ОЛ-4, гл. 1 §1 п.3, §2 п.7, гл. 3 §2 п.1.

Занятие 10. Кривые второго порядка.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.249(а,в), 2.269(а), 2.288(а,в,е) (или Клетеник 471(1,2), 472(1), 541(1), 542(1,2), 597(1), 598(1), 599(1)).
Дома: ОЛ-2 №№ 2.249(б), 2.269(б,в), 2.288(б,г,д).

Систему можно записать одной формулой \(AX=b\)

Матричная запись объединяет три метода: матричный (\(X=A^{-1}b\)), Крамера (следствие матричного) и Гаусса (работает всегда, даже при \(\det A=0\)).

В матричных уравнениях важна сторона, с которой умножаешь на обратную: \(AX=B\Rightarrow X=A^{-1}B\), но \(XA=B\Rightarrow X=BA^{-1}\).

На семинаре — поверхности второго порядка со сдвигом (задача 4 КР).

Умножаем обе части на обратную с той стороны, где стоит \(A\):

\[AX=B\Rightarrow X=A^{-1}B;\qquad XA=B\Rightarrow X=BA^{-1};\qquad AXB=C\Rightarrow X=A^{-1}CB^{-1}.\]

Система \(n\times n\) в матричной форме: \(AX=b\), \(X=(x_1,\dots,x_n)^T\). При \(\det A\ne0\): \(X=A^{-1}b\).

При \(\Delta=\det A\ne0\) система имеет единственное решение \(x_k=\Delta_k/\Delta\).

Доказательство (вопрос РК №2)

\(X=A^{-1}b=\frac1\Delta\tilde Ab\). \(k\)-я компонента: \(\frac1\Delta\sum_i A_{ik}b_i\) — это разложение по \(k\)-му столбцу определителя, в котором \(k\)-й столбец заменён на \(b\), то есть \(\Delta_k/\Delta\). Единственность — из единственности \(A^{-1}\). ∎

\(\begin{pmatrix}3&-1\\5&-2\end{pmatrix}X\begin{pmatrix}5&6\\7&8\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}14&16\\9&10\end{pmatrix}\).

  1. \(\det A=-1\Rightarrow A^{-1}=\begin{pmatrix}2&-1\\5&-3\end{pmatrix}\); \(\det B=-2\Rightarrow B^{-1}=\begin{pmatrix}-4&3\\7/2&-5/2\end{pmatrix}\).
  2. \(A^{-1}C=\begin{pmatrix}28-9&32-10\\70-27&80-30\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}19&22\\43&50\end{pmatrix}\).
  3. \(X=\begin{pmatrix}19&22\\43&50\end{pmatrix}B^{-1}=\begin{pmatrix}-76+77&57-55\\-172+175&129-125\end{pmatrix}\).
  4. Проверка: \(A\cdot\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&2\\-1&2\end{pmatrix}\), умножим на \(B\): \(\begin{pmatrix}14&16\\9&10\end{pmatrix}\) ✓
\(X=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}\)

\(X\begin{pmatrix}1&-4&-5\\-2&-1&3\\1&1&-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-4&3&10\\-9&-20&1\end{pmatrix}\).

  1. \(X\) имеет размер \(2\times3\); \(X=BA^{-1}\). \(\det A=1(1-3)+4(2-3)-5(-2+1)=-2-4+5=-1\).
  2. Присоединённая \(\tilde A=\begin{pmatrix}-2&-9&-17\\1&4&7\\-1&-5&-9\end{pmatrix}\), делим на \(-1\): \(A^{-1}=\begin{pmatrix}2&9&17\\-1&-4&-7\\1&5&9\end{pmatrix}\). Контроль: 1-я строка \(A\) на 1-й столбец \(A^{-1}\): \(2+4-5=1\) ✓
  3. \(X=BA^{-1}\): 1-я строка \((-4;3;10)A^{-1}=(-8-3+10;\,-36-12+50;\,-68-21+90)=(-1;2;1)\); 2-я строка — аналогично.
\(X=\begin{pmatrix}-1&2&1\\3&4&-4\end{pmatrix}\). Проверка 1-й строки: \((-1-4+1;\ 4-2+1;\ 5+6-1)=(-4;3;10)\) ✓
  1. Выписываем расширенную матрицу \((A\,|\,b)\).
  2. Прямой ход: строчными преобразованиями приводим к ступенчатому виду.
  3. Если появилась строка \((0\ \dots\ 0\,|\,c)\), \(c\ne0\), — система несовместна.
  4. Обратный ход: из последнего уравнения выражаем последнюю неизвестную и подставляем вверх.

Элементарные преобразования строк расширенной матрицы — это действия с уравнениями (переставить, умножить, прибавить одно к другому). Множество решений от них не меняется.

\(\begin{cases}x+2y-z=3\\2x+5y+z=7\\x-y+3z=0\end{cases}\)

  1. \(\left(\begin{smallmatrix}1&2&-1&|&3\\2&5&1&|&7\\1&-1&3&|&0\end{smallmatrix}\right)\): \(R_2-2R_1=(0;1;3\,|\,1)\), \(R_3-R_1=(0;-3;4\,|\,-3)\).
  2. \(R_3+3R_2=(0;0;13\,|\,0)\Rightarrow z=0\).
  3. \(y=1-3z=1\); \(x=3-2y+z=1\).
\((1;1;0)\)

(КР, задача 4) \(x^2-4y^2+z^2+8x-4y+6z+17=0\): канонический вид и название.

  1. \(x^2+8x=(x+4)^2-16\); \(-4(y^2+y)=-4(y+\frac12)^2+1\); \(z^2+6z=(z+3)^2-9\).
  2. Константы: \(-16+1-9+17=-7\): \((x+4)^2-4(y+\frac12)^2+(z+3)^2=7\).
  3. \(X=x+4,\ Y=y+\frac12,\ Z=z+3\): \(\frac{X^2}{7}-\frac{Y^2}{7/4}+\frac{Z^2}{7}=1\).
  4. Один минус, справа 1 ⇒ однополостный гиперболоид; \(a=c\) ⇒ вращения вокруг оси \(\parallel Oy\). Сечения \(Y=h\): окружности \(X^2+Z^2=7+4h^2\).
однополостный гиперболоид вращения, центр \((-4;-\frac12;-3)\)

\(\begin{cases}x+y+z=6\\2x-y+z=3\\x+2y-z=2\end{cases}\) — матричным методом (Крамером она решена на неделе 2).

  1. \(\det A=7\). Дополнения: \(A_{11}=-1,A_{12}=3,A_{13}=5;\ A_{21}=3,A_{22}=-2,A_{23}=-1;\ A_{31}=2,A_{32}=1,A_{33}=-3\).
  2. \(A^{-1}=\frac17\begin{pmatrix}-1&3&2\\3&-2&1\\5&-1&-3\end{pmatrix}\).
  3. \(X=A^{-1}\begin{pmatrix}6\\3\\2\end{pmatrix}=\frac17\begin{pmatrix}-6+9+4\\18-6+2\\30-3-6\end{pmatrix}=\frac17\begin{pmatrix}7\\14\\21\end{pmatrix}\).
\((1;2;3)\) — совпало с Крамером

Из \(XA=B\) студент получил \(X=A^{-1}B\). Где ошибка?

Умножать нужно справа: \(X=BA^{-1}\); для матриц порядок важен.

Что означает строка \((0\ 0\ 0\,|\,0)\) после прямого хода?

Уравнение было следствием остальных — его просто вычёркиваем.

Лекции 11–12. ОЛ-1, пп. 6.5, 6.6, 8.1–8.3.

Занятие 11. Поверхности второго порядка, метод сечений.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 2.393, 2.394, 2.383, 2.379, 2.372, 2.377, 2.405 или МП-6.
Дома: ОЛ-2 №№ 2.395, 2.397, 2.375, 2.382, 2.374, 2.380, 2.381 или МП-6.

Ранг — число по-настоящему независимых строк

Ранг равен наибольшему порядку ненулевого минора и одновременно — числу ненулевых строк ступенчатого вида.

Теорема о базисном миноре объясняет, почему эти определения совпадают: строки базисного минора независимы, а остальные через них выражаются. Отсюда следствие: \(\det A=0\) ⇔ строки линейно зависимы.

Ранг — главный инструмент недели 14 (совместность систем) и задача 3 РК №2 (ранг с параметром).

Минор \(k\)-го порядка — определитель из элементов на пересечении любых \(k\) строк и \(k\) столбцов. Ранг \(\operatorname{rg}A\) — наибольший порядок ненулевого минора. Ненулевой минор порядка \(\operatorname{rg}A\) — базисный.

Строки \(e_1,\dots,e_m\) линейно зависимы, если \(\lambda_1e_1+\dots+\lambda_me_m=0\) при некоторых не всех нулевых \(\lambda_i\). Критерий: ЛЗ ⇔ одна строка — линейная комбинация остальных (доказательство как для векторов, неделя 2).

Строки (столбцы), проходящие через базисный минор, линейно независимы; любая другая строка (столбец) — их линейная комбинация.

Для квадратной \(A\): \(\det A=0\iff\) её строки (столбцы) линейно зависимы.

Доказательство следствия (вопрос РК №2)

⇐ Если одна строка — комбинация других, вычитаем из неё эту комбинацию (свойство 5 определителя) и получаем нулевую строку ⇒ \(\det A=0\).

⇒ Если \(\det A=0\), то \(\operatorname{rg}A<n\), базисный минор не захватывает хотя бы одну строку, и по теореме о базисном миноре она — комбинация остальных. ∎

Элементарные преобразования ранг не меняют ⇒ приводим к ступенчатому виду и считаем ненулевые строки. Метод окаймляющих миноров: нашёл ненулевой минор порядка \(k\) — проверяй только окаймляющие его миноры порядка \(k+1\).

Ранг 2×2-матрицы — размерность образа: 2 (плоскость), 1 (прямая) или 0. Нажми «вырожденная».

