Определитель матрицы н порядка. Определители n-го порядка; миноры и алгебраические дополнения
Множество действительных чисел - это совокупность дополнения рациональных чисел иррациональными. Обозначается это множество буквой R, а в качестве символа принято использовать запись (-∞, +∞) либо (-∞,∞).
Описать множество действительных чисел можно следующим образом: это множество конечных и бесконечных десятичных дробей, конечные десятичные дроби и бесконечные десятичные периодические дроби - рациональные числа, а бесконечные десятичные и непериодические дроби - иррациональные числа.
Любое действительное число можно указать на координатной прямой. Также уместно и обратное утверждение: любая точка на координатной прямой имеет действительную координату. На математическом языке это звучит так: между множеством точек координатной прямой и множеством R действительных чисел можно установить взаимно однозначное соотношение. Для самой координатной прямой зачастую используют термин «числовая прямая», так как координатная прямая является геометрической моделью множества действительных чисел.
Оказываться, что ваше знакомство с координатной прямой было давно, но пользовать ею вы начнете только сейчас. Почему? Ответ вы сможете найти в примере из видеоурока.
Известно, что для действительных чисел a и b выполняются уже хорошо известные вам законы сложения и умножения: коммуникативный закон сложения, коммутативный закон умножения, ассоциативный закон сложения, дистрибутивный закон умножения относительно сложения и другие. Проиллюстрируем некоторые из них:
a + b = b + a;
ab = ba;
a + (b + c) = (a + b) + c;
a(bc) = (ab)c;
(a + b)c = ac + bc
Также выполняются следующие правила:
1. В результате произведения (частного) двух отрицательных чисел получается число положительное.
2. В результате произведения (частного) отрицательного и положительного числа получается число отрицательное.
Сравнить действительные числа друг с другом можно, опираясь на определение:
Действительное число a больше или меньше действительного числа b, в том случае, когда разность a - b является положительным или отрицательным числом.
Записывается это так: a > b, a < b.
Это значит, что а является положительным числом, а b - отрицательное.
То есть, в случае, когда a > 0 => a положительно;
a < 0 => a отрицательное;
a > b, то a - b положительно => a - b > 0;
a < b, то a - b отрицательное => a - b < 0.
Помимо знаков (<; >) строгих неравенств, используются и знаки нестрогих неравенств - (≤;≥).
Например, для любого числа b, выполняется неравенство b2 ≥ 0.
Примеры сравнения чисел и расположения их в порядке возрастания Вы можете в видеоуроке.
Благодаря геометрической модели множества действительных чисел - числовой прямой, операция сравнения выглядит особо наглядно.
Основное свойство алгебраической дроби
Мы продолжаем знакомство с алгебраическими дробями. Если на предыдущем уроке речь шла об основных понятиях, то на этом уроке вы узнаете об основном свойстве алгебраической дроби. Определение основного свойства дроби известно из курса математики 6 класса (сокращение дробей). В чем же оно состоит? Часто при решении задач, уравнений возникает необходимость преобразовать одну «неудобную» для вычислений дробь в другую, «удобную». Именно для выполнения таких преобразований и необходимо знать её основное свойство и правила изменения знаков, с которыми вы познакомитесь, просмотрев видеоурок.
Значение обыкновенной дроби останется неизменным при умножении или делении числителя и знаменателя на одно и то же число (кроме нуля). В этом и состоит основное свойство дроби.
Рассмотрим пример:
7/9 = 14/18
Имеем две дроби, тождественно равные друг другу. Числитель и знаменатель в данном случае умножили на 2, при этом значение дроби не изменилось.
Что происходит с дробью при делении числителя и знаменателя на одно и то же число, вы узнаете из видеоурока.
Алгебраическая дробь - это, в принципе, та же самая обыкновенная дробь, над ней можно выполнять те же действия, что и над обыкновенной.
