Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Курс аналитической геометрии и линейной алгебры

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
20.48 Mб
Скачать

 

Указания и ответы к упражнениям

291

 

§2

 

2 .

Факт очевиден, если использовать результат упр. 3. Но попробуйте

доказать это непосредственно.

5. Непосредственный подсчет не сложен, но можно ввести декартову прямоугольную систему координат, оси которой направлены вдоль радиу­ сов, и сослаться на результат упр. 6 § 1 .

6 . Проведите касательную к параболе, параллельную данной прямой.

§3

6 , Посмотрите на упр. 4.

§4

1. Следует различать два случая: когда пересечение есть прямая, и когда оно — пара совпавших прямых.

5.Решение. Уравнением линии пересечения является система

Ъх1 - Зу2 + 4г2 = 0, —х 2 + у2 - г 2 = 1.

Если мы исключим 2 (т. е. найдем его из второго уравнения и подставим

в первое), то получим уравнение х7+ у2 = 4. Это уравнение — следствие системы, и потому определяет множество, содержащее линию пересечения. Так как в уравнение не входит г, это множество — цилиндр с образующи­ ми, параллельными ез. Пересекая цилиндр плоскостью 2 = 0, мы получаем окружность с уравнением 2 = 0, х2+ у7 = 4, на которой лежит ироекция. Однако проекция не совпадает с окружностью. Исключая 2 , мы должны бы­ ли запомнить условие z 2 = —1 —хг + у2 ^ 0 . Итак, проекция — две дуги окружности: х2 + у2 = 4, у2 х2 ^ 1 на плоскости 2 = 0.

6 . Гипербола не умещается в полуплоскости.

Глава IV

§2

8.Посмотрите, во что переходят начало координат и базисные векторы.

9.Множество образов всех точек при линейном неаффиином преобра­ зовании — прямая линия или точка.

11.Гомотетия с центром в точке пересечения медиан.

§3

1. Преобразуйте плоскость так, чтобы две из прямых перешли в оси координат.

3.Искомые направления совпадают с теми, о которых идет речь в пред­ ложении 7.

4.Обратите внимание на то, что прямая, имеющая единственную общую точку с параболой или гиперболой, не обязательно является каса­ тельной.

Глава V

§3

3.б) Коэффициенты разложения те же, что и в упрощенной матрице.

4.Что означает теорема о базисном миноре при Rgi4 = 1?

19а

292 Указания и ответы к упражнениям

5. Элементарными преобразованиями строк обратите в нулевые все строки, кроме отмеченных.

6 . Оцените ранги матриц ||A|i?||, ||А |А + ВЦ.

§4

5.Индукция. Разложите детерминант по столбцу, не пересекающему подматрицу.

6 . При произвольном п индукция по к. Разложите по первому столбцу. 8 . Используйте результат задачи 7, а).

9. Пусть общий корень t Умножим первый столбец на £3, второй — на £2, третий — на t и все прибавим к четвертому столбцу.

§6

4. Используйте упр. 3, б) из §3 и способ построения матрицы (8) из §6 .

Глава VI

§ 2

2 . Вектор с координатами f \ £2, £3, £ 4 принадлежит -£?; тогда и только тогда, когда совместна система уравнений с неизвестными а и /3:

 

1

 

5

е

а

2

 

6

3

+ 0

7

 

4

 

8

*4

4. Для нахождения линейных зависимостей между векторами можно привести матрицу из их координатных столбцов к упрощенному виду с помощью элементарных преобразований строк. Находим, что си, а2 и Ь\

линейно независимы, а 62 = ia i — -аг 4* 36ь Поэтому z = aj —02 4(62

4

4

- З 61) принадлежит -Sf'nJSf".

§ 4

3. В инвариантном подпространстве нечетной размерности найдется собственный вектор.

6 . Пусть р(А) — характеристический многочлен матрицы х у т . Чему равно р(—1 )?

8 . Т 2 = Е. Отсюда следует, что А2 = 1.

9. А ~ 1А В Л = В А .

1 0 . Воспользуйтесь теоремой 4.

§6

6 . Если В — матрица билинейной функции, то В£ = 0 — система урав­ нений ее нуль-пространства (см. упр. 5). Пересечение нуль-пространств всех форм задается системой D £ = 0 . Поместим в этом пересечении по­ следние п к базисных векторов.

7. Если АТА£ = 0 , то £ТАТА£ = (А£)Т(Л£) — 0, и потому А£ = 0 .