\(\operatorname{rg}\begin{pmatrix}2&-1&3&-2&4\\4&-2&5&1&7\\2&-1&1&8&2\end{pmatrix}\) и базисный минор.

  1. \(R_2-2R_1=(0;0;-1;5;-1)\), \(R_3-R_1=(0;0;-2;10;-2)=2(R_2-2R_1)\) ⇒ после вычитания остаются 2 ненулевые строки.
  2. Базисный минор: строки 1–2, столбцы 1 и 3: \(\begin{vmatrix}2&3\\4&5\end{vmatrix}=-2\ne0\).
\(\operatorname{rg}=2\)

Найти \(\operatorname{rg}(A-\lambda E)\) при всех \(\lambda\), \(A=\begin{pmatrix}4&2&1\\0&6&1\\0&-2&3\end{pmatrix}\).

  1. \(\det(A-\lambda E)=(4-\lambda)\big[(6-\lambda)(3-\lambda)+2\big]=(4-\lambda)(\lambda^2-9\lambda+20)=-(\lambda-4)^2(\lambda-5)\).
  2. При \(\lambda\ne4,5\): определитель ≠ 0, ранг 3.
  3. \(\lambda=5\): \(\begin{pmatrix}-1&2&1\\0&1&1\\0&-2&-2\end{pmatrix}\) — 3-я строка \(=-2\cdot\)2-я; минор \(\begin{vmatrix}-1&2\\0&1\end{vmatrix}\ne0\) ⇒ ранг 2.
  4. \(\lambda=4\): \(\begin{pmatrix}0&2&1\\0&2&1\\0&-2&-1\end{pmatrix}\) — все строки пропорциональны ⇒ ранг 1.
\(3\) при \(\lambda\ne4,5\); \(2\) при \(\lambda=5\); \(1\) при \(\lambda=4\)

Найти \(A^{-1}\), \(A=\begin{pmatrix}2&5&7\\6&3&4\\5&-2&-3\end{pmatrix}\).

  1. \(\det A=2(-9+8)-5(-18-20)+7(-12-15)=-2+190-189=-1\).
  2. Дополнения 1-й строки: \(A_{11}=-1,\ A_{12}=38,\ A_{13}=-27\) — они станут первым столбцом \(\tilde A\).
  3. Остальные аналогично; делим на \(-1\).
\(A^{-1}=\begin{pmatrix}1&-1&1\\-38&41&-34\\27&-29&24\end{pmatrix}\)

Линейно зависимы ли \(\vec a=(1;2;3),\ \vec b=(4;5;6),\ \vec c=(7;8;9)\)? Если да — найти зависимость.

  1. Строки матрицы: \(R_2-4R_1=(0;-3;-6)\), \(R_3-7R_1=(0;-6;-12)=2(R_2-4R_1)\).
  2. Ранг 2 < 3 ⇒ ЛЗ (векторы компланарны).
  3. Из \(R_3-7R_1=2(R_2-4R_1)\): \(\vec c=2\vec b-\vec a\). Проверка: \((8-1;10-2;12-3)=(7;8;9)\) ✓
ЛЗ: \(\vec a-2\vec b+\vec c=\vec 0\)

Каким может быть ранг матрицы \(3\times5\)?

От 0 до 3 (не больше меньшего из размеров).

\(\operatorname{rg}\begin{pmatrix}1&1&1\\1&a&a\\1&a^2&a^2\end{pmatrix}\)?

Столбцы 2 и 3 равны ⇒ ранг ≤ 2. \(a=1\): ранг 1; \(a\ne1\): ранг 2 (минор \(\begin{vmatrix}1&1\\1&a\end{vmatrix}=a-1\ne0\)).

Лекция 13. Ранг матрицы. ОЛ-1, пп. 6.7, 6.8, 8.4–8.6; ОЛ-4, гл. 1 §3.

Занятие 12. Матрицы, умножение, обратная матрица.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 3.78, 3.80, 3.81, 3.83, 3.86, 3.90, 3.92, 3.94, 3.103, 3.106, 3.108, 3.112, 3.114, 3.117 (или МП-4 №№ 1.1–1.33 нечётные; 1.61–1.67 нечётные).
Дома: ОЛ-2 №№ 3.76, 3.79, 3.82, 3.84, 3.85, 3.91, 3.93, 3.95, 3.104, 3.107, 3.110, 3.113, 3.115, 3.119.

Срок сдачи ДЗ №2 — 13-я неделя.

Ранг отвечает, есть ли решения и сколько их

Система совместна ⇔ ранг матрицы равен рангу расширенной матрицы. Если этот общий ранг меньше числа неизвестных, решений бесконечно много.

Неизвестные при базисном миноре — базисные, остальные — свободные: им даём произвольные значения и выражаем через них базисные. Однородная система всегда совместна, вопрос только в том, есть ли ненулевые решения.

На этой неделе — КР «Кривые и поверхности второго порядка», см. «Подготовка к РК → КР».

Система \(m\) уравнений с \(n\) неизвестными записывается: координатно (\(\sum_j a_{ij}x_j=b_i\)), матрично (\(AX=b\)), векторно (\(x_1A_1+\dots+x_nA_n=b\), где \(A_j\) — столбцы).

Система совместна, если имеет хотя бы одно решение; иначе — несовместна. Совместная система определённая, если решение одно.

Система совместна \(\iff\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A\,|\,b)\).

Доказательство (вопрос РК №2)

⇒ Если решение \((x_1,\dots,x_n)\) есть, то по векторной форме \(b\) — линейная комбинация столбцов \(A\). Приписывание такого столбца ранг не увеличивает: \(\operatorname{rg}(A|b)=\operatorname{rg}A\).

⇐ Если ранги равны, базисный минор \(A\) является базисным и для \((A|b)\). По теореме о базисном миноре столбец \(b\) — линейная комбинация базисных столбцов: \(b=\sum c_jA_j\). Коэффициенты \(c_j\) (и нули для остальных столбцов) — решение. ∎

\(\begin{cases}x_1+x_2-x_3=1\\2x_1+3x_2+x_3=4\\3x_1+4x_2=c\end{cases}\) при \(c=6\) и \(c=5\).

  1. \(R_2-2R_1=(0;1;3\,|\,2)\), \(R_3-3R_1=(0;1;3\,|\,c-3)\), \(R_3-R_2=(0;0;0\,|\,c-5)\).
  2. \(c=6\): строка \((0\,0\,0\,|\,1)\): \(\operatorname{rg}A=2<\operatorname{rg}(A|b)=3\) — несовместна.
  3. \(c=5\): ранги 2 = 2 < 3 неизвестных. Свободная \(x_3=t\): \(x_2=2-3t\), \(x_1=1-x_2+x_3=-1+4t\).
\(c=6\): решений нет; \(c=5\): \((-1+4t;\,2-3t;\,t),\ t\in\mathbb R\)

Система однородная, если \(b=0\): \(AX=0\). Она всегда совместна — есть тривиальное решение \(X=0\).

\(AX=0\) имеет ненулевое решение \(\iff\operatorname{rg}A<n\). Для квадратной \(A\): \(\iff\det A=0\).

Доказательство (вопрос РК №2)

Векторная форма: \(x_1A_1+\dots+x_nA_n=0\). Ненулевое решение есть ⇔ столбцы \(A\) линейно зависимы ⇔ они не все независимы ⇔ \(\operatorname{rg}A<n\) (ранг = максимальное число ЛНЗ столбцов). Для квадратной матрицы это \(\det A=0\) по следствию теоремы о базисном миноре. ∎

При каких \(\lambda\) система \(\begin{cases}\lambda x+y+z=0\\x+\lambda y+z=0\\x+y+\lambda z=0\end{cases}\) имеет ненулевые решения? Найти их при \(\lambda=-2\).

  1. \(\det=\lambda^3-3\lambda+2=(\lambda-1)^2(\lambda+2)=0\Rightarrow\lambda=1\) или \(\lambda=-2\).
  2. \(\lambda=-2\): ранг 2 (сумма всех уравнений — тождество \(0=0\)). Из 1-го и 2-го: вычтем, \(-3x+3y=0\Rightarrow y=x\), тогда \(z=2x-y=x\).
\(\lambda\in\{1;-2\}\); при \(\lambda=-2\): \(X=t(1;1;1)\)

(Образец РК №2, задача 2) \(AX=B\), \(A=\begin{pmatrix}1&-3\\0&1\end{pmatrix},\ B=\begin{pmatrix}-10&-5\\2&2\end{pmatrix}\). Сделать проверку.

  1. \(\det A=1\), \(A^{-1}=\begin{pmatrix}1&3\\0&1\end{pmatrix}\).
  2. \(X=A^{-1}B=\begin{pmatrix}-10+6&-5+6\\2&2\end{pmatrix}\).
  3. Проверка: \(AX=\begin{pmatrix}-4-6&1-6\\2&2\end{pmatrix}=B\) ✓
\(X=\begin{pmatrix}-4&1\\2&2\end{pmatrix}\)

\(\begin{cases}x_1+2x_2-x_3+x_4=1\\2x_1+4x_2+x_3-x_4=5\\3x_1+6x_2=6\end{cases}\)

  1. \(R_2-2R_1=(0;0;3;-3\,|\,3)\); \(R_3=R_1+R_2\) ⇒ после вычитания нулевая строка. \(\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A|b)=2\) — совместна, \(n-r=2\) свободных.
  2. Базисный минор в столбцах 1 и 3 ⇒ базисные \(x_1,x_3\), свободные \(x_2=c_1,\ x_4=c_2\).
  3. \(3x_3-3x_4=3\Rightarrow x_3=1+c_2\); \(x_1=1-2c_1+x_3-c_2=2-2c_1\).
  4. Проверка во 2-м уравнении: \(2(2-2c_1)+4c_1+(1+c_2)-c_2=5\) ✓
\(X=(2-2c_1;\ c_1;\ 1+c_2;\ c_2)\)

5 уравнений, 3 неизвестных, \(\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A|b)=3\). Сколько решений?

