אלגברה ליניארית - מחברת - גרסה 2 - קובץ PDF
Transcription
אלגברה ליניארית - מחברת - גרסה 2 - קובץ PDF
120/901/2/ מחברת קורס אלגברה ליניארית – תשע"ג – סמסטר קיץ מערכת משוואות הגדרה :מטריצה - מטריצה היא אוסף של מספרים המסודרים ב𝑛 שורות ,וב𝑚 עמודות מסמנים מטריצה באותיות לועזיות גדולות A,B,C איברי המטריצה מסמנים באותיות קטנות 𝑗𝑖𝑎 כאשר 𝑖 = מספר השורות = 𝑗 ,מספר העמודות הגדרה :שיוויון מטריצות - מטריצות שוות רק אם הם בדיוק זהות. כלומר מספר השורות במטריצות זהה ,מספר העמודות במטריצות זהה ,כל איברי המטריצות שוות. הגדרה :חיבור מטריצות - ניתן לחבר מטריצות רק כאשר המטריצות הם מאותו הסדר 𝑛𝑥𝑚 𝑛𝑥𝑚)𝐵 𝐴𝑚𝑥𝑛 + 𝐵𝑚𝑥𝑛 = (𝐴 + ⇓ 𝑗𝑖𝑏 (𝐴 + 𝐵)𝑖𝑗 = 𝑎𝑖𝑗 + 120/901/2/ הגדרה :כפל מטריצה בסקלר - המטריצה 𝑛𝑥𝑚𝐴𝛼 היא מטריצה שהאיבר הכללי שלה 𝑗𝑖𝑎𝛼 = 𝑗𝑖)𝐴𝛼( הסקלר כופל את כל אחד מאיברי המטריצה תכונות של כפל מטריצות בסקלר (𝛼𝛽)𝐴 = 𝛼(𝐵𝐴) .2 (𝛼 + 𝛽)𝐴 = 𝛼𝐴 + 𝛽𝐴 .1 𝛼(𝐴 + 𝐵) = 𝛼𝐴 + 𝛼𝐵 ./ 1A = A .4 הגדרה :כפל מטריצות - כפל מטריצות מוגדר רק כאשר מספר העמודות במטריצה השמאלית ,שווה למספר השורות במטריצה הימנית. 𝑙𝑥𝑚𝐶 = 𝑙𝑥𝒌𝐵 ∙ 𝒏𝑥𝑚𝐴 המטריצה המתקבלת Cהיא מהסדר 𝑙𝑥𝑚 הערה חשובה :הכפל מוגדר רק כאשר 𝒌 = 𝒏 דוגמא לאופן ביצוע כפל מטריצות: 𝐴2𝑥3 ∙ 𝐵3𝑥3 420 ) 960 360 810 1 ∗ 30 + 2 ∗ 60 + 3 ∗ 90 300 (=) 4 ∗ 30 + 5 ∗ 60 + 6 ∗ 90 660 1 ∗ 20 + 2 ∗ 50 + 3 ∗ 80 4 ∗ 20 + 5 ∗ 50 + 6 ∗ 80 30 1 ∗ 10 + 2 ∗ 40 + 3 ∗ 70 ( = )60 4 ∗ 10 + 5 ∗ 40 + 6 ∗ 70 90 10 20 3 ) ∙ (40 50 6 70 80 תכונות כפל מטריצות .2 .1 ./ .4 )𝐵𝛼(𝐴 = 𝐵)𝐴𝛼( = )𝐵𝐴(𝛼 )𝐶𝐵(𝐴 = 𝐶)𝐵𝐴( 𝐶𝐴 𝐴(𝐵 + 𝐶) = 𝐴𝐵 + 𝐶𝐵 (𝐴 + 𝐵)𝐶 = 𝐴𝐶 + הערה :אם במטריצה Bקיימת עמודת0שורת אפסים ,אז גם במכפלה ABתופיע עמודת0שורת אפסים (בהתאמה) . 2 5 1 (= 4 120/901/2/ הגדרה :חזקה של מטריצה - חזקה של מטריצה מוגדרת רק עבור מטריצות ריבועיות בלבד 𝑛𝑥𝑛𝐴 𝐴𝐴 = 𝐴2 𝐴𝐴𝐴 = 𝐴3 𝐴 ⋯ 𝐴𝐴 = 𝑘𝐴 הגדרה :מטריצה משוחלפת (- )Transpose מטריצה משוחלפת היא מטריצה שבה השורות מתחלפות עם העמודות. מטריצה משוחלפת מסומנת 𝑇𝐴 𝑖𝑗𝐴 = 𝑗𝑖) 𝑇𝐴( דוגמא 2 3 ) 5 6 1 ( = 𝐴2𝑥3 4 1 4 )(𝐴2𝑥3 )𝑇 = (2 5 3 6 תכונות מטריצות משוחלפות (𝐴 + 𝐵)𝑇 = 𝐴𝑇 + 𝐵𝑇 .2 (𝛼𝐴)𝑇 = 𝛼𝐴𝑇 .1 (𝐴𝐵)𝑇 = 𝐵 𝑇 𝐴𝑇 ./ 120/901/2/ הגדרה :מטריצה הפיכה - מטריצה ריבועית Aנקראית מטריצה הפיכה כאשר קיימת מטריצה 𝐴−1הנקראית המטריצה הופכית של , Aומתקיים 𝐼 = 𝐴𝐴−1 תכונות של מטריצות הפיכות אם Aהפיכה ,אז יש לה רק מטריצה הופכית יחידה בלבד. 𝐴 = (𝐴−1 )−1 (𝐴𝐵)−1 = 𝐵 −1 𝐴−1 𝑇) (𝐴𝑇 )−1 = (𝐴−1 בפתיחת סוגריים הסדר משתנה השחלוף לא מפריע 1 (𝛼𝐴)−1 = 𝐴−1 𝛼 מציאת מטריצה הפוכה עבור מטריצה מסדר 2x2יש קיצור: 𝑏 ) 𝑑 𝑎 𝑐 (=𝐴 מחשבים את הדטרמיננטה של המטריצה ( ,)ad-bcאם הדטרמיננטה שונה מאפס אז נחשב: 𝑏− ) 𝑎 𝑑 1 ( 𝑐|𝐴| − = 𝐴−1 אם הדטרמיננטה שווה , 0אז המטריצה לא הפיכה. עבור מטריצות מסדר 𝑛𝑥𝑛𝐴 : נכתוב את המטריצה Aלצד מטריצת היחידה מאותו הסדר ) 𝑛𝑥𝑛𝐼| 𝑛𝑥𝑛𝐴( מדרגים את המטריצה הגדולה לצורה קנונית. אם בסוף הדירוג מקבלים את מטריצת היחידה בצד שמאל ,אז המטריצה שהתקבלה בצד ימין היא המטריצה ההפוכה. אם בסוף הדירוג לא מקבלים את מטריצת היחידה ,אז המטריצה אינה הפיכה. 120/901/2/ הגדרה :מטריצה הצמודה (– )Adjoint המטריצה של המינורים. המטריצה המתקבלת מ Aע"י מחיקת שורה iועמודה j 𝑗𝑖𝑀 ∙ 𝑗𝐴𝑖𝑗 = (−1)𝑖+ 𝑇) 𝑗𝑖𝐴( = 𝐴𝑗𝑑𝑎 משפט חשוב 𝐼 ∙ |𝐴| = )𝐴(𝑗𝑑𝑎 ∙ 𝐴 מסקנה :אם |𝐴| ≠ 0אז Aהפיכה ,ומתקיים )𝐴(𝑗𝑑𝑎 |𝐴| = 𝐴−1 𝑎𝑑𝑗(𝐴) = |𝐴| ∙ 𝐴−1 הגדרה :מטריצה אלכסונית- מטריצה ריבועית שבה כל האיברים שאינם באלכסון הראשי שווים לאפס 0 )0 𝛾 0 𝛽 0 𝛼 (0 0 הגדרה :עקבה של מטריצה- עקבה של מטריצה היא סכום איברי האלכסון ,נקראית traceומסומנת )𝐴(𝑟𝑡 דוגמא 2 ) 4 1 (=𝐴 3 𝑡𝑟(𝐴) = 1 + 4 = 5 120/901/2/ דירוג מטריצות פעולות אלמנטריות על שורות של מטריצה: .2החלפת שורות 𝑗𝑅 ⟷ 𝑖𝑅 .1הכפלת שורה בקבוע שונה מאפס 𝑖𝑅𝛼 → 𝑖𝑅 ./הוספת כפולה של שורה אחת לשורה אחרת 𝑗𝑅𝛼 𝑅𝑖 → 𝑅𝑖 + הגדרה :איבר מוביל- האיבר הראשון השונה מאפס בשורה של