8 . Найдется верхняя треугольная матрица S такая, что STВ S = Е (см. доказательство критерия Сильвестра).

9. Пусть k(xi) > 0, а k(#2) < 0. Рассмотрим многочлен k(tai 4-д72) от переменной t .

Указания и ответы к упражнениям

293

Г л ава VII

§ i

4. б) Если вы нашли такую матрицу, то постарайтесь с ее помощью по­ строить матрицу такого типа вдвое большего порядка. Что это за матрицы для п = 1 и п = 2?

5. R = QTА.

§ 2

6.

Чтобы найти инвариантные подпространства, представьте характе­

ристический многочлен А4 + 1 как (Л2 + >/2А + 1)(А2 — у/2 \ + 1) и восполь­ зуйтесь предложением 8 §4 гл. VI. Второе подпространство — ортогональ­ ное дополнение первого.

§3

7. См. задачу 9.

§4

3. Преобразование унитарного пространства, имеющее такую матрицу в ортонормированном базисе, является унитарным.

Глава VIII

§ 2

2. R = 4, г = 2. Малая квадратичная форма не является ни положитель­ но, ни отрицательно полуопределенной.

О Т В Е Т Ы

Глава I

§i

1.\ВС\/\СА\ = А/(1 - А). 2. ЛС(1,1/2). 3. (5, -3).

4.Точка пересечения медиан: АО О-{АВ + АС).

 

§2

1.

(1,1). 2. D(x1 - xt + Xi, y i - y t + уз).

4.

х = гсозуэсоз#; у = rsin^cosfl; z = rsinfl.

 

§3

1. а = act', х = ax' + a0. Координаты уменьшаются вдвое.

2. х = U -x' + у' + 1), у = -\(х ' + у' - 1).

3. О' — противоположная О вершина параллелепипеда, построенного на базисных векторах. Концы соответствующих базисных векторов совпа­ дают.

§4

3 . (3 /2 )а . 5 . c o s# = (c o s а — c o s /3 c o s 7 )/(s in /3 s in 7 ) . 6 . — 1 2 у / 2 .

294

Указания и ответы к упражнениям

7.Необходимо и достаточно, чтобы детерминант матрицы был положи-

телен.

8.(см)“\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 1

у = о.4- х2+ у2 = 4*2.

1. х2+ у2 = 4.

3. х2+ ху + у2 -

х -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§2

 

 

1.

* = 2 -

2t,

у = 2 -М, г =

*. 2. х =

1 + 2*, - 3*2, у = *ь * = fe.

3. (2,0,2),

«1

= -1 , t2 =

L

4, Зх —

 

2у—5г-{- 4= 0.

5- а)г = 1

$

+ *а;

6)r = - W

"

W

+ t[n,,ni1-

1.

0 ( - 8 ,1), г = 4.

2. (>M 2 +

§ 2

 

< 0.

 

 

3. а? = 8fc, у =

65i, z = 49£.

 

 

 

 

4.

Oj(0,2 ,1), г, =

 

0 2 (о,

i ) , г, =

 

в. о («

5

 

40/

 

 

 

 

 

 

 

 

\ 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

_

_

I _

( r i - r j . a o . a j )

, _ .

 

 

6

. г =

r i

+

a j

— -------------------г - -

+ a e i .

 

 

 

 

 

 

 

( a o

. a i . a j )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава

III

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§1

 

 

1 .

-

£

 

=

1; .

=

^

-

У') -

У =

£ < « ' + * ) + \ .

2 . у'2 =

2*';

* ' =

4* + 3» + _ 1 , у ' = Г 3* +

4У - 1

3.

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

5

Возможны: пары пересекающихся, параллельных и совпавших пря­

мых.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

А = С, В = О, D2 Н- Е2 > ЛК

5. Эллипс с полуосями 4>/2 и 3\/2.

§ 2

3. Для эллипса, параболы и ближайшей к фокусу ветви гиперболы г =

= р/( 1 - ecos<p). Для второй ветви гиперболы г = —р/(1 -f ecos<p).

5.i +i. 6.2>/2.

а' 6^

8. Прямая соединяет точки касания касательных, проведенных к линии из данной точки.

§3

4. о ( - i , i ) ; Эх + у + i = 0, аг +Эу - i = °.

5. Пара пересекающихся прямых.

7. х - Зу + 3 = 0.

Указания и ответы к упражнениям

295

§4

2.а) Однополостный гиперболоид х2 + у2 —2г2 4 4* = 4;

б) конус х2 4 у2 = 2(г - 2)2.