Одно (ранг = числу неизвестных).

Однородная система 3 уравнения с 4 неизвестными — есть ли ненулевые решения?

Всегда: \(\operatorname{rg}A\le3<4\).

Лекция 14. СЛАУ, Кронекер–Капелли. ОЛ-1, пп. 9.1–9.5; ОЛ-4, гл. 3 §§1–2.

Занятие 13. Матричные уравнения, СЛАУ матричным способом, ранг.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 3.121, 3.122, 3.125, 3.190, 3.192, 3.198, 3.150, 3.152, 3.154, 3.156, 3.159, 3.166, 3.168 (или МП-4 №№ 1.79–1.97 нечётные, 1.43–1.49 нечётные).
Дома: ОЛ-2 №№ 3.123, 3.124, 3.191, 3.199, 3.151, 3.153, 3.157, 3.161, 3.165, 3.167.

Контрольная работа «Кривые и поверхности 2-го порядка» — 14-я неделя.

Общее решение = частное + общее решение однородной

Решения однородной системы образуют «пространство», и в нём есть базис из \(n-r\) решений — фундаментальная система решений (ФСР).

Нормальная ФСР получается, если свободным неизвестным по очереди давать значения «одна единица, остальные нули». Неоднородная система устроена так: любое её решение = одно частное решение + решение однородной. Ровно это спрашивают в задаче 4 РК №2 и в билете экзамена.

Сумма решений — решение; решение, умноженное на число, — решение. Значит, любая линейная комбинация решений — решение.

Набор из \(n-r\) линейно независимых решений однородной системы (\(r=\operatorname{rg}A\)). Нормальная ФСР: значения свободных неизвестных в \(k\)-м решении — \(k\)-й столбец единичной матрицы.

Если \(r<n\), ФСР существует, и любое решение \(AX=0\) имеет вид \(X=c_1X_1+\dots+c_{n-r}X_{n-r}\).

Идея доказательства (вопрос РК №2)

Пусть \(x_{r+1},\dots,x_n\) свободные. Построим \(X_k\), дав свободным значения из \(k\)-го столбца \(E_{n-r}\) и вычислив базисные. Они ЛНЗ: последние \(n-r\) координат образуют единичную матрицу. Любое решение \(X\) со свободными значениями \(c_1,\dots,c_{n-r}\) совпадает с \(\sum c_kX_k\): у них одинаковые свободные неизвестные, а базисные однозначно через свободные выражаются. ∎

\(\begin{cases}x_1+2x_2-x_3+x_4=0\\2x_1+4x_2+x_3-x_4=0\end{cases}\): нормальная ФСР и общее решение.

  1. Как на неделе 14: \(x_3=x_4\), \(x_1=-2x_2\); свободные \(x_2,x_4\); \(n-r=4-2=2\).
  2. \(x_2=1,\ x_4=0\): \(X_1=(-2;1;0;0)\). \(x_2=0,\ x_4=1\): \(X_2=(0;0;1;1)\).
  3. Проверка \(X_2\) во 2-м уравнении: \(0+0+1-1=0\) ✓
\(X_{\text{оо}}=c_1(-2;1;0;0)+c_2(0;0;1;1)\)

1) Разность двух решений \(AX=b\) — решение \(AX=0\). 2) Сумма решения \(AX=b\) и решения \(AX=0\) — решение \(AX=b\).

Доказательство

1) \(A(X'-X'')=b-b=0\). 2) \(A(X_{\text{ч}}+Y)=b+0=b\). ∎

\(X_{\text{он}}=X_{\text{ч}}+c_1X_1+\dots+c_{n-r}X_{n-r}\), где \(X_{\text{ч}}\) — любое частное решение, \(X_k\) — ФСР однородной системы.

Положить все свободные неизвестные равными 0 и найти базисные.

Записать общее решение системы из комбинации недели 14 через частное решение и ФСР.

  1. Свободные \(x_2=x_4=0\): \(x_3=1,\ x_1=2\) ⇒ \(X_{\text{ч}}=(2;0;1;0)\).
  2. ФСР — с прошлого этапа.
\(X=(2;0;1;0)+c_1(-2;1;0;0)+c_2(0;0;1;1)\) — совпадает с \((2-2c_1;c_1;1+c_2;c_2)\) ✓

\(\begin{cases}x_1-x_2+x_3-x_4=0\\x_1+x_2+2x_3+3x_4=0\\2x_1+4x_2+5x_3+10x_4=0\end{cases}\)

  1. \(R_2-R_1=(0;2;1;4)\), \(R_3-2R_1=(0;6;3;12)=3(R_2-R_1)\) ⇒ \(r=2\), свободные \(x_3,x_4\).
  2. \(x_2=-\frac{x_3+4x_4}{2}\), \(x_1=x_2-x_3+x_4=-\frac32x_3-x_4\).
  3. \(X_1\ (x_3=1,x_4=0)=\left(-\frac32;-\frac12;1;0\right)\), \(X_2\ (x_3=0,x_4=1)=(-1;-2;0;1)\).
  4. Проверка \(X_1\) в 3-м уравнении: \(-3-2+5+0=0\) ✓
\(X=c_1\left(-\frac32;-\frac12;1;0\right)+c_2(-1;-2;0;1)\)

(Типовой билет, 2.1б) \(\begin{cases}x_1-2x_2-3x_3-4x_4=5\\x_2+x_3+x_4=-3\\x_1+3x_2-3x_4=2\\-7x_2-3x_3+x_4=-3\end{cases}\)

  1. \(R_3-R_1=(0;5;3;1\,|\,-3)\). Теперь с помощью \(R_2=(0;1;1;1\,|\,-3)\): \(R_3-5R_2=(0;0;-2;-4\,|\,12)\), \(R_4+7R_2=(0;0;4;8\,|\,-24)\).
  2. \(R_4+2R_3=0\) ⇒ \(\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A|b)=3<4\): одна свободная, \(x_4\).
  3. \(-2x_3-4x_4=12\Rightarrow x_3=-6-2x_4\); \(x_2=-3-x_3-x_4=3+x_4\); \(x_1=5+2x_2+3x_3+4x_4=5+6+2x_4-18-6x_4+4x_4=-7\).
  4. \(X_{\text{ч}}\ (x_4=0)=(-7;3;-6;0)\); ФСР \((x_4=1)\): \(X_1=(0;1;-2;1)\).
  5. Проверка \(X_{\text{ч}}\): \(-7-6+18=5\) ✓, \(3-6=-3\) ✓, \(-7+9=2\) ✓, \(-21+18=-3\) ✓. Проверка \(X_1\) в однородной: \(-2+6-4=0,\ 1-2+1=0,\ 3-3=0,\ -7+6+1=0\) ✓
\(X=(-7;3;-6;0)+c(0;1;-2;1)\)

Сколько векторов в ФСР системы с матрицей \(4\times6\) ранга 3?

\(n-r=6-3=3\).

\(X'\) и \(X''\) — решения \(AX=b\). Является ли \(\frac{X'+X''}{2}\) решением?

Да: \(A\frac{X'+X''}{2}=\frac{b+b}2=b\). А \(X'+X''\) — нет (даёт \(2b\)), если \(b\ne0\).

Лекция 15. ФСР, структура общего решения. ОЛ-1, пп. 9.5–9.7; ОЛ-4, гл. 3 §§1–2.

Занятие 14. Однородные системы.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 3.224, 3.225, 3.228, 3.230, 3.232, 3.235 (или МП-4 №№ 2.1–2.15 нечётные).
Дома: ОЛ-2 №№ 3.223, 3.226, 3.227, 3.229, 3.231, 3.234.

Умножение на комплексное число — поворот с растяжением

В алгебраической форме удобно складывать, в тригонометрической (показательной) — умножать, возводить в степень и извлекать корни.

При умножении модули перемножаются, аргументы складываются. Отсюда формула Муавра и корни \(n\)-й степени: \(n\) точек на окружности, повёрнутых друг относительно друга на \(2\pi/n\).

На семинаре — неоднородные системы. На этой неделе РК №2 по матрицам и СЛАУ.

\(z=x+iy\), \(i^2=-1\); \(x=\operatorname{Re}z\), \(y=\operatorname{Im}z\). Сопряжённое: \(\bar z=x-iy\); \(z\bar z=x^2+y^2=|z|^2\).

  • Сложение и умножение — как многочлены с заменой \(i^2=-1\).
  • Деление: домножаем на сопряжённое знаменателя: \(\dfrac{z_1}{z_2}=\dfrac{z_1\bar z_2}{|z_2|^2}\).

Вычислить \((2+3i)(1-i)\) и \(\frac{3+4i}{1-2i}\).

  1. \(2-2i+3i-3i^2=5+i\).
  2. \(\frac{(3+4i)(1+2i)}{1+4}=\frac{3+6i+4i-8}{5}=\frac{-5+10i}5\).
\(5+i\); \(-1+2i\)

Решить \(z^2+2z+5=0\).

\(D=4-20=-16\), \(z=\frac{-2\pm4i}{2}=-1\pm2i\)

\(r=|z|=\sqrt{x^2+y^2}\), \(\varphi=\arg z\): \(\cos\varphi=\frac xr,\ \sin\varphi=\frac yr\) (определи четверть по знакам \(x,y\)!).

\[z=r(\cos\varphi+i\sin\varphi)=re^{i\varphi},\qquad e^{i\varphi}=\cos\varphi+i\sin\varphi\ \text{(формула Эйлера)}.\]

\(z^n=r^n(\cos n\varphi+i\sin n\varphi)\). \(\ \sqrt[n]{z}=\sqrt[n]r\left(\cos\frac{\varphi+2\pi k}{n}+i\sin\frac{\varphi+2\pi k}{n}\right),\ k=0,\dots,n-1\).

Ещё из Эйлера: \(\cos\varphi=\frac{e^{i\varphi}+e^{-i\varphi}}{2}\), \(\sin\varphi=\frac{e^{i\varphi}-e^{-i\varphi}}{2i}\).

