הבדלים בין גרסאות בדף "אלגברה לינארית - ארז שיינר"
מתוך Math-Wiki
(←פרישה ותלות לינארית) |
(←בסיס ומימד) |
||
שורה 525: | שורה 525: | ||
===בסיס ומימד=== | ===בסיס ומימד=== | ||
+ | *לֶמת ההחלפה של שטייניץ | ||
+ | *יהי <math>V</math> מ"ו ותהיינה <math>A\subseteq V</math> בת"ל וכן <math>B\subseteq V</math> פורשת (כלומר <math>sp(B)=V</math>). | ||
+ | *אזי לכל <math>a\in A</math> קיים <math>b\in B</math> כך ש <math>b\notin A\setminus \{a\}</math> וגם הקבוצה <math>(A\setminus \{a\})\cup \{b\}</math> בת"ל. | ||
<videoflash>_vIuR0AuJ68</videoflash> | <videoflash>_vIuR0AuJ68</videoflash> | ||
+ | |||
+ | |||
+ | <videoflash>nHeL8a3KNhs</videoflash> | ||
+ | |||
+ | |||
+ | <videoflash>UR9LnbO4QGE</videoflash> | ||
+ | |||
====משפט השלישי חינם==== | ====משפט השלישי חינם==== |
גרסה מ־06:46, 23 ביולי 2020
תוכן עניינים
- 1 חומר עזר
- 2 סרטוני ותקציר הרצאות
- 2.1 פרק 1 - שדות
- 2.2 פרק 2- מערכות משוואות לינאריות
- 2.2.1 מבוא למטריצות ולמערכות משוואות לינאריות
- 2.2.2 הגדרת מערכת משוואות לינארית וקבוצת פתרונות
- 2.2.3 פעולות דירוג אלמנטריות
- 2.2.4 ייצוג מערכת משוואות בעזרת מטריצה
- 2.2.5 צורה מדורגת וצורה מדורגת קנונית
- 2.2.6 משתנים חופשיים ותלויים
- 2.2.7 דירוג מטריצה עם פרמטר
- 2.2.8 הוכחת קיום ויחידות צורה מדורגת קנונית
- 2.2.9 תרגול
- 2.3 פרק 3 - אלגברת מטריצות
- 2.4 פרק 4 - מרחבים וקטוריים
- 2.5 פרק 5 - העתקות לינאריות
- 2.6 פרק 6 - דטרמיננטות
חומר עזר
סרטוני ותקציר הרצאות
פרק 1 - שדות
הגדרה ותכונות של שדה
- שדה הוא קבוצה יחד עם שתי פעולות כך שמתקיימות התכונות הבאות:
- סגירות: לכל מתקיים כי
- קומוטטיביות (חילופיות): לכל מתקיים כי וכן
- אסוציאטיביות (קיבוץ): לכל מתקיים כי וכן
- נייטרליים: קיימים כך שלכל מתקיים כי
- נגדיים: לכל קיים נגדי כך ש
- הופכיים: לכל קיים הופכי כך ש
- דיסטריביוטיביות (פילוג): לכל מתקיים כי
- יהי שדה אזי לכל מתקיים כי אם ורק אם או
- תכונות נוספות של שדות
- אם אזי
- אם וגם אזי
שדות סופיים
שדה המרוכבים
הגדרת המספרים המרוכבים
- נסמן
- נובע כי
- הגדרות עבור
- תכונות
- אם
צורה קרטזית וצורה קוטבית (פולרית)
- עבור הזוית נחלק למקרים:
- אם אזי
- אם וגם אזי
- אם וגם אזי
- אם אזי
- עבור טבעי, ומספר מרוכב קיימים בדיוק n פתרונות למשוואה
- הנוסחא למציאת כל הפתרונות השונים:
- נעביר את המספר לצורתו הקוטבית
- הפתרונות הם עבור
תרגול
פרק 2- מערכות משוואות לינאריות
מבוא למטריצות ולמערכות משוואות לינאריות
- קבוצת הn-יות הסדורות.