מטריצה. הגדרה :מטריצה מדורגת- מטריצה שבה בכל שורה האיבר המוביל נמצא מימין לאיבל המוביל בשורה שמעליו. דוגמא: ∗ ∗ ) ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 0 0 0 ∗ 0 ( 0 0 הגדרה :מטריצה מדורגת קנונית- מטריצה מדורגת ,שבה האיבר המוביל הוא , 2ומעליו ומתחתיו נמצאים רק אפסים. דוגמא: 0 0 )1 0 0 1 1 2 (0 0 0 0 0 0 ) 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 ( 0 0 הערה :לכל מטריצה צורה קנונית יחידה בלבד. הגדרה :מטריצות שקולות- מטריצות נקראות שקולות אם ניתן להגיע ממטריצה Aלמטריצה Bע"י סדרה של פעולות אלמנטריות (דירוג) וגם ההיפך. הגדרה :דרגה של מטריצה- מספר השורות במטריצה מדורגת שאינם שורות אפסים. מסומן ) rank(Aאו )𝐴(𝜌 120/901/2/ תנאים לפתרונות של מערכת משוואות פתרון יחיד oכאשר מתקבלת מטריצה מדורגת שבה מספר השורות שלא התאפסו (הדרגה של המטריצה) שווה למספר הנעלמים או oכאשר הדטרמיננטה של המטריצה המצומצמת שונה מאפס ואז המטריצה הפיכה ,ולכן למערכת המשוואות קיים פתרון יחיד. אינסוף פתרונות oכאשר מתקבלת מטריצה מדורגת שבה מספר השורות שלא התאפסו (הדרגה של המטריצה) קטן ממספר הנעלמים אין פתרון oכאשר מתקבלת מטריצה מדורגת עם שורת סתירה. הגדרה :מערכת משוואות הומגנית- מערכת משוואות שבצד אחד של המשוואה יש אפסים. 𝛼𝑥 + 𝛽𝑦 + 𝛾𝑧 = 0 למערכת הומוגנית תמיד קיים פתרון: אם קיים רק פתרון יחיד אז הוא הפתרון הטריוויאלי 𝑎 = 0 ,𝛽 = 0 ,𝛾 = 0 או שקיימים אינסוף פתרונות. 120/901/2/ הגדרה :דטרמיננטה הדטרמיננטה היא פעולה (פונקציה כפלית) שניתן לבצע על מטריצה ריבועית ,והיא נותנת סקלר התלוי ברכיבי המטריצה. הדטרמיננטה מסומנת )𝐴( detאו |𝐴| . תכונות של דטרמיננטה ניתן לפתח דטרמיננטה לפי כל שורה או עמודה כך שהסימנים הם 𝑗(−1)𝑖+ oנעדיף לפתח לפי שורה0עמודה שבה יש הכי הרבה ( /כי אז זה חוסך חישובים) הדטרמיננטה של מטריצה משולשת היא מכפלת אברי האלכסון שלה אם יש בדרמיננטה 1שורות0עמודות זהות אז הדטרמיננטה שווה אפס כאשר הדטרמיננטה שווה אפס זה אומר שהמטריצה אינה הפיכה השפעת פעולות הדירוג על דטרמיננטה הוספת כפולות של שורות0עמודות אינה משפיעה על הדרמיננטה החלפת שורות0עמודות משפיעה על הדטרמיננט בכך שהסימן של הדטרמיננטה משתנה כפל של שורה0עמודה בסקלר αמכפיל את ערך הדטרמיננטה בהופכי של הסקלר ניתן להוציא גורם משותף של שורה0עמודה אחת מחוץ לדטרמיננטה אם יש בדטרמיננטה 1שורות0עמודות זהות אז הדטרמיננטה שווה אפס 1 𝛼 חוקי דטרמיננטות 𝑛|𝐴| = | 𝑛𝐴| 1 𝑛 = 𝑛|𝐴|− |𝐴| | 𝑇𝐴| = |𝐴| |𝐴| ∙ 𝑛 𝛼 = | 𝑛𝑥𝑛𝐴𝛼| הדטרמיננטה של המטריצה המשוחלפת שווה לדטרמיננטה של המטריצה המקורית סקלר שיוצא מחוץ לסוגריים של דטרמיננטה ,יוצא כשהוא מועלה בחזקת מספר השורות של הדטרמיננטה. |𝐵| ≠ |𝐴| + |𝐵| ∙ |𝐴| = |𝐵 ∙ 𝐴| |𝐼| = 1 |𝑎𝑑𝑗(𝐴)| = |𝐴|𝑛−1 |𝐵 |𝐴 +אלא אם כן ,הדטרמיננטות זהות פרט לשורה0עמודה אחת בלבד 120/901/2/ הגדרה :מינור- במהלך תהליך פיתוח של דטרמיננטה לצורת החישוב ומציאת הסקלר ,משתמשים בפיתוח בעזרת מינורים. המינור מתקבל כאשר מוחקים שורה ועמודה שבו נמצא איבר מסויים במטריצה ,כך שמתקבלת מטריצה קטנה יותר -בגודל )(𝑛 − 1)𝑥(𝑛 − 1 120/901/2/ מרחבים ווקטורים הגדרה מרחב ווקטורי- מרחב ווקטורי מסומן 𝑉 ,הוא קבוצה של איברים שמוגדרות עליהם פעולות חיבור ופעולות כפל בסקלר ,המקיימים את התכונות הבאות (אקסיומות) : .2סגירות ביחס לחיבור לכל 𝑉 ∈ 𝑣 𝑢,מתקיים 𝑉 ∈ 𝑣 𝑢 + .1קומוטטיביות של חיבור לכל 𝑉 ∈ 𝑣 𝑢,מתקיים 𝑢 𝑢 + 𝑣 = 𝑣 + ./אסוציאטיביות של חיבור לכל 𝑉 ∈ 𝑤 𝑢, 𝑣,מתקיים )𝑤 (𝑢 + 𝑣) + 𝑤 = 𝑢 + (𝑣 + .4קיום איבר האפס (איבר ניטרלי) קיים איבר 𝑉 ∈ 0כך שלכל 𝑉 ∈ 𝑢 מתקיים 𝑢 = 𝑢 𝑢 + 0 = 0 + .5קיים איבר נגדי לכל 𝑉 ∈ 𝑢 קיים איבר המסומן 𝑉 ∈ 𝑢 −כך ש 𝑢 + (−𝑢) = (−𝑢) + 𝑢 = 0 .6סגירות ביחס לכפל בסקלר לכל 𝑉 ∈ 𝑢 ולכל סקלר 𝛼 מתקיים 𝑉 ∈ 𝑢𝛼 .7אסוציאטיביות של כפל בסקלר לכל 𝑉 ∈ 𝑢 ולכל 𝛽 𝛼,סקלרית מתקיים 𝑢𝛽 (𝛼 + 𝛽)𝑢 = 𝛼𝑢 + .8דיסטרבוטיביות לכל 𝑉 ∈ 𝑢 ולכל 𝛼 סקלריות מתקיים 𝑣𝛼 𝛼(𝑢 + 𝑣) = 𝛼𝑢 + לכל 𝑉 ∈ 𝑢 ולכל 𝛽 𝛼,סקלריות