Вычислить \((1+i)^{10}\).

  1. \(1+i=\sqrt2e^{i\pi/4}\).
  2. \((\sqrt2)^{10}e^{i\,10\pi/4}=32e^{i5\pi/2}=32e^{i\pi/2}\).
\(32i\)

Найти все \(\sqrt[3]{-8}\).

  1. \(-8=8e^{i\pi}\Rightarrow z_k=2e^{i(\pi+2\pi k)/3}\).
  2. \(k=0\): \(2e^{i\pi/3}=1+i\sqrt3\); \(k=1\): \(2e^{i\pi}=-2\); \(k=2\): \(2e^{i5\pi/3}=1-i\sqrt3\).
\(-2;\ 1\pm i\sqrt3\) — вершины правильного треугольника на окружности радиуса 2

\(\begin{cases}5x_1-3x_2+2x_3+4x_4=3\\4x_1-2x_2+3x_3+7x_4=1\\8x_1-6x_2-x_3-5x_4=9\\7x_1-3x_2+7x_3+17x_4=0\end{cases}\): частное решение, нормальная ФСР, общее решение.

  1. Удобно начать с \(R_1-R_2=(1;-1;-1;-3\,|\,2)\) — ведущая единица. Обнуляем первый столбец остальных строк.
  2. Получаем две ненулевые строки: \(\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A|b)=2\), свободные \(x_3,x_4\).
  3. Выражаем: \(x_1=-\frac32-\frac52x_3-\frac{13}2x_4\), \(x_2=-\frac72-\frac72x_3-\frac{19}2x_4\).
  4. \(X_{\text{ч}}=\left(-\frac32;-\frac72;0;0\right)\). Проверка в 1-м: \(-7{,}5+10{,}5=3\) ✓
  5. ФСР: \(X_1=\left(-\frac52;-\frac72;1;0\right)\), \(X_2=\left(-\frac{13}2;-\frac{19}2;0;1\right)\).
\(X=\left(-\frac32;-\frac72;0;0\right)+c_1\left(-\frac52;-\frac72;1;0\right)+c_2\left(-\frac{13}2;-\frac{19}2;0;1\right)\)

Разложить \(x^4+4\) на неприводимые вещественные множители.

  1. Корни: \(\sqrt[4]{-4}=\sqrt2e^{i(\pi+2\pi k)/4}\): \(1+i,\ -1+i,\ -1-i,\ 1-i\).
  2. Объединяем сопряжённые пары: \((x-(1+i))(x-(1-i))=x^2-2x+2\), \((x-(-1+i))(x-(-1-i))=x^2+2x+2\).
\(x^4+4=(x^2-2x+2)(x^2+2x+2)\)

Модуль и аргумент \(z=-1+i\sqrt3\)?

\(r=2\), \(\varphi=\frac{2\pi}3\) (II четверть).

\(i^{2027}=?\)

\(2027=4\cdot506+3\Rightarrow i^3=-i\)

Лекция 16. Комплексные числа, многочлены. ОЛ-5 (Пискунов), гл. 7 §§1–2.

Занятие 15. Неоднородные системы.
Ауд.: ОЛ-2 №№ 3.206, 3.208, 3.210, 3.211, 3.218, 3.220, 3.239 (или МП-4 №№ 2.17–2.33 нечётные).
Дома: ОЛ-2 №№ 3.207, 3.209, 3.212, 3.213, 3.219, 3.221, 3.236.

Контроль по модулю №2 (РК №2) — 16-я неделя.

Любую правильную дробь можно разобрать на простейшие

Основная теорема алгебры гарантирует разложение многочлена на линейные и квадратичные множители, а по ним однозначно строится сумма простейших дробей.

Тема пригодится уже во втором семестре — при интегрировании рациональных функций.

  • Безу: остаток от деления \(P(x)\) на \(x-a\) равен \(P(a)\); \(a\) — корень ⇔ \(P\) делится на \(x-a\).
  • Основная теорема алгебры (без доказательства): многочлен степени \(n\ge1\) имеет комплексный корень ⇒ ровно \(n\) корней с учётом кратности.
  • У многочлена с вещественными коэффициентами комплексные корни идут сопряжёнными парами; пара даёт квадратный множитель с \(D<0\).
\[P(x)=a_n(x-x_1)^{k_1}\cdots(x^2+p_1x+q_1)^{m_1}\cdots,\quad p_j^2-4q_j<0.\]

Правильная дробь \(\frac{P}{Q}\) (\(\deg P<\deg Q\)) раскладывается в сумму: каждому множителю \((x-a)^k\) соответствуют \(\frac{A_1}{x-a}+\dots+\frac{A_k}{(x-a)^k}\), каждому \((x^2+px+q)^m\) — \(\frac{B_1x+C_1}{x^2+px+q}+\dots+\frac{B_mx+C_m}{(x^2+px+q)^m}\). Неправильную дробь сначала делят «уголком».

\(\dfrac{x+3}{(x-1)(x+2)}\)

  1. \(\frac A{x-1}+\frac B{x+2}\): \(x+3=A(x+2)+B(x-1)\).
  2. \(x=1\): \(4=3A\); \(x=-2\): \(1=-3B\).
\(\frac{4/3}{x-1}-\frac{1/3}{x+2}\)

\(\dfrac{1}{(x-1)^2(x+1)}\)

  1. \(\frac A{x-1}+\frac B{(x-1)^2}+\frac C{x+1}\): \(1=A(x-1)(x+1)+B(x+1)+C(x-1)^2\).
  2. \(x=1\): \(B=\frac12\); \(x=-1\): \(C=\frac14\); при \(x^2\): \(A+C=0\Rightarrow A=-\frac14\).
\(-\frac{1/4}{x-1}+\frac{1/2}{(x-1)^2}+\frac{1/4}{x+1}\)

\(\dfrac{1}{x(x^2+1)}\)

\(\frac1x-\frac{x}{x^2+1}\) (проверь, приведя к общему знаменателю)
Видишь в задачеДелай
\(AX=B,\ XA=B,\ AXB=C\)\(\det\ne0\) → обратная (присоединённая или Гаусс–Жордан) → умножение с правильной стороны → проверка
Ранг с параметромСтупенчатый вид или определитель; особые значения параметра — разобрать отдельно
«Исследовать и решить СЛАУ»Гаусс на \((A|b)\) → сравнить ранги → базисные/свободные → \(X_{\text{ч}}\) (свободные = 0) → нормальная ФСР → \(X=X_{\text{ч}}+\sum c_kX_k\) → проверка
Кривая \(Ax^2+Cy^2+\dots\)Тип по \(AC\) → полные квадраты → параметры → обратно в \(x,y\) → чертёж
ПоверхностьПолные квадраты → таблица знаков → метод сечений

Разложить \(x^3-1\) на вещественные множители.

\((x-1)(x^2+x+1)\)

Какой вид разложения у \(\frac{x}{(x+2)^3}\)?

\(\frac A{x+2}+\frac B{(x+2)^2}+\frac C{(x+2)^3}\); здесь \(A=0,B=1,C=-2\).

Лекция 17 — резерв. По рейтинг-плану модуль 2 закрывается на 17-й неделе, далее экзамен (30 баллов, минимум 18).

1 теоретический вопрос + 4 задачи

Теория: 0 / 3 / 6 баллов (переводится в 0 / 3 / 5). Задачи: по 0–2 балла, 8 сырых баллов переводятся в рейтинг: 5 → 11, 6 → 14, 7 → 16, 8 → 18. Меньше 5 по задачам — ноль.

Минимум за РК — 14 из 23. Части оцениваются отдельно: если сдал задачи, а теорию нет, переписываешь только теорию (на зачётной неделе, с минимальным баллом).

Теоретический вопрос обычно требует определения + свойств + вывода формулы (как в образце: векторное произведение в координатах). Выводы помечены «вопрос РК» в уроках недель 1–6.