3. Для гиперболического параболоида, заданного каноническим уравне­ нием, нормальные векторы плоскостей ni(6, а,0) и п2(—6, а, 0).

Глава IV

 

 

§ i

1.

б) Да; в) нет. 2.

(fgh)-1 = h~1g“,f“1.

3. х* = 5 —у, у* = 5

х.

 

 

§ 2

I. а) Да. б) нет. 2. Прямая у = 3. 4. (1,1).

6.

Свободные члены заменятся на нуль.

7. а) х* = 62х 4 а2у 4 с2;

б) х* = aix 4 2Ъ\у + ci, у* = 6ix 4 счу + d; у* = -а2х 4 62у 4 -с2.

Л

i

8.y = x tg ^ . 9. Нет.

10.В любом случае — векторы, коллинеарные е2, при а 4 6 ^ 0 еще и

коллинеариые (а 4 Ь, —1).

I I . х* = - ^ х , у* = 2 У*

12.Осевая симметрия относительно у = —xtg

§3

1.1/3.

3.Векторы, коллинеарные вектору: а) а(3,2); б) Ь(—2,3). Соответст­ вующие растяжения: а) 2>/26; б) \/26.

6.а) Ось одной симметрии перпендикулярна а, ось другой получена из нее параллельным переносом на (1/2)а.

б) Оси обеих симметрий проходят через О, ось второй получена пово­

ротом оси первой на угол р / 2.

7 . gf, где f : {х* = х, у* — Ху - a}, g: {х* = х, у* = у 4 а}; f сжатие к прямой у = —а/(1 —Л).

Глава V

§ i

1 3

1.а) ; б) 9; в) 48, не считая ее самой. 7 9

2.а) Нет; б) да; в) да; г) нет; 3. 2В.

4.D = (3 —2\)А —(1 4 А4- АС, А произвольно. 5. а) Нет; б) нет.

6.Нет, а = 2Ь —с.

§2

2.а) Да; б) нет. 4. а) Нет. б) да.

296

 

 

 

Указания и ответы к упражнениям

 

 

 

 

5.

а) Матрице (—Е) отвечает центральная симметрия, а /

— поворот

на 7г/2 ;

 

 

 

Ъ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

, где а и о ^ О

произвольны.

 

 

 

 

-(а2 + 1)/Ь

- а

 

 

 

 

7.

1

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 1

3

- 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

0

- 1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 0

0

1 0

 

 

 

0

0 II II 1

0 0

1 0 0

0

II 1

0

1

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

 

1

1

0

0

1

1

0

0

1/2

0

0

1

II

0

0

2

II II

0

1

1

 

 

 

 

 

 

 

§3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. a)

Rg А = 2, базисная подматрица, например,

1

2

 

 

3

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) ||7 8 9|| = 2||4

5 6|| —||1 2 3||;

3

=

II

2

II

 

1

II

 

 

6

2 II

5

|| —

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

II

8

II

 

7

 

 

 

г) 9 — все квадратные подматрицы второго порядка.

 

2. а) Ранг не больше двух;

б) Ранг не больше п /2.

 

1 0

- 1

- 2

- 3

5

= - 3

II

1

2

3. а) 0

1

2

3

4

; б) 7

II

3 + 4

4

0

0

0

0

0

9

 

5

6

§4

1. a ndetA

4.46.

 

 

7.

б) 6 = det Л, k = ^ ( - 1

)t+Jdij, где

— дополнительный минор

 

 

 

и

 

 

элемента atJ матрицы Л.

 

 

8. (Зп + 1)/2.

10. 10.

 

 

 

 

 

 

§5

 

 

1

d

 

 

 

 

ad be

—с

 

 

 

 

 

 

§6

 

 

-1 -1

 

 

3.

1

0

. 5. а) Не существует; б) Л .

4.

 

0

1

Еп—г

 

 

 

-г ||

 

1

 

 

6 .

1 + с

-2

 

 

 

0 ||

 

1

 

 

 

 

Указания и ответы к упражнениям

297

 

 

 

Глава VI

 

 

 

 

§ i

 

1. А =

ад Ejj.

 

 

 

ij

 

 

стандартного

2. n(r* + 1)/2. За базис можно принять матрицы Eij { i ^ j )

базиса пространства квадратных матриц порядка п.

 

1

—а

а2

—а3

 

0

1

—2а

За2

 

0

0

1

-З а

 

0

0

0

1

 

Р(0 = Р(в) + p '(a )(t -

а) + jp"(a)(* - а)2 +

ip"'(a)(t - а)3

(штрих обо-

значает дифференцирование по t).