מתקיים 𝑢𝛽 (𝛼 + 𝛽)𝑢 = 𝛼𝑢 + .9התאמה לכל 𝑉 ∈ 𝑢 מתקיים 𝑢 = 𝑢1 𝑢−1𝑢 = − 0𝑢 = 0 דוגמאות למרחבים ווקטורים מרחב המטריצות 𝑛𝑥𝑚𝑀 מרחב המטריצות הסקלריות ואברי מטריצה ממשיים )𝑀𝑚𝑥𝑛 (ℝ מרחב המטריצות הסקלריות ואברי מטריצה מרוכבים)𝑀𝑚𝑥𝑛 (ℂ 120/901/2/ הגדרה תת מרחב ווקטורי- נתון Vמרחב ווקטורי ,ונתון 𝑊 קבוצה חלקית של V Wנקרא תת מרחב של Vאם מתקיימים /התכונות הבאות: W .2לא קבוצה ריקה ∅≠𝑊 .1סגירות לחיבור לכל 𝑊 ∈ 𝑣 𝑢,מתקיים 𝑊 ∈ 𝑣 𝑢 + ./סגירות לכפל בסקלר לכל 𝑊 ∈ 𝑢 ולכל סקלר 𝛼 מתקיים 𝑊 ∈ 𝑢𝛼 משפט :קבוצה פורשת מהווה גם תת-מרחב. הגדרה צירוף ליניארי- נתון מרחב ווקטורי V נתונים } 𝑛𝑣 {𝑣1 , 𝑣2 , ⋯ ,ווקטורים במרחב V נתונים } 𝑛𝛼 {𝛼1 , 𝛼2 , ⋯ ,סקלריים צירוף ליניארי זה כאשר בונים ווקטור 𝑣 בעזרת חיבור כפולות של ווקטורים אחרים 𝑛𝑣 𝑛𝛼 𝑣 = 𝛼1 𝑣1 + 𝛼2 𝑣2 + כיצד נבדוק האם ווקטור 𝑣 הוא צירוף ליניארי של ווקטורים במרחב הנתון .2 .1 ./ .4 נשתמש בנוסחא 𝑛𝑣 𝑛𝛼 𝑣 = 𝛼1 𝑣1 + 𝛼2 𝑣2 +ונציב את הווקטורים במקום 𝑣 נציב את הווקטור שעבורו אנו בודקים האם הוא צירוף לינארי .i במקום } 𝑛𝑣 {𝑣1 , 𝑣2 , ⋯ ,נציב את הווקטורים הנתונים במרחב .ii נפתח סוגריים ונקבל מערכת משוואות מהצורה המספרים הם רק להמחשה 𝑛𝛼𝑎 0𝛼1 + 1𝛼2 + 2 𝑛𝛼𝑏 = 3𝛼1 + 4𝛼2 + 5 𝑛𝛼𝑐 6𝛼1 + 7𝛼2 + 8 נבנה מטריצה 𝑎 0 1 2 ) 𝑏 | (3 4 5 𝑐6 7 8 נדרג את המטריצה אם נקבל פתרון יחיד אז הווקטור הוא אכן צירוף לינארי .i אם נקבל שאין פתרון למערכת אז הווקטור הוא לא צירוף ליניארי .ii 120/901/2/ הגדרה תלות ליניארית- קבוצת ווקטורים } 𝑘𝑣 {𝑣1 , 𝑣2 , ⋯ ,נקראית קבוצה תלויה ליניארית אם קיימים סקלרים ) 𝑘𝛼 (𝛼1 , 𝛼2 , ⋯ ,לא כולם / כך ש 𝛼1 𝑣1 + 𝛼2 𝑣2 + ⋯ + 𝛼𝑘 𝑣𝑘 = 0 כיצד בודקים האם קבוצה ווקטורים היא תלויה ליניארית .2 .1 ./ .4 נשתמש בנוסחא 𝑛𝑣 𝑛𝛼 0 = 𝛼1 𝑣1 + 𝛼2 𝑣2 +ונציב את הווקטורים במקום } 𝑛𝑣 {𝑣1 , 𝑣2 , ⋯ ,נציב את הווקטורים שבקבוצה .i נפתח סוגריים ונקבל מערכת משוואות מהצורה המספרים הם רק להמחשה 𝑛𝛼0 0𝛼1 + 1𝛼2 + 2 𝑛𝛼0 = 3𝛼1 + 4𝛼2 + 5 𝑛𝛼0 6𝛼1 + 7𝛼2 + 8 נבנה מטריצה 0 1 20 )(3 4 5|0 6 7 80 נדרג זו מערכת הומוגנית ולכן או שקיים פתרון יחיד או שקיימים אינסוף פתרונות .iאם קיים פתרון יחיד למערכת אז הקבוצה היא בלתי תלויה ליניארית .iiאם קיימים אינסוף פתרונות למערכת אז הקבוצה היא תלויה ליניארית אם קבוצת הווקטורים הם מטריצות .2כותבים את התנאי לתלות לינארית 𝑗 ) = ⃗0 𝑙 𝑓 𝑖 ( 𝑛𝛼 ) + ⋯ + ℎ 𝑘 𝑒 𝑏 ( ) + 𝛼2 𝑔 𝑑 .1נפתח סוגריים ,ונקבל מערכת משוואות מהצורה 𝑎𝛼1 + 𝑒𝛼2 + ⋯ + 𝑖𝛼𝑛 = 0 𝑏𝛼1 + 𝑓𝛼2 + ⋯ + 𝑗𝛼𝑛 = 0 𝑐𝛼1 + 𝑔𝛼2 + ⋯ + 𝑘𝛼𝑛 = 0 𝑑𝛼1 + ℎ𝛼2 + ⋯ 𝑙𝛼𝑛 = 0 ./נבנה מטריצה מקדמים מהמשוואות 𝑎 𝑐 ( 𝛼1 120/901/2/ 𝑖 ⋯ 𝑗 ⋯ ) 𝑘 ⋯ 𝑙 ⋯ 𝑒 𝑓 𝑔 ℎ 𝑎 𝑏 ( 𝑐 𝑑 ניתן לראות שמטריצת המקדמים בנויה כך ,שהווקטורים (מטריצות מקוריות) הם בעצם העמודות שלה ,ולכן ניתן לקצר ולרשום ישירות את מטריצת המקדמים. .4נדרג את מטריצת המקדמים .5לאחר שהגענו לצורה מדורגת ,אם העמודות לא התאפסו אז הווקטורים הם ב.ת.ל הגדרה :מרחב נפרש- מרחב נפרש מסומן } {𝑛𝑎𝑝𝑠 קבוצת ווקטורים שהם צירוף לינארי שפורש את המרחב. (כלומר המרחב הנפרש בנוי מווקטורים שהם כפולות של הווקטורים שמופיעים בתוך ה)span משפט :קבוצה פורשת של מרחב מסויים מהווה תת מרחב הגדרה :בסיס למרחב ווקטורי- הקבוצה } 𝑛𝑣 𝐵 = {𝑣1 , 𝑣2 , ⋯ ,נקראית בסיס של המרחב V אם Bקבוצה פורשת ובלתי תלוייה ליניארית. בבסיס נמצאים הווקטורים שכל כפולה שלהם מהווה פתרון למערכת המשוואות של המרחב. משפטים פחות מ nווקטרים לא יכולים להוות בסיס ל 𝑛 𝑅 יותר מ nווקטורים לא יכולים להוות בסיס ל 𝑛 𝑅 120/901/2/ בסיס למרחב הפולינומים ]𝑅[ 𝑛𝑃 כיצד נבדוק האם קבוצת פולינומים מהווה בסיס .2נרשום את המקדמים של כל פולינום בתור שורות של מטריצה .1נדרג את המטריצה ./אם אף שורה לא התאפסה ,אז הווקטורים ב.ת.