- קבוצת המטריצות עם n שורות וm עמודות, ואיברים מהשדה
הגדרת מערכת משוואות לינארית וקבוצת פתרונות
- מערכת משוואות לינארית היא זוג של מטריצת מקדמים ומטריצת (וקטור) קבועים .
- קבוצת הפתרונות למערכת המשוואות הלינארית היא קבוצת כל הn-יות המקיימות:
פעולות דירוג אלמנטריות
- שלושת פעולות הדירוג האלמנטריות:
- עבור (כפל שורה במטריצה בסקלר שונה מאפס)
- עבור (הוספה לשורה קבוע כפול שורה אחרת)
- (החלפת שתי שורות במטריצה זו בזו)
ייצוג מערכת משוואות בעזרת מטריצה
צורה מדורגת וצורה מדורגת קנונית
- איבר בשורה נקרא פותח/מוביל/ציר אם הוא הראשון משמאל בשורה ששונה מאפס.
- מטריצה נקראת מדורגת אם:
- אם יש שורות אפסים, כולן בתחתית.
- כל איבר פותח נמצא מימין לאיברים הפותחים בשורות מעליו.
- מטריצה נקראת מדורגת קנונית אם:
- היא מדורגת.
- כל האיברים הפותחים שווים ל1.
- בכל עמודה בה יש איבר פותח, כל האיברים מעליו שווים ל0.
משתנים חופשיים ותלויים
- משתנה נקרא תלוי אם בצורה המדורגת של המטריצה יש איבר פותח בעמודה המתאימה לו.
- כל משתנה שאינו תלוי, נקרא משתנה חופשי.
- מציאת כמות הפתרונות של מערכת משוואות לינארית:
- מדרגים את המטריצה שמייצגת את המערכת.
- אם יש שורת סתירה, אין פתרון למערכת.
- אם אין שורת סתירה, ואין משתנים חופשיים (כל המשתנים תלויים) אז יש פתרון יחיד למערכת.
- אם אין שורת סתירה, ויש משתנים חופשיים, כמות הפתרונות היא מספר האיברים בשדה בחזקת מספר המשתנים החופשיים.
- מציאת הפתרון הכללי של מערכת משוואות לינארית:
- מדרגים קנונית את המטריצה שמייצת את המערכת.
- מוודאים שאין שורת סתירה.
- בכל משתנה חופשי מציבים פרמטר.
- מבטאים את המשתנים התלויים באמצעות הפרמטרים שהצבנו.
דירוג מטריצה עם פרמטר
הוכחת קיום ויחידות צורה מדורגת קנונית
תרגול
פרק 3 - אלגברת מטריצות
חיבור מטריצות וכפל בסקלר
- תהיינה ויהי סקלר
- נגדיר את על ידי
- נגדיר את על ידי
כפל מטריצות
- תהיינה
- נגדיר את המכפלה על ידי
- הוקטור הוא פתרון למערכת המשוואות עם מטריצת המקדמים ווקטור הקבועים אם ורק אם
שיטות לחישוב כפל מטריצות
- חישוב הכפל לפי עמודות
- חישוב הכפל לפי שורות
תכונות של אלגברת מטריצות
- וכן
- וכן
- מטריצת היחידה מוגדרת על ידי
- לכל מתקיים כי
- לכל שלוש מטריצות מתקיים חוק הקיבוץ (אסוציאטיביות)
פתרון כללי למערכת משוואות לא הומוגנית
- פתרון פרטי למערכת הלא הומוגנית + פתרון כללי למערכת ההומוגנית = פתרון כללי למערכת הלא הומוגנית
שחלוף
- עבור נגדיר את המטריצה המשוחלפת על ידי
עקבה
- העקבה (trace) של מטריצה ריבועית היא סכום איברי האלכסון:
- עבור נגדיר
- תכונות העקבה:
- דוגמא: לא קיימות מטריצות ממשייות כך ש
- אך
תרגול
מטריצות הפיכות ומטריצות הופכיות
- מטריצה נקראת הפיכה אם קיימות מטריצות כך ש וכן
- אם מטריצה היא הפיכה, קיימת מטריצה יחידה שנסמנה ונקרא לה ההופכית של המקיימת . כמו כן היא המטריצה היחידה המקיימת .