 

 

4. /] раскладывается по ej; / 2 раскладывается по ei,e2; / 3

раскладыва­

ется по ei, е2, е3; ...; / n- i

раскладывается но ei,

еп-ь

 

5. Ориентированы одинаково.

 

 

 

 

§2

 

 

 

/

- 2£2 + $3 = О,

 

 

1 . Например, ai,a2.

2 . \

2*1-3 $ 2+£4 =0.

 

3.Например, линейная оболочка векторов е3 и 64.

4.а) ai,a2,6i; б) си - а2.

5.а) Да; б) да; в) нет.

1

2 (3

 

§ 3

 

 

0

 

 

 

2

4

(3

0

-1

о

о

3

6

(3

0

0

о

:I

2

О

2

-1

0

о

:2 4

 

 

 

оо

;3

6

 

 

 

2 3 J

0

Я

 

 

0

0

 

1 5

 

 

2.Инъективно при Rg С = 2. Сюръективным быть не может.

3.а) Нет; б) да. 7. а) Нет; б) да.

 

 

о

1

§4

5.

л,

 

О

 

, где А\ — квадратная подматрица порядка г и ранга г.

 

О

 

7.

Для Ai =

7 базис в собственном подпространстве — векторы с ко­

ординатами

|| 1

—2

0 ||т и || 0 3 1||т . Для А = —7 собственный вектор с

координатами ||2 1

—3 ||т .

8.

Для Aj =

1 собственное подпространство — множество симметрич­

ных матриц. Для А2 = —1 собственное подпространство — множество ко­ сосимметричных матриц.

298

Указания и ответы к упражнениям

1

1

0

II

 

3

2

0

11. 5 = - 1

- 3

 

0

3

- 2

0

=

0

1

1 1

 

0

0

3

§5

1.а) Нет; 6) да, если f(rr) = 0 для всех х.

2.||0q - og||, где q = S±(ei,e2).

3.

a) v>, = О, i ^ k; </>. = (i -

- k)a'-fc-1, i > k (* = 1,

6)

Vi = 0, * ф k + 1; v»*+i =

*!•

§ 6

 

 

1

1

3

 

1

1

3

0

 

 

 

 

- 2

4

0

0

 

1. а)

—2

4

0

6)

 

0

0

1

0

 

 

 

0

0

1

 

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А1

8

3

||

1

1/2

 

 

 

 

2.

г1

5

1

II. 3.

 

 

 

 

 

С)

!

!

||

1/2

1

 

 

 

 

 

 

1

- l

- 3

 

 

 

 

 

 

 

 

4. а) (Г1)*+ (€'*)*-«'•)*;

0

-1

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

1

 

6) U'1)2* ^

2)2

 

y/2

- 1

- 5

II

>' y/2

°

- i

1

II.

 

 

 

 

 

0

1

1

||

5.

s =

n — Rg b. Последние s строи и последние $ столбцов нулевые.

6. Пусть D — матрица, составленная из матриц всех форм, написанных одна под другой. Необходимо и достаточно Rg D ^ к.

7.а) г; б) 0.

9.к не является ни положительно, ни отрицательно определенной.

10.Миноры четного порядка > 0, а нечетного порядка < 0.

11.Нет.

§7

1. а) 3; б) 6; в) 14.

 

 

 

1

1

0

0

2. а) А’ =

0

1

0

0

0

0

2

1

 

 

0

0

0

2

 

1

1

0

0

0

б) А ’ =

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

 

0

0

0

1

1

 

0

0

0

0

1

 

 

1

1

1

1

 

 

,

с

1

1

1

0

1

 

Ь —

1

1

0

0

 

 

 

1

0

0

0

 

 

 

 

 

- 1

0

0

0

0

,

s =

 

0

0

0

1

0

 

1

0

- 1

0

2

 

 

 

0

1

0

- 1

0

 

 

 

0

0

2

0

- 2

 

 

 

Указания и ответы к упражнениям

 

299

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава

VII

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2/3

 

 

 

§ i

 

 

 

 

 

 

 

1. а)

2

0

 

 

; б)

2

 

- 2

 

8 /3

в) arccos

л

2/3

0

 

2/5

 

8 /3

 

- 4

 

32/5

 

 

0

2/3

 

 

0

 

 

 

- 2

 

8 /3

- 4

;

 

 

 

1 1 1 - 1 ||

т

1

Hi - 1 1 - i f ’, i | | H

 

 

 

 

 

’ 2

 

 

3. а) ||01 1 1||г,

||1

1

1 0||т;

б)

||1 -

1 О1||т.