  1. Доказать, что в ПДСК на плоскости уравнение первой степени задаёт прямую.
    При \(A\ne0\) точка \(M_0(-C/A;0)\) лежит на множестве, и уравнение равносильно \((\vec n,\overrightarrow{M_0M})=0\), \(\vec n=(A;B)\): это прямая через \(M_0\) перпендикулярно \(\vec n\). Подробно — неделя 4.
  2. Общее уравнение прямой на плоскости и его частные случаи.
    \(Ax+By+C=0\), \(\vec n=(A;B)\). \(C=0\) — через начало; \(A=0\) — \(y=\)const, параллельна \(Ox\); \(B=0\) — параллельна \(Oy\); \(A=C=0\) — ось \(Ox\); \(B=C=0\) — ось \(Oy\).
  3. Взаимное расположение прямых в пространстве. Вывести формулу расстояния между скрещивающимися прямыми.
    Компланарны ⇔ \((\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2)=0\) (тогда пересекаются или параллельны/совпадают), иначе скрещиваются. Строим параллелепипед на \(\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2\): его объём \(|(\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2)|\), площадь основания \(|\vec s_1\times\vec s_2|\); высота — расстояние между параллельными плоскостями, содержащими прямые: \(d=\frac{|(\overrightarrow{M_1M_2},\vec s_1,\vec s_2)|}{|\vec s_1\times\vec s_2|}\).
  4. Вывести нормальное уравнение плоскости, геометрический смысл параметров.
    Пусть \(\vec e=(\cos\alpha;\cos\beta;\cos\gamma)\) — единичная нормаль, направленная от \(O\) к плоскости, \(p\) — расстояние от \(O\). Точка \(M\) лежит в плоскости ⇔ проекция \(\overrightarrow{OM}\) на \(\vec e\) равна \(p\): \((\overrightarrow{OM},\vec e)=p\), т.е. \(x\cos\alpha+y\cos\beta+z\cos\gamma-p=0\). \(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma\) — направляющие косинусы нормали, \(p\ge0\) — расстояние от начала координат.
  5. Преобразование общего уравнения плоскости к нормальному.
    Умножить на \(\mu=\pm\frac1{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}\), знак \(\mu\) противоположен знаку \(D\) (при \(D=0\) — любой).
  6. Формула расстояния от точки до плоскости.
    \(d=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}\); отклонение \(\delta=x_0\cos\alpha+y_0\cos\beta+z_0\cos\gamma-p\), \(d=|\delta|\).
  7. Вывести векторное, канонические и параметрические уравнения прямой в пространстве.
    \(M\in L\iff\overrightarrow{M_0M}\parallel\vec s\iff\overrightarrow{M_0M}=t\vec s\iff\vec r=\vec r_0+t\vec s\) (векторное). В координатах — параметрические \(x=x_0+lt\), … Исключая \(t\), получаем канонические \(\frac{x-x_0}l=\frac{y-y_0}m=\frac{z-z_0}n\).
  8. Общие уравнения прямой в пространстве.
    Система двух уравнений непараллельных плоскостей. Направляющий вектор \(\vec s=\vec n_1\times\vec n_2\); точку находят, задав одну координату.
  9. Определение угла между прямой и плоскостью.
    Угол между прямой и её ортогональной проекцией на плоскость; если прямая ⟂ плоскости — \(\frac\pi2\). \(\varphi\in[0;\frac\pi2]\).
  10. Вывести формулу угла между прямой и плоскостью.
    Угол \(\psi\) между \(\vec s\) и \(\vec n\) связан с \(\varphi\): \(\varphi=|\frac\pi2-\psi|\), значит \(\sin\varphi=|\cos\psi|=\frac{|(\vec n,\vec s)|}{|\vec n||\vec s|}\).
  11. Условия параллельности и ортогональности прямой и плоскости.
    ∥: \((\vec n,\vec s)=Al+Bm+Cn=0\). ⟂: \(\frac Al=\frac Bm=\frac Cn\).
  1. Определение скалярного произведения.
    \((\vec a,\vec b)=|\vec a||\vec b|\cos\varphi\) (0, если один из векторов нулевой).
  2. Свойства скалярного произведения.
    Коммутативность; \((\lambda\vec a,\vec b)=\lambda(\vec a,\vec b)\); дистрибутивность; \((\vec a,\vec a)=|\vec a|^2\ge0\), \(=0\iff\vec a=\vec 0\); \(\vec a\perp\vec b\iff(\vec a,\vec b)=0\).
  3. Вывести формулу скалярного произведения в ОНБ.
    Раскрываем по линейности, \((\vec i,\vec i)=1\), \((\vec i,\vec j)=0\) и т.д. ⇒ \(x_1x_2+y_1y_2+z_1z_2\). Неделя 2.
  4. Определение ортонормированного базиса.
    Базис из попарно ортогональных векторов единичной длины.
  5. Связь координат в ОНБ и ортогональных проекций.
    \(\vec a=x\vec i+y\vec j+z\vec k\Rightarrow(\vec a,\vec i)=x\), т.е. \(x=\operatorname{пр}_{\vec i}\vec a\); аналогично \(y,z\).
  6. Вывести формулы направляющих косинусов и угла между векторами в ОНБ.
    \(\cos\alpha=\frac{\operatorname{пр}_{\vec i}\vec a}{|\vec a|}=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\) и т.д.; \(\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1\). \(\cos\varphi=\frac{x_1x_2+y_1y_2+z_1z_2}{\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2}\sqrt{x_2^2+y_2^2+z_2^2}}\).
  7. Правые и левые тройки.
    Некомпланарная упорядоченная тройка правая, если из конца третьего вектора кратчайший поворот от первого ко второму виден против часовой стрелки.
  8. Определение векторного произведения.
    \(\vec c=\vec a\times\vec b\): \(|\vec c|=|\vec a||\vec b|\sin\varphi\); \(\vec c\perp\vec a,\vec b\); \(\vec a,\vec b,\vec c\) — правая тройка (если \(\vec a\nparallel\vec b\)).
  9. Свойства векторного произведения.
    Антикоммутативность; линейность по каждому аргументу; \(\vec a\times\vec b=\vec 0\iff\vec a\parallel\vec b\); \(|\vec a\times\vec b|=S\) параллелограмма.
  10. Вывести формулу векторного произведения в ОНБ.
    Раскрыть по линейности, использовать таблицу \(\vec i\times\vec j=\vec k\), \(\vec j\times\vec k=\vec i\), \(\vec k\times\vec i=\vec j\), \(\vec i\times\vec i=\vec 0\) ⇒ символический определитель. Неделя 3.
  11. Определение смешанного произведения.
    \((\vec a,\vec b,\vec c)=(\vec a\times\vec b,\vec c)\).
  12. Свойства смешанного произведения.
    \(|(\vec a,\vec b,\vec c)|=V\) параллелепипеда, знак = ориентация; циклическая перестановка не меняет, транспозиция меняет знак; \(=0\iff\) компланарны; линейно по каждому аргументу.
  13. Вывести формулу смешанного произведения в ОНБ.
    \((\vec a\times\vec b,\vec c)=x_3\begin{vmatrix}y_1&z_1\\y_2&z_2\end{vmatrix}-y_3\begin{vmatrix}x_1&z_1\\x_2&z_2\end{vmatrix}+z_3\begin{vmatrix}x_1&y_1\\x_2&y_2\end{vmatrix}\) — разложение определителя \(\begin{vmatrix}x_1&y_1&z_1\\x_2&y_2&z_2\\x_3&y_3&z_3\end{vmatrix}\) по 3-й строке.
  1. Вывести нормальное уравнение прямой на плоскости, смысл параметров.
    Как для плоскости: \((\overrightarrow{OM},\vec e)=p\), \(\vec e=(\cos\alpha;\sin\alpha)\) — единичная нормаль от \(O\) к прямой: \(x\cos\alpha+y\sin\alpha-p=0\); \(p\) — расстояние от \(O\), \(\alpha\) — угол нормали с \(Ox\).
  2. Преобразование общего уравнения прямой к нормальному.
    Умножить на \(\mu=\pm1/\sqrt{A^2+B^2}\), \(\operatorname{sgn}\mu=-\operatorname{sgn}C\).
  3. Формула расстояния от точки до прямой.
    \(d=\frac{|Ax_0+By_0+C|}{\sqrt{A^2+B^2}}\).
  4. Вывести уравнение плоскости через три точки.
    \(M\) в плоскости ⇔ \(\overrightarrow{M_1M},\overrightarrow{M_1M_2},\overrightarrow{M_1M_3}\) компланарны ⇔ их смешанное произведение (определитель 3×3) равно 0.
  5. Уравнение плоскости «в отрезках».
    \(\frac xa+\frac yb+\frac zc=1\); \(a,b,c\) — координаты точек пересечения с осями (при \(D\ne0\) и \(A,B,C\ne0\)).
  6. Вывести формулу угла между прямыми в пространстве (канонические уравнения).
    Угол между прямыми — угол между направляющими (острый): \(\cos\varphi=\frac{|l_1l_2+m_1m_2+n_1n_2|}{\sqrt{l_1^2+m_1^2+n_1^2}\sqrt{l_2^2+m_2^2+n_2^2}}\).
  7. Условия параллельности и перпендикулярности двух прямых.
    ∥: \(\frac{l_1}{l_2}=\frac{m_1}{m_2}=\frac{n_1}{n_2}\); ⟂: \(l_1l_2+m_1m_2+n_1n_2=0\).
  8. Определение линейной зависимости и независимости векторов.
    ЛЗ — существует нетривиальная линейная комбинация, равная \(\vec 0\); ЛНЗ — только тривиальная.
  9. Сформулировать и доказать критерий линейной зависимости.
    ЛЗ ⇔ один из векторов — линейная комбинация остальных. Доказательство — неделя 2 (делим на ненулевой коэффициент / переносим всё в одну часть).

(2) Угол между \(\vec a=\vec m+\vec n\) и \(\vec b=\vec m-\vec n\), если \(|\vec m|=\sqrt2,\ |\vec n|=1,\ \angle(\vec m,\vec n)=\frac\pi4\).

  1. \((\vec m,\vec n)=\sqrt2\cdot1\cdot\frac{\sqrt2}2=1\).
  2. \((\vec a,\vec b)=|\vec m|^2-|\vec n|^2=1\); \(|\vec a|^2=2+2+1=5\); \(|\vec b|^2=2-2+1=1\).
  3. \(\cos\varphi=\frac1{\sqrt5}\).
\(\varphi=\arccos\frac1{\sqrt5}\)

(3) Разложить \(\vec c=-3\vec i+12\vec j+6\vec k\) по \(\vec a=-\vec i+3\vec j+2\vec k\), \(\vec b=2\vec i-3\vec j-4\vec k\).

  1. \(\vec c=\alpha\vec a+\beta\vec b\): \(-\alpha+2\beta=-3,\ 3\alpha-3\beta=12,\ 2\alpha-4\beta=6\).
  2. Из 1-го \(\alpha=2\beta+3\); во 2-е: \(3\beta+9=12\Rightarrow\beta=1,\ \alpha=5\).
  3. 3-е: \(10-4=6\) ✓ — разложение возможно (\(\vec c\) компланарен с \(\vec a,\vec b\)).
\(\vec c=5\vec a+\vec b\)

(4) Плоскость через \(M_1(5;-1;-4),\ M_2(2;-3;1)\), ⟂ плоскости \(6x-5y+4z-1=0\); прямая через \(M_0(0;-2;1)\), ортогональная найденной плоскости.

  1. \(\overrightarrow{M_1M_2}=(-3;-2;5)\), \(\vec n_0=(6;-5;4)\).
  2. \(\vec n=\overrightarrow{M_1M_2}\times\vec n_0=\vec i(-8+25)-\vec j(-12-30)+\vec k(15+12)=(17;42;27)\).
  3. \(17(x-5)+42(y+1)+27(z+4)=0\Rightarrow17x+42y+27z+65=0\). Проверка \(M_2\): \(34-126+27+65=0\) ✓
  4. Прямая: \(\vec s=\vec n\).
\(17x+42y+27z+65=0\); \(\frac x{17}=\frac{y+2}{42}=\frac{z-1}{27}\)

(5) Лежат ли в одной плоскости \(\frac{x-5}{2}=\frac{y+7}{3}=\frac{z-4}{5}\) и \(\frac{x-2}{-4}=\frac{y+6}{6}=\frac{z-4}{10}\)?