- תהי הפיכה, אזי למערכת המשוואות יש פתרון יחיד, והוא
- תהיינה הפיכות מעל אותו שדה כך שהכפל מוגדר, אזי
- תהי הפיכה אזי
- תהי הפיכה אזי
- תהי הפיכה ויהי סקלר אזי
מטריצות פעולה
- תהי פונקצית פעולה המבצעת פעולת דירוג אלמנטרית מסוימת.
- לכל נגדיר את מטריצת הפעולה .
- לכל מטריצה מתקיים כי
- מטריצת הפעולה היא הפיכה.
- לכל מטריצה קיימת מטריצה הפיכה כך ש
בדיקת הופכיות ומציאת ההופכית
- מטריצה מחלקת אפס אינה הפיכה. כלומר, אם אך או אזי אינה הפיכה
- אם ב השורה הi היא שורת אפסים, אזי לכל כך שהכפל מוגדר, השורה הi ב היא שורת אפסים.
- ב לא חייבת להיות שורת אפסים, לעומת זאת.
- מטריצה עם שורת אפסים אינה הפיכה.
- מטריצה הפיכה חייבת להיות ריבועית.
- מטריצה היא הפיכה אם ורק אם
- אם ריבועיות כך ש אזי
- תהיינה ריבועיות אזי הפיכה אם ורק אם הפיכות שתיהן
- דוגמא לשתי מטריצות לא הפיכות שמכפלתן הפיכה (זה לא סותר את המשפטים לעיל כיוון שהמטריצות אינן ריבועיות).
אלגוריתם לבדיקת הפיכות ומציאת ההופכית
- תהי מטריצה ריבועית
- נדרג את מטריצת הבלוקים קנונית.
- אם בשלב כלשהו נגלה שבצורה המדורגת של יש שורת אפסים, אזי היא אינה הפיכה.
- אחרת, הצורה הקנונית של היא ולכן היא הפיכה.
- הגענו למטריצת הבלוקים .
תרגול
תרגול בנושא מטריצות הפיכות ומטריצות פעולה
פרק 4 - מרחבים וקטוריים
הגדרה ותכונות של מרחבים וקטוריים
- מרחב וקטורי מעל שדה הוא קבוצת איברים (הנקראים וקטורים) יחד עם פעולת חיבור וכפל בסקלר, כך שמתקיימות התכונות הבאות:
- סגירות:
- חילופיות:
- אסוציאטיביות (קיבוץ):
- נייטרלי לחיבור:
- נגדיים:
- נייטרלי לכפל בסקלר:
- דיסטריביוטיביות (פילוג):
- יהי מ"ו מעל שדה ויהיו אזי:
- אם ורק אם או
- כמו כן,
תתי מרחבים
- יהי מ"ו מעל שדה , ותהי תת קבוצה של וקטורים.
- אזי נקרא תת מרחב של אם הוא מהווה מרחב וקטורי יחד עם פעולת החיבור והכפל בסקלר של .
- יהי מ"ו מעל שדה , ותהי תת קבוצה של וקטורים.
- אזי תת מרחב אם ורק אם מתקיימים שני התנאים הבאים:
- לכל ולכל מתקיים כי
- תהי אזי קבוצת הפתרונות של המערכת ההומוגנית הינה תת מרחב וקטורי.
- קבוצת הפתרונות של מערכת לא הומוגנית אינה תת מרחב וקטורי כיוון שהיא אינה מכילה את וקטור האפס.
- אוסף המטריצות הסימטריות מהווה תת מרחב של אוסף המטריצות הריבועיות.
- אוסף הפולינומים שמתאפסים בנקודה מסויימת, מהווה תת מרחב של אוסף הפולינומים.
חיתוך, סכום, וסכום ישר של תתי מרחבים
- יהי מ"ו מעל שדה , ויהיו , תתי מרחב.