ל משפטים פחות מ 𝑛 + 1פולינומים לא יכולים להוות בסיס ל]𝑅[ 𝑛𝑃 יותר מ 𝑛 + 1פולינומים לא יכולים להוות בסיס ל]𝑅[ 𝑛𝑃 בדיוק 𝑛 + 1פולינומים יכולים להוות בסיס ל]𝑅[ 𝑛𝑃 רק אם הם בלתי תלויים ליניארית הגדרה :מימד- מסומן ) (𝑚𝑖𝑑 כמות האיברים (ווקטורים) בבסיס כלשהו הוא המימד של המרחב הווקטורי. דוגמא 1 0 })𝑉 = {(0) , (1 0 0 𝑑𝑖𝑚(𝑉) = 2 משפט המימד -2 )𝑊 𝑑𝑖𝑚(𝑈) + 𝑑𝑖𝑚(𝑊) = 𝑑𝑖𝑚(𝑈 ∩ 𝑊) + 𝑑𝑖𝑚(𝑈 + 120/901/2/ הגדרה :איחוד של מרחבים ווקטורים- מסומן 𝑊 𝑈 + הבסיס של האיחוד אלו הווקטורים שפותרים את Uאו את W כיצד מוצאים בסיס לאיחוד של מרחבים אם נתון מערכת משוואות .2 .1 ./ .4 רושמים את כל המשוואות ברשימה (אחד מתחת לשני) בונים מטריצה הומוגנית מדרגים השורות שנשארות לאחר הדירוג הם הבסיס לאיחוד אם נתונים הבסיסים של המרחבים .2רושמים את כל הווקטורים בבסיסי אחד ליד השני .1בודקים תלות לינארית של הווקטורים ./במידה והווקטורים הם בלתי תלויים ליניארית אז הם מהווים בסיס לאיחוד הגדרה :חיתוך של מרחבים ווקטורים- מסומן 𝑊 ∩ 𝑈 הבסיס של החיתוך – הווקטורים שפותרים את כל המשוואות ,גם של Uוגם של W כיצד מוצאים בסיס לחיתוך של מרחבים אם נתון מערכת משוואות .2 .1 ./ .4 רושמים את כל המשוואות ברשימה (אחד מתחת לשני) בונים מטריצה הומוגנית מדרגים ,מגיעים לצורה מדורגת ,רושמים את התוצאות בכתיב ווקטורי הווקטורים בכתיב הווקטורי הוא הבסיס לחיתוך של המרחבים 120/901/2/ העתקות לינאריות הגדרה :העתקה לינארית- העתקה לינארית היא כמו פונקציה – כלומר מכניסים ערך מסויים ומקבלים ערך אחר. העתקה 𝑈 → 𝑉 𝑇:מסומנת באות Tע"ש ( Transformationטרנספורמציה) העתקה נקראית העתקה לינארית רק כאשר מתקיימים 1תנאים: T(𝑢 + 𝑣) = 𝑇(𝑢) + 𝑇(𝑣) .2 T(𝑘 ∙ 𝑢) = 𝑘 ∙ 𝑇(𝑢) .1 אלגוריתם להוכחה האם העתקה היא אכן העתקה לינארית: .2 .1 ./ .4 נגדיר ווקטורים כלליים בהתאם למרחב הנתון בשאלה נפעיל את ההעתקה על הווקטורים הכלליים נבדוק האם מתקיימים 1התנאים להעתקה לינארית oנבדוק האם תנאי 2מתקיים ,על ידי פיתוח בנפרד של אגפי משוואת התנאי oאם מצאנו שהביטויים עבור כל צד של המשוואה שווים אז נקבע שהתנאי מתקיים ונמשיך לשלב הבא. oאם מצאנו שהביטויים אינם שווים אז התנאי לא מתקיים ולכן ההעתקה אינה העתקה לינארית oבמקרה שמצאנו שההעתקה אינה לינארית אפשר להביא דוגמא נגדית (להציב מספרים) ולראות שאכן התנאי לא מתקיים oנבדוק האם תנאי 1מתקיים ,על ידי בדיקה בנפרד של צידי משוואת התנאי אם מצאנו שכל התנאים מתקיימים אז הוכחנו שההעתקה היא אכן העתקה לינארית משפט :אם העתקה Tמקיימת 𝑇(0) ≠ 0אז ההעתקה אינה לינארית. כלומר ווקטור האפס נשאר אותו דבר לאחר העתקה לינארית. הגדרה :אופרטור לינארי- העתקה לינארית נקראית אופרטור לינארי כאשר העתק מתבצע באותו מרחב 𝑉 → 𝑉 𝑇: 120/901/2/ הגדרה :הגרעין של ההעתקה- הגרעין של ההעתקה מסומן 𝑇𝑟𝑒𝑘 אוסף כל הווקטורים שנכנסים לההעתקה ונותנים את ווקטור האפס ,נקראים הגרעין של ההעתקה. כיצד מוצאים גרעין של ההעתקה .2נפתח את ההעתקה לצורה ) , , ( = )𝑧 𝑇(𝑥, 𝑦, .1נשווה את ההעתקה לאפס ) = ⃗0 נרשום מערכת משוואות הומוגנית נבנה מטריצה ונדרג אם ההעתקה מכילה פרמטרים ,אז: במקום דירוג מבצעים דטרמיננטה למטריצה המצומצת בודקים מתי הדטרמיננטה שונה מאפס מוצאים את ערכי הפרמטרים שעבורם הדטרמיננטה שונה מאפס כאשר דטרמיננטה שונה מאפס למערכת קיים פתרון יחיד הפתרון היחיד במקרה של הגרעין הוא פתרון האפס כי זה מערכת הומוגנית ולכן ישר רושמים שהגרעין הוא }𝑘𝑒𝑟𝑇 = {0 לאחר דירוג נרשום את מערכת המשוואות בצורה ווקטורית הווקטרים שקיבלנו הם הווקטורים שנמצאים בגרעין של ההעתקה , ./ .4 .5 .6 , ( הגדרה :המימד של הגרעין- המימד של הגרעין מסומן 𝑇𝑙𝑙𝑢𝑛 ונקרא האיפוס של ההעתקה. 