  1. \(M_1(5;-7;4),\ \vec s_1=(2;3;5)\); \(M_2(2;-6;4),\ \vec s_2=(-4;6;10)\); \(\overrightarrow{M_1M_2}=(-3;1;0)\).
  2. \(\begin{vmatrix}-3&1&0\\2&3&5\\-4&6&10\end{vmatrix}=-3(30-30)-1(20+20)+0=-40\ne0\) ⇒ скрещиваются.
  3. \(\vec s_1\times\vec s_2=(0;-40;24)\), \(|\cdot|=\sqrt{2176}=8\sqrt{34}\).
не лежат; \(d=\frac{40}{8\sqrt{34}}=\frac5{\sqrt{34}}\approx0{,}86\)

Угол между \(\vec a=2\vec n+\vec m\) и \(\vec b=\vec n+2\vec m\), \(|\vec m|=|\vec n|=1,\ \angle=\frac{2\pi}3\).

  1. \((\vec m,\vec n)=-\frac12\). \((\vec a,\vec b)=2+5(-\frac12)+2=\frac32\).
  2. \(|\vec a|^2=4+4(-\frac12)+1=3\), \(|\vec b|^2=3\).
\(\cos\varphi=\frac12,\ \varphi=\frac\pi3\)

Проекция \(\vec a=2\vec n+\vec m\) на \(\vec b=\vec n+2\vec m\) (те же данные).

\(\frac{3/2}{\sqrt3}=\frac{\sqrt3}2\)

Разложить \(\vec c=-4\vec i-11\vec j+5\vec k\) по \(\vec a=2\vec i-3\vec j+\vec k,\ \vec b=5\vec i+\vec j-\vec k\).

  1. \(2\alpha+5\beta=-4,\ -3\alpha+\beta=-11,\ \alpha-\beta=5\).
  2. \(\alpha=\beta+5\Rightarrow7\beta+10=-4\Rightarrow\beta=-2,\ \alpha=3\); 2-е: \(-9-2=-11\) ✓
\(\vec c=3\vec a-2\vec b\)

Площадь параллелограмма на \(\vec a=3\vec m+\vec n,\ \vec b=\vec m-5\vec n\); \(|\vec m|=1,|\vec n|=2,\ \angle=\frac\pi6\).

  1. \(\vec a\times\vec b=-15\,\vec m\times\vec n+\vec n\times\vec m=-16\,\vec m\times\vec n\).
  2. \(|\vec m\times\vec n|=1\cdot2\cdot\frac12=1\).
\(16\)

Проекция \(\vec a=(3;4;5)\) на ось, образующую с осями равные острые углы.

Орт оси \(\frac1{\sqrt3}(1;1;1)\): \(\frac{12}{\sqrt3}=4\sqrt3\)

\(A(2;3;4),\ B(7;-1;4),\ C(-2;3;1)\) — последовательные вершины параллелограмма. Четвёртая вершина и площадь.

  1. \(\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{BC}\Rightarrow D=A+C-B=(-7;7;1)\).
  2. \(\overrightarrow{AB}=(5;-4;0),\ \overrightarrow{AD}=(-9;4;-3)\); \(\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AD}=(12;15;-16)\).
\(D(-7;7;1)\), \(S=\sqrt{144+225+256}=25\)

Прямая через \(M_0(0;-5;6)\), пересекающая \(\frac{x-3}{3}=\frac{y+3}{-2}=\frac{z-5}{-1}\) и \(\frac{x-2}{2}=\frac{y+1}{3}=\frac{z-1}{-5}\).

  1. Искомая прямая лежит в плоскости \(\Pi_1\) (через \(M_0\) и 1-ю прямую) и в \(\Pi_2\) (через \(M_0\) и 2-ю).
  2. \(\Pi_1\): \(\vec n_1=(3;-2;-1)\times(3;2;-1)=(4;0;12)\Rightarrow x+3z-18=0\).
  3. \(\Pi_2\): \(\vec n_2=(2;3;-5)\times(2;4;-5)=(5;0;2)\Rightarrow5x+2z-12=0\).
  4. \(\vec s=\vec n_1\times\vec n_2\parallel(0;1;0)\): прямая \(x=0,\ z=6\). Проверка: с 1-й прямой пересекается при \(t=-1\) в точке \((0;-1;6)\), со 2-й — при \(u=-1\) в \((0;-4;6)\) ✓
\(\frac x0=\frac{y+5}{1}=\frac{z-6}{0}\)

Общие уравнения прямой через \(M_0(1;-1;-1)\), пересекающей \(\frac{x+3}{2}=\frac{y-1}{-3}=\frac{z+2}{4}\) под прямым углом.

  1. Плоскость через \(M_0\) ⟂ данной прямой: \(2x-3y+4z-1=0\).
  2. Плоскость через \(M_0\) и данную прямую: \(\vec n=(2;-3;4)\times(-4;2;-1)=(-5;-14;-8)\Rightarrow5x+14y+8z+17=0\).
\(\begin{cases}2x-3y+4z-1=0\\5x+14y+8z+17=0\end{cases}\) (направление \((-80;4;43)\))

Плоскость, содержащая \(\frac{x-1}{1}=\frac{y+2}{3}=\frac{z-1}{-1}\) и параллельная прямой \(\begin{cases}x-2y+z-3=0\\x+y-z+2=0\end{cases}\).

  1. Направление второй прямой (неделя 6): \((1;2;3)\).
  2. \(\vec n=(1;3;-1)\times(1;2;3)=(11;-4;-1)\), через \((1;-2;1)\).
\(11x-4y-z-18=0\)

Плоскость через \(M_0(2;0;1)\), параллельная \(x=y=z\) и ⟂ плоскости \(2x-3y+4z-1=0\).

\(\vec n=(1;1;1)\times(2;-3;4)=(7;-2;-5)\): \(7x-2y-5z-9=0\)

Прямая через точку пересечения плоскости \(2x+y+3z+1=0\) и прямой \(\frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{3}=\frac{z-2}{-1}\), лежащая в плоскости и ⟂ прямой \(\begin{cases}x+y-3z+1=0\\2x+3y+z+3=0\end{cases}\).

  1. Пересечение: \(2(1+2t)+(-1+3t)+3(2-t)+1=4t+8=0\Rightarrow t=-2\), \(P(-3;-7;4)\).
  2. Направление данной прямой: \((1;1;-3)\times(2;3;1)=(10;-7;1)\).
  3. Искомая — в плоскости (\(\perp\vec n=(2;1;3)\)) и \(\perp(10;-7;1)\): \(\vec s=(2;1;3)\times(10;-7;1)=(22;28;-24)\parallel(11;14;-12)\).
\(\frac{x+3}{11}=\frac{y+7}{14}=\frac{z-4}{-12}\)

Прямая через \(M_0(3;2;0)\) ∥ плоскости \(x+y-2z+3=0\), пересекающая \(\frac{x-1}1=\frac{y+3}2=\frac{z+1}{-1}\).

  1. Точка второй прямой \(P=(1+t;-3+2t;-1-t)\); \(\overrightarrow{M_0P}=(t-2;2t-5;-1-t)\perp\vec n\): \(t-2+2t-5+2+2t=0\Rightarrow t=1\).
  2. \(\overrightarrow{M_0P}=(-1;-3;-2)\).
\(\frac{x-3}1=\frac{y-2}3=\frac z2\)

(14) Высота треугольника \(A(2;-1;3),B(3;-2;2),C(4;1;1)\) из \(C\).

\(\frac{x-4}1=\frac{y-1}2=\frac{z-1}{-1}\) — разобрано в неделе 8.

Плоскость ⟂ \(x+2y-z+2=0\), содержащая \(\begin{cases}x-y+3z+1=0\\2x+y+z-4=0\end{cases}\).

  1. \(\vec s=(1;-1;3)\times(2;1;1)=(-4;5;3)\); точка при \(z=0\): \(x-y=-1,\ 2x+y=4\Rightarrow(1;2;0)\).
  2. \(\vec n=\vec s\times(1;2;-1)=(-11;-1;-13)\).
\(11x+y+13z-13=0\)

Прямая, симметричная \(\frac{x+3}4=\frac{y-1}1=\frac{z-2}{-3}\) относительно \(x-y+4z+5=0\).

  1. Пересечение: \((-3+4t)-(1+t)+4(2-3t)+5=9-9t=0\Rightarrow Q(1;2;-1)\).
  2. Отразим \(M_0(-3;1;2)\): \((-3+u)-(1-u)+4(2+4u)+5=9+18u=0\Rightarrow u=-\frac12\); \(M_0'=M_0+2u\vec n=(-4;2;-2)\).
  3. Прямая через \(Q\) и \(M_0'\): \(\vec s=(5;0;1)\).
\(\frac{x-1}5=\frac{y-2}0=\frac{z+1}1\)

Определение смешанного произведения. Свойства. Вывести формулу в ОНБ.

См. вопросы 22–24.

Угол между \(\vec a=2\vec m-\vec n\) и \(\vec b=\vec m+\vec n\), если \(|\vec m|=1,\ |\vec n|=2,\ \angle(\vec m,\vec n)=\frac\pi3\).

\((\vec m,\vec n)=1\); \((\vec a,\vec b)=2+1-4=-1\); \(|\vec a|=2,\ |\vec b|=\sqrt7\); \(\cos\varphi=-\frac1{2\sqrt7}\)

Разложить \(\vec c=(3;5;-1)\) по \(\vec a=(1;2;0)\), \(\vec b=(1;1;-1)\), если возможно.