- הינו תת מרחב של .
- תת מרחב של אם ורק אם או .
- יהי מ"ו מעל שדה , ויהיו , תתי מרחב.
- נגדיר את סכום תתי המרחבים:
- הינו תת המרחב הקטן ביותר שמכיל את . כלומר סכום תתי מרחבים הוא תת מרחב וגם:
- לכל תת מרחב מתקיים כי
- הינו תת המרחב הגדול ביותר שמוכל ב. כלומר חיתוך תתי מרחבים הוא תת מרחב וגם:
- לכל תת מרחב מתקיים כי
- דוגמא:
- ניתן להציג וקטור בשתי דרכים שונות כסכום של רכיב מU ועוד רכיב מW:
- סכום ישר:
- יהי V מ"ו ויהיו U,W תתי מרחב. אומרים ש אם מתקיימים שני התנאים הבאים:
- משפט:
- אם ורק אם לכל וקטור קיימת הצגה יחידה כסכום של רכיבים מU ומW.
- כלומר בדוגמא לעיל, הסכום אינו ישר, כיוון שהצגנו וקטור אחד בשתי דרכים שונות.
תרגול
פרישה ותלות לינארית
- יהי מ"ו מעל שדה ותהי .
- וקטור נקרא צירוף לינארי של הקבוצה אם או קיימים וקטורים בקבוצה וסקלרים מהשדה כך ש
- כלומר, ניתן "ליצור" את x בעזרת פעולות המרחב הוקטורי על הקבוצה S (או שx=0)
- אוסף כל הוקטורים במרחב שהם צירופים לינאריים של S נקרא .
- טענה: יהי V מ"ו ותהי אזי הוא תת המרחב הקטן ביותר שמכיל את . כלומר:
- תת מרחב וקטורי
- לכל תת מרחב כך ש מתקיים כי
- יהי מ"ו מעל שדה , ותהי n-ית וקטורים . אומרים שהוקטורים (לאו דווקא שונים) תלויים לינארית או ת"ל בקיצור, אם קיימים סקלרים לא כולם אפס כך שהצירוף הלינארי מתאפס .
- אם הוקטורים אינם תלויים לינארית, אומרים שהם בלתי תלויים לינארית או בת"ל בקיצור.
- קבוצה נקראת תלוייה לינארית אם קיימים וקטורים שונים שתלויים לינארית.
- יהיו .
- הם בת"ל אם ורק אם הפתרון היחיד למשוואה הוא שכל הסקלרים הם אפסים.
- בעזרת חישוב הכפל לפי עמודות
- לכן אם נשים את הוקטורים בעמודות מטריצה A, נקבל שהם בת"ל אם ורק אם למערכת המשוואות ההומוגנית יש פתרון יחיד כלומר
- באופן דומה, אלגוריתם לקבוע האם :
- נשים את הוקטורים בעמודות מטריצה A, ונשים את v בעמודה כוקטור הקבועים.
- הוקטור שייך למרחב אם ורק אם למערכת הלא הומוגנית יש פתרון.
בסיס ומימד
- לֶמת ההחלפה של שטייניץ
- יהי מ"ו ותהיינה בת"ל וכן פורשת (כלומר ).
- אזי לכל קיים כך ש וגם הקבוצה בת"ל.
משפט השלישי חינם
תרגול
משפט המימדים
תרגול
הצגה פרמטרית ואלגברית
שלושת מרחבי המטריצה ודרגת מטריצה
תרגול
פרק 5 - העתקות לינאריות
העתקות, הרכבת העתקות, הפיכות העתקות
- מרחב ההעתקות
גרעין ותמונה
משפט הדרגה
תרגול
מטריצה מייצגת העתקה
יחידות הצגה לפי בסיס, קואורדינטות
משפט קיום ויחידות
מטריצת סכום והרכבה
מטריצות מעבר בין בסיסים
תרגול
- תרגול המכיל קואורדינטות ומטריצות מעבר בין בסיסים
- תרגול בנושא מטריצות מייצגות העתקות
- תרגול נוסף בנושא העתקות