𝑇𝑙𝑙𝑢𝑛 = }𝑇𝑟𝑒𝑘{𝑚𝑖𝑑 המימד של הגרעין הוא בעצם מספר הווקטורים שנמצאים ב𝑛𝑎𝑝𝑠 של הגרעין 𝑇𝑟𝑒𝑘 למשל })𝑘𝑒𝑟𝑇 = 𝑠𝑝𝑎𝑛{(1, −1 זה אומר שכל הצירופים (כפולות) של ) (1, −1הם ווקטורים שכאשר נפעיל עליהם העתקה נקבל את ווקטור האפס. המימד הוא 2 120/901/2/ הגדרה :התמונה של ההעתקה- תמונה של ההעתקה מסמנים 𝑇𝑚𝐼 כיצד מוצאים את התמונה של ההעתקה (הבסיס של ) imT .2נפעיל את ההעתקה על כל אחד מווקטורי הבסיס (הבסיס של המרחב ממנו יוצאים) ונקבל ווקטורים חדשים הווקטורים החדשים פורשים את מרחב התמונה .1נבדוק האם הווקטורים החדשים הם בלתי תלויים ליניארית .aנרשום אותם בתור שורות במטריצה .bנדרג את המטריצה .cהשורות שנשארו לאחר הדירוג הם ווקטורים בלתי תלויים לינארית ,ולכן מהווים את התמונה של ההעתקה (נקרא גם הבסיס של )imT הגדרה :הדרגה של ההעתקה- הדרגה של מטריצת המקדמים היא הדרגה של ההעתקה כיצד מוצאים דרגה של העתקה .2בונים מטריצת מקדמים מהעתקה הנתונה .1מדרגים את מטריצת המקדמים ./הדרגה של מטריצת המקדמים = לדרגה של ההעתקה הגדרה :המימד של התמונה- המימד של התמונה מסומן }𝑇𝑚𝐼{𝑚𝑖𝑑 המימד של התמונה שווה לדרגה של ההעתקה 𝑇𝑘𝑛𝑎𝑟 = )𝑇𝑚𝑖(𝑚𝑖𝑑 הגדרה :העתקה ליניארית חד-חד ערכית- העתקה ליניארית 𝑈 → 𝑉 𝑇:תיקרא חד-חד ערכית כאשר לכל שני ווקטורים שונים ב 𝑉 מתאימים שני ווקטורים שונים בU משפט :העתקה ליניארית היא חד-חד ערכית רק אם }𝑘𝑒𝑟𝑇 = {0 (הגרעין של ההעתקה מכיל רק את ווקטור האפס) 120/901/2/ הגדרה :העתקה ליניארית על- העתקה ליניארית על 𝑈 → 𝑉 𝑇:תיקרא על כאשר לכל ווקטור ב Uקיים וקטור מקור בV משפט :העתקה ליניארית היא על רק אם )𝑈(𝑚𝑖𝑑 = )𝑇𝑚𝑖(𝑚𝑖𝑑 הגדרה :איזומורפיזם- העתקה ליניארית תיקרא איזומורפיזם אם היא גם חד-חד ערכית וגם על. 120/901/2/ ייצוג של טרנספורמציות ע"י מטריצות הגדרה :ווקטור קואורדינטות ביחס לבסיס נתון- ווקטור שמייצג את המקדמים של ווקטורי הבסיס הנתון. ווקטור הקואורדינטות מאפשר לכתוב כל ווקטור כלשהוא כצירוף ליניארי של איברי הבסיס נתון. מסמנים את ווקטור הקואורדינטות 𝐵]𝑣[ כאשר ה Bזה הבסיס המסויים שאליו הוא מתייחס. הבסיס נתון בצורה כזו: }) 𝐵 = {𝑣1 , 𝑣2 , 𝑣3 } = {(𝑥1 , 𝑦1 , 𝑧1 ), (𝑥2 , 𝑦2 , 𝑧2 ), (𝑥3 , 𝑦3 , 𝑧3 כיצד בונים ווקטור קוארדינטות? .2כותבים את הווקטורים הנתונית בבסיס בצורת עמודות .1מוסיפים עמודה אחרונה וכותבים בה את עמודת המשתנים 𝑥 𝑥3 )𝑦| 𝑦3 𝑧 𝑧3 𝑥2 𝑦2 𝑧2 𝑥1 (𝑦1 𝑧1 ./מדרגים את המטריצה שבנינו עד שמגיעים מצד שמאל למטריצת יחידה 𝑗𝑖𝑎 0 0 ) 𝑗1 0|𝑎𝑖+1, 𝑗0 1 𝑎𝑖+2, 1 (0 0 .4רושמים את המטריצה שקיבלנו בצורה של ⋯ (𝑥, 𝑦, 𝑧, ⋯ ) = 𝑎𝒊𝑗 ( 𝑣1 ) + 𝑎𝒊+𝟏,𝑗 (𝑣2 ) + 𝑎𝒊+𝟐,𝑗 (𝑣3 ) + שורה ראשונה = 𝑖 עמודה אחרונה = 𝑗 .5קבלנו ווקטור קוארדינטות ביחס לבסיס הנתון ) ⋯ [𝑣]𝐵 = (𝑎𝒊𝑗 , 𝑎𝒊+𝟏,𝑗 , 𝑎𝒊+𝟐,𝑗 , כיצד רושמים ווקטור נתון כווקטור בבסיס רצוי .2 .1 ./ .4 נרשום את הווקטורים שנמצאים בבסיס הרצוי בתור עמודות של מטריצה נרשום את הווקטור הנתון בתור עמודה באגף ימין של המטריצה נדרג את המטריצה עד שנגיע לצורה מדורגת קנונית עמודה שהתקבלה באגף ימין היא הווקטור הנתון בבסיס הרצוי 120/901/2/ הגדרה :מטריצת מעבר מבסיס 𝟏𝑩 לבסיס 𝟐𝑩– מסמנים [𝑀]𝐵𝐵21 כיצד בונים מטריצת מעבר? .2נשתמש בווקטור הקואורדינטות [𝑣]𝐵1ונציב לתוכו את הווקטורים שנמצאים בבסיס 𝐵2 .1לאחר ההצבה נקבל ווקטורים חדשים (ווקטור שורה) ונרשום כל ווקטור בצורת ווקטור עמודה במטריצה דוגמא נרצה לבנות מטריצת מעבר מבסיס 𝐵1לבסיס 𝐵2 נתון הבסיס })𝐵2 = {𝑣1 , 𝑣2 , 𝑣3 } = {(1,0,1), (0,1,1), (0,0,1 נשתמש בווקטור הקוארדינטות שמצאנו מבעוד מועד )𝑧 = (𝑥, 𝑦 − 𝑥 − 𝑧, [𝑣]𝐵1 נציב את הווקטורים שנמצאים בבסיס 𝐵2בתוך ווקטור הקוארדינטות של 𝐵1 )[𝑣1 ]𝐵1 = (𝑥, 𝑦 − 𝑥 − 𝑧, 𝑧) ⟹ [(1,0,1)]𝐵1 = (1,0 − 1 − 1,1) = (1, −2,1 )[𝑣2 ]𝐵1 = (𝑥, 𝑦 − 𝑥 − 𝑧, 𝑧) ⟹ [(0,1,1)]𝐵1 = (0,1 − 0 − 1,1) = (0,0,1 )[𝑣3 ]𝐵1 = (𝑥, 𝑦 − 𝑥 − 𝑧, 𝑧) ⟹ [(0,0,1)]𝐵1 = (0,0 − 0 − 1,1) = (0, −1,1 נרשום את הווקטורים החדשים שקבלנו (מודגש בירוק) במטריצה בתור ווקטורי עמודה ,ונקבל את מטריצת המעבר 0 )−1 1 0 0 1 1 = (−2 1 [𝑀]𝐵𝐵21 120/901/2/ הגדרה :המטריצה שמייצגת את ההעתקה בבסיס 𝐁 – המטריצה המייצגת העתקה מסומנת ) ( = 𝐵]𝑇[ כיצד מוצאים מטריצה שמייצגת העתקה .2 .1 ./ .4 נפעיל את ההעתקה על ווקטורי הבסיס 𝐵 ,ונקבל ווקטורים חדשים בונים ווקטור קואורדינטות ביחס לבסיס 𝐵 את הווקטורים החדשים נציב בווקטור הקוארדינטות ונקבל דנדשים את הווקטורים הדנדשים נרשום בצורת עמודות בתוך מטריצה – המטריצה שבנינו נקראית מטריצה שמייצגת את ההעתקה הגדרה :העתקה הפיכה- העתקה ליניארית נקראית הפיכה