\(\vec c=2\vec a+\vec b\)

Плоскость через \(M_1(1;0;1),\ M_2(2;1;-1)\), ⟂ плоскости \(x+y+z=0\); прямая через \(M_0(1;1;1)\), ортогональная ей.

\(x-y-1=0\); \(\frac{x-1}1=\frac{y-1}{-1}=\frac{z-1}0\)

Лежат ли в одной плоскости \(\frac{x-1}1=\frac y2=\frac{z+1}1\) и \(\frac x1=\frac{y-1}2=\frac z1\)? Если да — уравнение плоскости, если нет — расстояние.

Параллельны ⇒ лежат: \(x-2y+3z+2=0\) (расстояние между ними \(\sqrt{7/3}\)).

Источник: «Аналитическая геометрия. СМ, РК4, ИУ10. Рейтинг и журналы» — вопросы и задачи для подготовки к контролю по модулю 1, образец контроля. Задача 9 из списка кафедры в исходном файле дана без условий прямых и здесь пропущена.

1 определение + 3 задачи, 8 баллов

Каждый пункт — 0/1/2. Перевод: 6 → 7, 7 → 9, 8 → 12 рейтинговых баллов. Меньше 6 — ноль, переписывание на зачётной неделе.

Порог высокий (6 из 8), поэтому важны аккуратность и чертёж: без чертежа задача часто не засчитывается полностью. Ошибка в выделении полного квадрата — главный источник потерь.

ГМТ плоскости, сумма расстояний от которых до двух фиксированных точек (фокусов) постоянна и больше расстояния между фокусами. Фокусы \((\pm c;0)\): \(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\ b^2=a^2-c^2\).

ГМТ, модуль разности расстояний от которых до двух фокусов постоянен и меньше расстояния между фокусами. \(\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1,\ b^2=c^2-a^2\), асимптоты \(y=\pm\frac bax\).

ГМТ, равноудалённых от фокуса \(F(\frac p2;0)\) и директрисы \(x=-\frac p2\): \(y^2=2px\).

На чертеже обязательно: центр/вершина, полуоси (основной прямоугольник для гиперболы), фокусы, асимптоты или директриса.

(2) \(y^2+4x-4y+8=0\).

\((y-2)^2=-4(x+1)\): парабола, вершина \((-1;2)\), \(p=2\), ветви влево, \(F(-2;2)\), директриса \(x=0\). Разбор — неделя 8.

(3) Равносторонняя гипербола: центр \(O_1(1;-1)\), фокус \(F_1(3;-1)\).

  1. Фокальная ось горизонтальна (\(y=-1\)), \(c=2\), \(a^2=b^2=\frac{c^2}2=2\).
  2. Асимптоты: \(y+1=\pm(x-1)\).
\(\frac{(x-1)^2}2-\frac{(y+1)^2}2=1\)

(4) \(x^2-4y^2+z^2+8x-4y+6z+17=0\).

\(\frac{(x+4)^2}{7}-\frac{(y+1/2)^2}{7/4}+\frac{(z+3)^2}{7}=1\) — однополостный гиперболоид вращения. Разбор — неделя 12.

(ДЗ №2, 1) \(5x^2+y^2+20x-2y=4\), \(C(0;1-\sqrt5)\).

  1. \(5(x+2)^2-20+(y-1)^2-1=4\Rightarrow\frac{(x+2)^2}{5}+\frac{(y-1)^2}{25}=1\).
  2. Большая ось вертикальна: \(a=5\) (по \(y\)), \(b=\sqrt5\), \(c=\sqrt{20}=2\sqrt5\), \(e=\frac{2\sqrt5}5\). Центр \((-2;1)\), фокусы \((-2;1\pm2\sqrt5)\).
  3. \(C\) на эллипсе: \(\frac45+\frac5{25}=1\) ✓. Расстояния до фокусов: \(\sqrt{4+45}=7\) и \(\sqrt{4+5}=3\); сумма \(10=2a\) ✓
эллипс \(\frac{(x+2)^2}{5}+\frac{(y-1)^2}{25}=1\)

(ДЗ №2, 2) \(5x^2-4y^2+20x-8y=64\), \(C(12;14)\).

  1. \(5(x+2)^2-20-4(y+1)^2+4=64\Rightarrow\frac{(x+2)^2}{16}-\frac{(y+1)^2}{20}=1\).
  2. \(a=4,\ b=2\sqrt5,\ c=6,\ e=\frac32\); центр \((-2;-1)\), фокусы \((4;-1),(-8;-1)\); асимптоты \(y+1=\pm\frac{\sqrt5}{2}(x+2)\).
  3. \(C\): \(\frac{196}{16}-\frac{225}{20}=1\) ✓; расстояния \(17\) и \(25\); \(|25-17|=8=2a\) ✓
гипербола \(\frac{(x+2)^2}{16}-\frac{(y+1)^2}{20}=1\)

(Экзамен, 2.2б) \(9x^2+16y^2-36x+32y-92=0\).

  1. \(9(x-2)^2-36+16(y+1)^2-16-92=0\Rightarrow9(x-2)^2+16(y+1)^2=144\).
\(\frac{(x-2)^2}{16}+\frac{(y+1)^2}{9}=1\): эллипс, центр \((2;-1)\), \(a=4,b=3,c=\sqrt7\)

(1) Парабола: \(F(-4;-2)\), директриса \(y=4\).

\((x+4)^2=-12(y-1)\) — неделя 8

(2) Эллипс: центр \((-2;2)\), фокус \((-2;-1)\), \(e=\frac12\).

\(\frac{(x+2)^2}{27}+\frac{(y-2)^2}{36}=1\) — неделя 11

(3) Равносторонняя гипербола: центр \((4;-1)\), фокус \((4;-3)\).

\(\frac{(y+1)^2}{2}-\frac{(x-4)^2}{2}=1\) — неделя 11

(4) \(3x^2-30x-y^2-2y+83=0\).

\(\frac{(y+1)^2}{9}-\frac{(x-5)^2}{3}=1\) — неделя 8

(5) \(y^2-z^2+6y+2z+2x+4=0\).

\((y+3)^2-(z-1)^2=-2(x-2)\) — гиперболический параболоид, неделя 9

Определение гиперболы, каноническое уравнение (фокусы на \(Ox\)), чертёж.

См. первый этап.

\(x^2-6x+8y+1=0\).

\((x-3)^2=-8(y-1)\): парабола, вершина \((3;1)\), ветви вниз, \(p=4\), \(F(3;-1)\), директриса \(y=3\).

Эллипс с фокусами \((\pm3;0)\) и \(e=\frac35\).

\(\frac{x^2}{25}+\frac{y^2}{16}=1\)

\(x^2+y^2-z^2-2x+4z-3=0\).

\((x-1)^2+y^2-(z-2)^2=0\): круговой конус с вершиной \((1;0;2)\), ось \(\parallel Oz\).

Источник: «Рейтинг и журналы» — образец КР и задачи для подготовки к контрольной работе; примеры ДЗ №2 и типовой экзаменационный билет.

1 теоретический вопрос + 3 задачи

Теория: 0/1/3. Задачи 2 и 3 — по 0–2, задача 4а — 0–2, 4б и 4в — по 0–1. Перевод задач: 5 → 9, 6 → 10, 7 → 12, 8 → 14; меньше 5 — ноль.

Задача 4 (исследовать СЛАУ, ФСР, общее решение, проверка) — самая дорогая: 4 сырых балла. Проверка (4в) — лёгкий балл, его не теряй.

  1. Линейные операции над матрицами и их свойства.
    Сумма и умножение на число поэлементно; свойства — коммутативность и ассоциативность сложения, нулевая и противоположная матрицы, дистрибутивность, \(\lambda(\mu A)=(\lambda\mu)A\), \(1\cdot A=A\).
  2. Линейная зависимость строк (столбцов).
    Существует нетривиальная линейная комбинация строк, равная нулевой строке.
  3. Критерий линейной зависимости строк — с доказательством.
    ЛЗ ⇔ одна строка — комбинация остальных. Доказательство дословно как для векторов (неделя 2).
  4. Элементарные преобразования строк (столбцов).
    Перестановка; умножение на число \(\ne0\); прибавление строки, умноженной на число.
  5. Определение обратной матрицы.
    \(AA^{-1}=A^{-1}A=E\) (\(A\) квадратная).
  6. Критерий существования обратной — с доказательством.
    \(\exists A^{-1}\iff\det A\ne0\). Необходимость — через \(\det(AA^{-1})=1\); достаточность — \(A\tilde A=\det A\cdot E\) (неделя 11).
  7. Связь обратной и присоединённой матриц.
    \(A^{-1}=\frac1{\det A}\tilde A\), \(\tilde A_{ij}=A_{ji}\).
  8. Теорема о формулах Крамера — с доказательством.
    \(X=A^{-1}b=\frac1\Delta\tilde Ab\Rightarrow x_k=\frac1\Delta\sum_iA_{ik}b_i=\frac{\Delta_k}\Delta\) (разложение \(\Delta_k\) по \(k\)-му столбцу). Неделя 12.
  9. Единственность обратной — с доказательством.
    \(B=BE=B(AC)=(BA)C=C\).
  10. Обратная к произведению — с доказательством.
    \((AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}\): \((AB)(B^{-1}A^{-1})=E\) и \((B^{-1}A^{-1})(AB)=E\).
  11. Решение \(AX=B,\ XA=B,\ AXB=C\).
    \(X=A^{-1}B\); \(X=BA^{-1}\); \(X=A^{-1}CB^{-1}\) (при невырожденных \(A,B\)).
  12. Ранг матрицы и базисный минор.
    Ранг — наибольший порядок ненулевого минора; базисный минор — любой ненулевой минор этого порядка.
  13. Теорема о базисном миноре; доказать следствие для квадратных матриц.
    Базисные строки ЛНЗ, остальные — их комбинации. Следствие: \(\det A=0\iff\) строки ЛЗ (неделя 13).
  14. Однородные СЛАУ.
    \(AX=0\); всегда совместны (тривиальное решение).
  15. Формы записи однородной СЛАУ.
    Координатная \(\sum_ja_{ij}x_j=0\); матричная \(AX=0\); векторная \(x_1A_1+\dots+x_nA_n=0\).
  16. Критерий ненулевых решений однородной СЛАУ — с доказательством.
    \(\iff\operatorname{rg}A<n\): ненулевое решение = нетривиальная зависимость столбцов (неделя 14).
  17. Определение ФСР.
    \(n-r\) линейно независимых решений однородной системы.
  18. Нормальная ФСР.
    Свободные неизвестные \(k\)-го решения образуют \(k\)-й столбец единичной матрицы.
  19. Теорема существования ФСР — с доказательством.
    Строим нормальную ФСР; ЛНЗ из-за единичного блока; любое решение — комбинация с коэффициентами = значениям свободных неизвестных (неделя 15).
  20. Неоднородные СЛАУ, формы записи.
    \(AX=b,\ b\ne0\); координатная, матричная, векторная \(\sum x_jA_j=b\).
  21. Совместная и несовместная СЛАУ.
    Есть хотя бы одно решение / нет решений.
  22. Критерий Кронекера–Капелли — с доказательством.
    Совместна ⇔ \(\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A|b)\); \(b\) — комбинация столбцов \(A\) ⇔ ранг не растёт (неделя 14).