4. 1 / Д .

 

 

 

 

1

1

 

- 2

И -

1

1

5

7

>

 

 

 

 

 

у/Ъ

2

 

 

1

Д \ \

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

II

2

1

 

0

 

-V 5 ,

 

 

И

0

 

N/2

 

 

 

 

 

 

л/3

 

л/2

N

 

 

л/б

2%/б

- Д

 

 

 

1

 

-л/3

 

Д

1

й =

 

0

 

0

д

 

6.

4у/2.

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§2

 

 

 

 

 

 

 

1.

2

4

Собственные

подпространства

А: ||1

—1||г , ||2 —3j|T.

О

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Собственные подпространства А*: ||4 —1||т , ||1 0||т .

3. Или тождественное преобразование, или отражение в подпространст­

ве

: если х = хг+ х”, х ' Е

я" G

то Д(а;) = х' —я". Если

= {о},

то А = £.

 

 

 

 

4. а) 2пп!; б) бесконечно много; в) да, в случае б).

 

I

-1

л/2 I

I 1

О О

5. S= 4= II Д

-1

л/2 , Л ' =

0

1

О

Д

О 2

\/2

у О

О

4

6 .

Поворот на 57г/4 в плоскости векторов 01,02

и поворот на тг/4 в плос­

кости векторов 61, 62. (Углы отсчитываются от ai к 02

и от 61 к 62.) Коор­

динатные столбцы 0 1, 02, 61,62 соответственно

 

 

1

 

1

-1

 

1

1

-1

 

->1П

 

0

 

л/2

1

0

 

’ 2

1 ’ 2

1 ’ 2

1

 

0

 

 

-л/2

 

 

0

л/2

7. а)

 

О

О

 

 

 

 

 

 

 

О

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ) Q = i

Д

1

, S = ~

4

Д

 

 

 

-1

Д

 

 

5

 

 

 

3 Д

 

 

 

 

— “$ 1

 

!

IIII-

 

УЩ

у57з I

4

 

-У2/3

уГ/з

||-

300 Указания и ответы к упражнениям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§3

 

3

о

 

1. (9 -

15t*)/8.

2.

Ь*(л?, у) =

ь(у,я)-

 

 

3. -1

1

 

5.

S = ± =

 

 

 

Д

 

1

д

, 4(»7, ), + 4(f?s)2 + (»?3)2.

 

 

 

 

0

- 2

Д

 

 

Д

 

 

- Д

 

]L

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

?? ~ К’)*-

6. Да;

7. а]

( е г

-

( е

и 2 |]£

 

 

8. S =

-4 =

 

 

 

 

;

k(i) =

 

 

_ (-Л\2 ,

/„2\2

 

 

Д в

I I 1

»

 

 

 

 

 

 

 

 

мер: (С1)2 и (£3)2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§4

 

 

 

 

1. а) |а| = 2, |Ь| = 3, cos(a, b) =

(3 + t)/6, cos(Ь,а) —(3 —■*)/®>

б)

Векторы

а

и Ь '(-2 -

3*/2,3/2 -

i)

ортогональны,

Ь = 6 - аа, а =

= (3-0/4.

I

 

 

0

 

, S =

^ _ II

^

||; Л и самосопряженное, и уни-

4. А -

 

 

 

 

 

1

 

 

°

 

 

1

"

‘ -

 

 

 

 

тарное.

 

0

 

- 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*1 If

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 !1

 

 

 

 

 

 

 

“‘Л11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава

VIII

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

1

§ i

 

2

 

 

 

XI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

х2

=

 

 

- 3

+ 1\

- 2

+ h

-3

 

 

хА

 

 

 

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

1

 

 

а) Пустое множество или плоскость; б) dim P ^ ki + k2 —я.

§ 2

(

<' =

т " ' - ; И + Ж ’,+ 2 ’

1. - ^ + o > ’)’ -€ч>)* = i,

«■ =

!,■ + v / f r f -

 

I ^з = 4? »?2+ 4 »?3+з-

 

v

v o

vo

2- Гиперболический параболоид.

3. —1/2 < a < 0.

 

Глава IX

 

2.

а) 64; б) 64.

§ i

 

 

 

3.

....in = (~1)т > .... *n*detS, если м , р а з л и ч н ы , и 0 в против-

ном случае.