רק אם המטריצה המייצגת שלה הפיכה. כיצד בודקים האם העתקה לינארית היא הפיכה .2 .1 ./ .4 בונים מטריצה שמייצגת את ההעתקה מחשבים דטרמיננטה למטריצה המייצגת בודקים עבור אילו ערכים הדרמיננטה שונה מאפס עבור הערכים שהדרמיננטה שונה מאפס ,המטריצה המייצגת הפיכה ולכן ההעתקה הפיכה 120/901/2/ ערכים עצמיים ,ווקטורים עצמיים ,לכסון הגדרה :מטריצה אופיינית- המטריצה המתקבלת ,כאשר מציבים את Aהמטריצה הנתונה בביטוי )המטריצה האופיינית של 𝜆𝐼 − 𝐴 = (A דוגמא 0 1 −2 𝐴=( 1 1 נתונה מטריצה ) 1 −1 −1 1 נציב את המטריצה Aבנוסחא למציאת מטריצה אופיינית: 1 0 0 0 1 −2 0 1 −2 𝜆 0 0 𝜆 −1 2 𝜆𝐼 − 𝐴 = 𝜆 (0 1 0) − ( 1 1 1 ) = (0 𝜆 0) − ( 1 1 ) 1 ) = (−1 𝜆 − 1 −1 0 0 1 −1 −1 1 𝜆 0 0 −1 −1 1 1 1 𝜆−1 מצאנו את המטריצה האופיינית של :A 𝜆 −1 2 ) (−1 𝜆 − 1 −1 1 1 𝜆−1 הגדרה :פולינום אופייני- הפולינום שמתקבל כאשר מבצעים דטרמיננטה למטריצה האופיינית. |𝐴 𝑃(𝜆) = |𝜆𝐼 − הגדרה :ערכים עצמיים- הערכים העצמיים הם השורשים של הפולינום האופייני (משווים את הפולינום האופייני ל /ופותרים) 𝑃(𝜆) = 0 ⇓ 𝑐 = 𝜆3 𝜆2 = 𝑏 , משפטים למטריצה מסדר 𝑛𝑥𝑛 יש לכל היותר 𝑛 ערכים עצמיים עבור מטריצה לא הפיכה (דטרמיננטה שווה אפס) אחד מהערכים העצמיים הוא בוודאות אפס 𝜆1 = 𝑎 , 120/901/2/ הגדרה :ריבוי אלגברי- החזקה שבה נמצא השורש של הפולינום האופייני (מספר הפעמים שהשורש חוזר על עצמו בפולינום האופייני) אם בפולינום האופייני מופיע גורם מהצורה 𝑘)𝑎 , (𝑥 −אז הריבוי האלגברי של הערך העצמי aהוא החזקה K הגדרה :מרחב עצמי- כל ערך עצמי יוצר מרחב עצמי. מרחב עצמי הוא אוסף הווקטורים העצמיים שמתאימים לערך עצמי מסויים. }) ( 𝑠𝑝𝑎𝑛𝜆=𝛼 {( ) , כיצד מוצאים את המרחב עצמי של כל ערך עצמי מסויים נתונה מטריצה לדוגמא 0 )0 𝑎 0 1 𝑎− 𝑎2 𝑎 (=A 𝑎− .2בונים מטריצה אופיינית – כלומר מציבים את המטריצה בנוסחה 𝐴 , 𝜆𝐼 −ופותרים .1מוצאים פולינום אופייני – כלומר מבצעים דטרמיננטה למטריצה האופיינית ./מוצאים ערכים עצמיים – כלומר מוצאים את הערכים של λאשר מאפסים את הפולינום האופייני .4נזכרים במשפט "מטריצה היא לכסינה כאשר כל הערכים העצמיים שלה שונים זה מזה" בודקים עבור אילו ערכים של , aהערכים העצמיים לא שונים כולם ,וקובעים .i שחוץ מה aהאלו עבור כל ה aהאחרים המטריצה אכן לכסינה בודקים בנפרד כל aחריג .ii .iמוצאים את הערכים העצמיים עבור ה aהחריג .iiכותבים ריבוי אלגברי – כמה פעמים הערך העצמי מופיע .iiiמחפשים ריבוי גיאומטרי של כל ערך עצמי מציבים במטריצה האופיינית את הערך העצמי ,ופותרים את .i מערכת המשוואות ההומוגנית המתאימה את מערכת המשוואות כותבים בצורה ווקטורית ,ואז מקבלים .ii את ה spanשל המרחב העצמי 120/901/2/ הגדרה :ריבוי גיאומטרי- לכל ערך עצמי יש מרחב עצמי. הריבוי הגיאומטרי הוא המימד של המרחב העצמי ,כלומר כמות הווקטורים הנמצאים בspan של המרחב העצמי. ≥ 1ריבוי גיאומטרי כאשר הריבוי הגיאומטרי של כל ערך עצמי שווה לריבוי האלגברי המטריצה לכסינה. כיצד מוצאים ריבוי גיאומטרי .2 .1 ./ .4 .5 .6 .7 מוצאים ערכים עצמיים (ע"י בניית מטריצה אופיינית ,מציאת פולינום אופייני, ומציאת השורשים של הפולינום האופייני) מציבים בנפרד כל ערך עצמי במטריצה האופיינית כותבים את מערכת המשוואות ההומוגנית המתאימה פותרים את מערכת המשוואות ההומוגנית (מדרגים) כותבים את מערכת המשוואות שהתקבלה לאחר דירוג ,בכתיב ווקטורי הכתיב הווקטורי הוא ה ( )spanשל המרחב העצמי כל ווקטור ב spanנקרא ווקטור עצמי כמות הווקטורים הנמצאים ב spanזה המימד העצמי כלומר הריבוי הגיאומטרי הגדרה :ווקטורים עצמיים- וקטורים עצמיים אלו הווקטורים שנמצאים ב spanשל המרחב העצמי שיוצר כל ערך עצמי ווקטורים עצמיים ב.ת.