Выражение, стоящее в числителе, и выражение, стоящее в знаменателе дроби, можно домножить или разделить на одно и то же буквенно-цифровое выражение (многочлен или одночлен), одно и то же число (кроме нуля: если выражение или число, стоящее в знаменателе дроби, умножить на ноль, он примет нулевое значение; а, как известно, на ноль делить нельзя). Такое преобразование алгебраической дроби называют её сокращением. В этом и состоит основное свойство алгебраической дроби. Как оно реализуется на практике - вы можете узнать из видеоурока.
Преобразование дробей в дроби с одинаковыми знаменателями называют приведением дробей к общему знаменателю. Для выполнения данного действия необходимо выполнить определенную последовательность действий, состоящую в следующем:
Разложив все знаменатели на множители, определяем НОК для числовых коэффициентов.
. Записываем произведение, с учетом НОК коэффициентов и всех буквенных множителей. Если множители одинаковые, берём множитель один раз. Из всех степеней, у которых одинаковые основания, берем множитель с максимальным показателем степени.
. Находим значения, являющиеся дополнительными множителями для числителя каждой из дробей.
. Для каждой дроби определяем новый числитель - как произведение старого числителя на дополнительный множитель.
. Записываем дроби с новым числителем, который определили, и общим знаменателем.
Пример 1: Привести следующие дроби a/4b2 b a2/6b3 к общему знаменателю.
Решение:
Для начала определим общий знаменатель. (Он равен 12b2).
Затем, следуя алгоритму, определим дополнительный множитель для каждой из дробей. (Для первой - 3b, для второй - 2).
Выполнив умножение, получим результат.
(a*3b)/(4b2*3b) = 3ab/12b3 и (a2*2)/(6b2*2) = 2a2/12b2 .
Пример 2: Привести дроби c/(c - d) и c/(c + d) к общему знаменателю.
Решение:
(c+d)(c-d)=c2-d2
c*(c + d)/(c - d)(c + d) = (c2 + cd)/(c2 - d2)
c*(c - d)/(c + d)(c - d) = (c2 - cd)/(c2 - d2)
Более подробное решение аналогичных примеров вы найдете в видеоуроке.
Основное свойство алгебраической дроби имеет следствие в виде правила изменения знаков:
a - b/c - d = b - a/d - c
В этом случае числитель и знаменатель дроби умножили на -1. Аналогичные действия можно производить не со всей дробью, а только с числителем или только со знаменателем. Как изменится результат, если, например, только числитель или только знаменатель умножить на -1, вы узнаете, просмотрев видеоурок.
Теперь, изучив основное свойство алгебраической дроби и вытекающее из него правило, нам по силам решать более сложные задачи, а именно: вычитание и сложение дробей. Но это уже тема следующего урока.
Для более точного и сложного определения и для того, чтобы говорить об определителях порядка больше третьего, потребуется вспомнить еще кое-что. Нас интересует термин подстановка, даже не столько определение, сколько способ её вычисление.
Для подстановки принята запись:
, т.е. пары чисел, записанные в столбик, причем так, что верхние числа идут последовательно (вообще говоря, столбцы можно менять местами).
Подстановки бывают четными и нечетными. Для того, чтобы выяснить, является данная подстановка четной или нечетной, нужно обратить внимание на вторую строку, а точнее на порядок чисел в ней. Необходимо подсчитать количество пар чисел во второй строке, таких, что число, стоящее левее, больше числа, стоящего правее (). Если количество таких пар нечетно, то и подстановка называется нечетной, и, соответственно, если количество таких пар четно, то и подстановка называется четной.
Пример:
1)
4 стоит левее 3, левее 1, левее 2 — это уже три «неправильные» пары.
3 стоит левее 1 и 2 – еще две пары.
Итого 5 пар, т.е. это нечетная подстановка.
2)
Заметим, что числа в первой строке расположены не по порядку. Выполним перестановку столбцов.
Рассмотрим числа второго ряда.
3 стоит левее 2 и 1 – две пары,
2 стоит левее 1 – одна пара,
5 стоит левее 4 и 1 – две пары,
4 стоит левее1 – одна пара.