(2) \(AX=B\), \(A=\begin{pmatrix}1&-3\\0&1\end{pmatrix},\ B=\begin{pmatrix}-10&-5\\2&2\end{pmatrix}\).

\(X=\begin{pmatrix}-4&1\\2&2\end{pmatrix}\) — неделя 14

(3) Ранг \(\begin{pmatrix}1&1&1\\1&a&a\\1&a^2&a^2\end{pmatrix}\) при всех \(a\).

  1. Столбцы 2 и 3 совпадают ⇒ ранг ≤ 2.
  2. \(R_2-R_1=(0;a-1;a-1)\), \(R_3-R_1=(0;a^2-1;a^2-1)=(a+1)(R_2-R_1)\).
\(a=1\): ранг 1; \(a\ne1\): ранг 2

(4) \(\begin{cases}3x_1-9x_2+x_3+4x_4+2x_5=-3\\3x_1-6x_2+2x_3-x_4+10x_5=0\\2x_1-5x_2+x_3+x_4+4x_5=-1\\-4x_1+13x_2-x_3-7x_4=5\end{cases}\)

  1. Ведущая единица: \(R_1-R_3=(1;-4;0;3;-2\,|\,-2)\).
  2. Обнуляем первый столбец: \(R_3-2(R_1-R_3)=(0;3;1;-5;8\,|\,3)\); остальные строки после исключения оказываются комбинациями этих двух ⇒ \(\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}(A|b)=2\), совместна, \(n-r=3\).
  3. Удобно взять базисными \(x_1,x_3\): \(x_3=3-3x_2+5x_4-8x_5\), \(x_1=-2+4x_2-3x_4+2x_5\).
  4. а) \(X_{\text{ч}}\) (\(x_2=x_4=x_5=0\)) \(=(-2;0;3;0;0)\).
  5. б) Нормальная ФСР: \(X_1=(4;1;-3;0;0),\ X_2=(-3;0;5;1;0),\ X_3=(2;0;-8;0;1)\).
  6. в) Проверка \(X_{\text{ч}}\): \(-6+3=-3,\ -6+6=0,\ -4+3=-1,\ 8-3=5\) ✓. \(X_1\) в однородной: \(12-9-3=0,\ 12-6-6=0,\ 8-5-3=0,\ -16+13+3=0\) ✓ (остальные — аналогично).
\(X=(-2;0;3;0;0)+c_1(4;1;-3;0;0)+c_2(-3;0;5;1;0)+c_3(2;0;-8;0;1)\)

Ранг \(\begin{pmatrix}0&2&1&1&1\\2&1&\lambda&2&3\\\lambda&3&3&3&4\end{pmatrix}\).

Все миноры 3-го порядка содержат множитель \((\lambda-2)\) (например, столбцы 1, 4, 5 дают ровно \(\lambda-2\), столбцы 2, 3, 5 — \(5(\lambda-2)\)). \(\lambda\ne2\): ранг 3; \(\lambda=2\): ранг 2.

Ранг \(\begin{pmatrix}-1&5&-1&\lambda^3\\1&\lambda&0&5\\3&-1&1&\lambda\end{pmatrix}\).

Минор из столбцов 1–3 равен \(2(\lambda-2)\), остальные тоже делятся на \(\lambda-2\). \(\lambda\ne2\): ранг 3; \(\lambda=2\): ранг 2.

Ранг \(A-\lambda E\), \(A=\begin{pmatrix}4&2&1\\0&6&1\\0&-2&3\end{pmatrix}\).

3 при \(\lambda\ne4,5\); 2 при \(\lambda=5\); 1 при \(\lambda=4\) — неделя 13

Обратная к \(\begin{pmatrix}3&-4&5\\2&-3&1\\3&-5&-1\end{pmatrix}\) элементарными преобразованиями.

\(\begin{pmatrix}-8&29&-11\\-5&18&-7\\1&-3&1\end{pmatrix}\) — неделя 11

Обратная к \(\begin{pmatrix}1&2&2\\2&1&-2\\2&-2&1\end{pmatrix}\) через присоединённую.

\(\frac19A\) — неделя 11

\(\begin{pmatrix}3&-1\\5&-2\end{pmatrix}X\begin{pmatrix}5&6\\7&8\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}14&16\\9&10\end{pmatrix}\).

\(\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}\) — неделя 12

\(X\begin{pmatrix}1&-4&-5\\-2&-1&3\\1&1&-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-4&3&10\\-9&-20&1\end{pmatrix}\).

\(\begin{pmatrix}-1&2&1\\3&4&-4\end{pmatrix}\) — неделя 12

В ответах свободные неизвестные — те, что стоят «сами по себе». Твой выбор базисных может отличаться — тогда сверяй, подставляя свой ответ в систему.

Система образца РК №2.

см. разбор выше

\(\begin{cases}3x_1+4x_2+x_3+2x_4+3x_5=1\\5x_1+7x_2+x_3+3x_4+4x_5=2\\4x_1+5x_2+2x_3+x_4+5x_5=1\\7x_1+10x_2+x_3+6x_4+5x_5=3\end{cases}\)

ранг 3; \(x_4=0,\ x_1=-1-3x_3-5x_5,\ x_2=1+2x_3+3x_5\)

\(\begin{cases}5x_1-3x_2+2x_3+4x_4=3\\4x_1-2x_2+3x_3+7x_4=1\\8x_1-6x_2-x_3-5x_4=9\\7x_1-3x_2+7x_3+17x_4=0\end{cases}\)

ранг 2; \(x_1=-\frac32-\frac52x_3-\frac{13}2x_4,\ x_2=-\frac72-\frac72x_3-\frac{19}2x_4\) — неделя 16

\(\begin{cases}2x_1-x_2+3x_3+4x_4=5\\4x_1-2x_2+5x_3+6x_4=7\\6x_1-3x_2+7x_3+8x_4=9\\8x_1-4x_2+9x_3+10x_4=11\end{cases}\)

ранг 2; свободные \(x_2,x_4\): \(x_1=-2+\frac12x_2+x_4,\ x_3=3-2x_4\)

\(\begin{cases}2x_1+x_2-x_3-x_4+x_5=1\\x_1-x_2+x_3+x_4-2x_5=0\\3x_1+3x_2-3x_3-3x_4+4x_5=2\\4x_1+5x_2-5x_3-5x_4+7x_5=3\end{cases}\)

ранг 2; \(x_1=\frac13+\frac13x_5,\ x_2=\frac13+x_3+x_4-\frac53x_5\)

\(\begin{cases}2x_1-2x_2+x_3-x_4+x_5=1\\x_1+2x_2-x_3+x_4-2x_5=1\\4x_1-10x_2+5x_3-5x_4+7x_5=1\\2x_1-14x_2+7x_3-7x_4+11x_5=-1\end{cases}\)

ранг 2; \(x_1=\frac23+\frac13x_5,\ x_2=\frac16+\frac12x_3-\frac12x_4+\frac56x_5\)

\(\begin{cases}x_1-x_2+x_3-x_4+x_5-x_6=1\\2x_1-2x_2+2x_3+x_4-x_5+x_6=1\end{cases}\)

ранг 2; \(x_1=\frac23+x_2-x_3,\ x_4=-\frac13+x_5-x_6\)

\(\begin{cases}x_1+x_2+4x_3+x_4+6x_5=2\\2x_1+x_2+7x_3+6x_5+x_6=3\end{cases}\)

ранг 2; \(x_1=1-3x_3+x_4-x_6,\ x_2=1-x_3-2x_4-6x_5+x_6\)

Сформулировать и доказать критерий Кронекера–Капелли.

Вопрос 22.

\(XA=B\), \(A=\begin{pmatrix}2&1\\5&3\end{pmatrix},\ B=\begin{pmatrix}1&0\\4&1\end{pmatrix}\). Проверка.

\(A^{-1}=\begin{pmatrix}3&-1\\-5&2\end{pmatrix}\), \(X=BA^{-1}=\begin{pmatrix}3&-1\\7&-2\end{pmatrix}\)

Ранг \(\begin{pmatrix}1&2&3\\2&4&a\\3&6&9\end{pmatrix}\).

\(a=6\): 1; \(a\ne6\): 2

\(\begin{cases}x_1+x_2+x_3+x_4=4\\x_1-x_2+2x_3-x_4=1\end{cases}\): частное решение, нормальная ФСР (свободные \(x_2,x_4\)), общее решение, проверка.

\(X=(7;0;-3;0)+c_1(-3;1;2;0)+c_2(-3;0;2;1)\)

Источник: «Рейтинг и журналы» — вопросы и задачи для подготовки к контролю по модулю 2, образец контроля №2. Решения систем проверены точной арифметикой.