ל הם הבסיס של המרחב העצמי. הגדרה :מרחב הפתרונות- מרחב הפתרונות הוא הגרעין של המטריצה. קבוצת כל הווקטורים שפותרים את המשוואה 𝐴𝑥 = 0 120/901/2/ הגדרה :לכסון מטריצות- האם קיימת מטריצה הפיכה Pכך ש 𝐷𝑃 = 𝑃𝐴 ⇓ כאשר Dמטריצה אלכסונית −1 𝑃A = PD כיצד בודקים האם מטריצה היא לכסינה .2 .1 ./ .4 .5 .6 בונים מטריצה אופיינית מוצאים פולינום אופייני מוצאים ערכים עצמיים oאם כל הערכים העצמיים שונים אז המטריצה לכסינה בודקים עבור איזה תנאי כל הערכים העצמיים שונים זה מזה oאם הערכים העצמיים אינם שונים כולם ,אז בודקים עבור כל ערך עצמי האם הריבוי האלגברי שלו שווה לריבוי הגיאומטרי כותבים את הריבוי האלגברי של כל ערך עצמי מוצאים עבור כל ערך עצמי את הריבוי הגיאומטרי במידה ועבור כל ערך עצמי ,הריבוי הגיאומטרי שווה לריבוי האלגברי אז המטריצה לכסינה משפטים לקביעה האם המטריצה ניתנת ללכסון מטריצה ריבועית Aמסדר 𝑛𝑥𝑛 ניתנת ללכסון רק אם קיימים לה 𝑛 ווקטרים עצמיים בלתי תלויים לינארית. מטריצה ריבועית Aלכסינה אם הריבוי הגיאומטרי של כל ערך עצמי שווה לריבוי האלגברי שלו. מטריצה ריבועית Aלכסינה אם כל הערכים העצמיים שלה שונים. 120/901/2/ הגדרה :מטריצות דומות- שתי מטריצות Aו D -יקראו מטריצות דומות אם קיימת מטריצה הפיכה Pכך ש- 𝐷 = 𝑃𝐴 𝑃−1 ⇓ מטריצות דומות מסומנות 𝐷 ∼ 𝐴 AP = PD מציאת מטריצה אלכסונית D מטריצה Dהיא מטריצה אלכסונית שכולה אפסים פרט לאלכסון שעליו נמצאים הערכים העצמיים של המטריצה A לא משנה הסדר של הערכים העצמיים באלכסון (למטריצות דומות יש את אותם ערכים עצמיים) מציאת מטריצה מלכסנת P מטריצה Pהיא מטריצה שעמודותיה הם הווקטורים העצמיים של כל ערך עצמי בהתאם למטריצה D העמודות במטריצה Pחייבות להיות בהתאמה לעמודות במטריצה Dמבחינת הערכים העצמיים נוסחא לחישוב חזקה של מטריצה לכסינה 𝐴𝑛 = 𝑃 ∙ 𝐷𝑛 ∙ 𝑃−1 תכונות של מטריצות דומות למטריצות דומות יש אותה דטרמיננטה למטריצות דומות יש את אותו ( traceסכום איברי האלכסון) למטריצות דומות יש אותו פולינום אופייני למטריצות דומות יש את אותם ערכים עצמיים למטריצות דומות אין את אותם ווקטורים עצמיים למטריצות דומות גם החזקות שלהם דומות למטריצות דומות גם המשוחלפות שלהם דומות למטריצות דומות ,אם הם הפיכות אז ההפיכות שלהם דומות משפטים חשובים סכום הערכים העצמיים = )𝑎(𝑟𝑡 מכפלת הערכים העצמיים = |𝐴| 120/901/2/ כאשר מטריצה לא הפיכה אז הדטרמיננטה לא שווה אפס ולכן חייב שאחד מהערכים העצמיים הוא אפס ווקטורים וגיאומטריה אנליטית במרחב הגדרה :פעולות עם ווקטורים- כפל ווקטור בסקלר ) 𝑧𝑣 𝑣 = (𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , (כופלים כל רכיב בסקלר) ) 𝑧𝑣𝛼 𝛼𝑣 = 𝛼(𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , 𝑣𝑧 ) = (𝛼𝑣𝑥 , 𝛼𝑣𝑦 , חיבור ווקטורים (מחברים כל רכיב בנפרד) ) 𝑧𝑣 𝑣 = (𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , 𝑢 ) 𝑧𝑢 ⃗ = (𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 , 𝑢𝑣+ ) 𝑧𝑢 ⃗ = (𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , 𝑣𝑧 ) + (𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 , 𝑢𝑧 ) = (𝑣𝑥 + 𝑢𝑥 , 𝑣𝑦 + 𝑢𝑦 , 𝑣𝑧 + הגדרה :ווקטור מנורמל- ווקטור מנורמל מסמנים ̂𝑣 (כובע למעלה) ווקטור מנורמל הוא ווקטור בכיוון של הווקטור המקורי ,אבל בגודל 2 )𝛾 = (𝛼, 𝛽, ) 𝑧𝑣 (𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , ) 𝑣𝑧2 + 𝑣𝑦2 + √(𝑣𝑥2 𝑣 = |𝑣| = ̂𝑣 הגדרה :היטל של ווקטור- ההיטל של ווקטור uעל ווקטור v 𝑢 𝑣∙ ⃗ 𝑢(𝑗𝑜𝑟𝑝 = )𝑣 ⃗ , 𝑣∙ |𝑣 |2 120/901/2/ הגדרה :המרחק בין 2ווקטורים- 2 𝑢(𝑑 𝑢| = ) 𝑣 ⃗ , ⃗ − 𝑣 | = |(𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 , 𝑢𝑧 ) − (𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , 𝑣𝑧 )| = |(𝑢𝑥 − 𝑣𝑥 , 𝑢𝑦 − 𝑣𝑦 , 𝑢𝑧 − 𝑣𝑧 )| = √(𝑢𝑥 − 𝑣𝑥 )2 + (𝑢𝑦 − 𝑣𝑦 ) + (𝑢𝑧 − 𝑣𝑧 )2 הגדרה :הזווית בין 2ווקטורים- 𝑎 𝑏 = | 𝑧𝑣 ∙ 𝑧𝑢 |𝑢𝑥 ∙ 𝑣𝑥 + 𝑢𝑦 ∙ 𝑣𝑦 + ) (√𝑢𝑥2 + 𝑢𝑦2 + 𝑢𝑧2 ) (√𝑣𝑥2 + 𝑣𝑦2 + 𝑣𝑧2 = |) 𝑧𝑣 |(𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 , 𝑢𝑧 )(𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , ) (√𝑢𝑥2 + 𝑢𝑦2 + 𝑢𝑧2 ) (√𝑣𝑥2 + 𝑣𝑦2 + 𝑣𝑧2 𝑢(| |) 𝑣() ⃗ = |𝑣||𝑢| 𝑎 ) ( 𝛼 = 𝑐𝑜𝑠 −1 𝑏 הגדרה :ווקטורים מאונכים- ווקטורים מאונכים זה לזה כאשר המכפלה הסקלרית בינהים נותנת אפס 𝑢 𝑢⇒𝑣⊥ ⃗ ⃗ ∙𝑣 =0 𝑢𝑥 ∙ 𝑣𝑥 + 𝑢𝑦 ∙ 𝑣𝑦 + 𝑢𝑧 ∙ 