Итого 6 пар – подстановка четная.
Определение 2 (для студентов математических специальностей, раскрывающее всю суть определяемого понятия):
Определителем n-го порядка, соответствующим матрице
,
называется алгебраическая сумма слагаемых, составленная следующим образом: слагаемыми служат всевозможные произведения элементов матрицы, взятых по одному из каждой строки и каждого столбца, причем слагаемое берется со знаком плюс, если его индексы составляют четную подстановку, и со знаком минус – в противоположном случае.
Замечание:
Объясним это определение на примере определителя третьего порядка, для которого уже известна формула вычисления.
.
1) «алгебраическая сумма слагаемых» — . И да, действительно, здесь шесть слагаемых.
2) «слагаемыми служат всевозможные произведения элементов матрицы, взятых по одному из каждой строки и каждого столбца» — рассмотрим например слагаемое . Его первый множитель взят из второй строки, второй – из первой, а третий из третьей. То же самое и со столбцами – первым множитель из первого столбца, второй из третьего, а последний из второго.
3) «причем слагаемое берется со знаком плюс, если его индексы составляют четную подстановку, и со знаком минус – в противоположном случае» — рассмотрим для примера слагаемые (со знаком плюс) и (со знаком минус).
Составим перестановки так, что в первой строке будут номера строк сомножителей, а во второй – номера столбцов.
Для слагаемого : (первый столбец – индекс первого сомножителя и т.д.)
Для слагаемого : .
Определим четность этих перестановок:
а) — элементы в первой строке стоят по порядку. Во второй строке не по порядку стоят пары:
2 левее 1 – одна пара,
3 левее 1 – одна пара.
Итого две пары, т.е. количество пар четно, значит перестановка четная, а значит, слагаемое должно входить в сумму со знаком плюс (как оно и есть на самом деле).
б) — элементы в первой строке стоят по порядку. Во второй строке не по порядку стоят пары:
2 левее 1 – одна пара.
Итого, количество пар чисел, стоящих так, что большее левее меньшего – 1 шт., т.е. нечетно, а значит и перестановка называется нечетной, и соответствующее слагаемое должно входить в сумму со знаком минус (да, это так).
Пример
(«Сборник задач по алгебре» под ред. А.И. Кострикина, №1001):
Выяснить, какие из следующих произведений входят в развернутое выражение определителей соответствующих порядков и с какими знаками.
а)
Обратим внимание на часть определния «по одному из каждой строки и каждого столбца». Все первые индексы сомножителей различны от 1 до 6(1, 2, 3, 4, 5, 6). Все вторые индексы сомножителей различны от 1 до 6 (3, 2, 1, 4, 5, 6).
Вывод – это произведение входит в развернутое выражение определителя 6-го порядка.
3 левее 2, 1 – две пары,
2 левее 1 – одна пара,
6 левее 5, 4 – две пары,
5 левее 4 – одна пара.
Итого 6 пар, т.е. перестановка четная и слагаемое входит в развернутую запись определителя со знаком «плюс».
б)
Все первые индексы сомножителей различны от 1 до 5(3, 1, 5, 4, 2). Все вторые индексы сомножителей различны от 1 до 5 (1, 3, 2, 5, 4).
Вывод – это произведение входит в развернутое выражение определителя 5-го порядка.
Определим знак этого слагаемого, для этого составим перестановку из индексов сомножителей:
Переставим столбцы так, чтобы числа в первой строке шли по порядку от меньшего к большему.
3 левее 1, 2 – две пары.
4 левее 1, 2 – две пары,
5 левее 2 – одна пара.
Итого 5 пар, т.е. перестановка нечетная и слагаемое входит в развернутую запись определителя со знаком «минус».
в) — обратим внимание на первый и шестой сомножители: и . Они оба взяты из 4-го столбца, а значит, это произведение не может входить в развернутое выражение определителя 7-го порядка.