𝑣𝑧 = 0 = 𝛼𝑠𝑜𝑐 120/901/2/ הגדרה :הצגה פרמטרית של ישר- 𝑢 = )𝑧 (𝑥, 𝑦, 𝑣𝑡 ⃗ + ווקטור שמונח כולו על הישר מלמד גם על הכיוון של הישר ווקטור שנמצא בראשית הצירים וסופו בנקודה כלשהיא ע"ג הישר דוגמא נתונות קוארדינטות (נקודות במרחב) )A(1,1,0 )𝐵(0,1, −2 הישר העובר דרך הנקודות )⃗⃗⃗⃗⃗ = (1,1,0) + 𝑡(𝐵 − 𝐴) = (1,1,0) + 𝑡(−1,0, −2 𝐵𝐴𝑡 𝑙1 : (𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝐴 + הגדרה :הצגה קרטזית של ישר- 𝑥𝑣𝑡 = 𝑢𝑥 + } 𝑦𝑣𝑡 = 𝑢𝑦 + 𝑧𝑣𝑡 = 𝑢𝑧 + הצגה בעזרת קואורדינטות כיצד עוברים מהצגה פרמטרית של ישר להצגה קרטזית .2כאשר הישר כתוב בהצגה פרמטרית באגף שמאל מופיע ווקטור המשתנים )𝑧 , (𝑥, 𝑦,לעיתים מסומן ̅𝑥 באגף ימין מחברים את הווקטורים באופן קרטזי דוגמא נתון ישר בהצגה פרמטרית נפתח סוגריים באגף ימין ,ונפריד בין כל רכיב נרשום בצורת שורה או בצורת משוואות 𝑥 2 −1 ) (𝑦) = (−1) + 𝑡 ( 0 𝑧 1 1 𝑥 𝑡2− ) (𝑦) = ( −1 𝑧 𝑡1+ )𝑡 (𝑥, 𝑦, 𝑧) = (2 − 𝑡, −1,1 + 𝑥 𝑦 { 𝑧 120/901/2/ הגדרה :מרחק מנקודה לישר- 𝑡2− } −1 𝑡1+ = = = המרחק מנקודה לישר הוא המרחק הקצר ביותר ולכן הוא המרחק של האנך בין הנקודה לישר כיצד מוצאים מרחק מנקודה לישר 𝑢 = )𝑧 (𝑥, 𝑦, .2נמצא את משוואת הישר ,נרשום אותה בצורה פרמטרית 𝑣𝑡 ⃗ + .1נסמן את הנקודה שאנו מעוניינים למצוא את מרחקה מהישר בתור נקודה A (הקואורדינטות של הנקודה ידועות) ./נרשום נקודה כללית ע"ג הישר ,מהצורה ) 𝑧𝑣𝑡 𝑃(𝑢𝑥 + 𝑡𝑣𝑥 , 𝑢𝑦 + 𝑡𝑣𝑦 , 𝑢𝑧 + ⃗⃗⃗⃗⃗ .4נרשום את הווקטור בין הנקודה Aלבין הישר כלומר ווקטור )𝐴 𝐴𝑃 = (𝑃 − ⃗⃗⃗⃗⃗ לבין הכיוון של הישר (הכיוון של .5נדרוש שהמכפלה הסקלרית בין הווקטור 𝑃𝐴 הישר זה ווקטור 𝑣) תהיה אפס .6נפתור את המשוואה ונמצא את t .7נציב את tבווקטור ונחשב את האורך של הווקטור 𝑥 𝑦{ 𝑧 120/901/2/ מצב גיאומטרי בין ישרים- 1ישרים יכולים להיות מקבילים או מצטלבים או מתלכדים או נחתכים כיצד בודקים את המצב ההדדי בין 1ישרים .2רושמים את 1הישרים בהצגה קואורדינטית .1משווים בין המשוואות של הישרים ./פותרים את מערכת המשוואות אם התקבל שלמערכת יש פתרון יחיד אז הישרים נחתכים .i אם התקבל שלמערכת יש אינסוף פתרונות אז הישרים מתלכדים .ii אם התקבל שלמערכת אין פתרון אז הישרים מקבילים או מצטלבים .iii .iנבדוק האם הם מצטלבים או מקבילים ע"י בדיקת ווקטורי הכיוון של היישרים – אם האחד הוא כפולה של האחר אז הישרים מקבילים, במידה ולא אז הישרים מצטלבים מצב גיאומטרי בין ישר למישור- המצב ההדדי בין ישר למישור יכול להיות שהישר מקביל למישור או חותך את המישור או מוכל במישור כיצד בודקים את המצב הדדי בין ישר למישור .2נבחר נקודה כללית על הישר .1נציב את הנקודה הכללית במשוואות המישור ./נקבל מערכת משוואות אם נקבל שלמערכת יש פתרון יחיד אז הישר חותך את המישור .i אם נקבל שלמערכת יש אינסוף פתרונות אז הישר מוכל במישור .ii אם נקבל שלמערכת אין פתרונות אז הישר מקביל למישור .iii מצב גיאומטרי בין מישור למישור- מישורים יכולים להיות מקבילים או מתלכדים או נחתכים 120/901/2/ הגדרה :הצגה פרמטרית של מישור- הצגה שבה המישור מיוצג על ידי אוסף כל הנקודות שעליו 𝑢 = )𝑧 (𝑥, 𝑦, 𝑤𝑠 ⃗ + 𝑡𝑣 + ⃗⃗ 𝐶𝐴𝑠 ⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐵𝐴𝑡 (𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝐴 + 𝑤 𝑣 ,פורשים את המישור הווקטורים ⃗⃗ הגדרה :הצגה אלגברית של מישור- נקרא גם משוואת המישור. 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐𝑧 + 𝑑 = 0 )𝑐 ( 𝑎, 𝑏,זה כיוון הווקטור המאונך למישור לכן אם נתון ווקטור שמאונך למישור אז בקלות נוכל לרשום את משוואת המישור בהצגה אלגברית כיצד עוברים מהצגה פרמטרית להצגה אלגברית .2נתונה הצגה פרמטרית של המישור (ואם לא נתונה אז מוצאים אותה) ולכן 𝑤𝑣 , ידועים לנו הווקטורים ⃗⃗ 𝑤 𝑣 ,פורשים את המישור ולכן כל ווקטור שמאונך למישור .1ידוע לנו שהווקטורים ⃗⃗ 𝑤𝑣 , הוא מאונך לשני הווקטורים ⃗⃗ ./מכפלה סקלרית בין ווקטורים מאונכים נותנת אפס ,ולכן נוכל לבנות 1משוואות (𝑎, 𝑏, 𝑐) ∙ (𝑣 ) = 0 { } 𝑤( ∙ )𝑐 (𝑎, 𝑏, ⃗⃗ ) = 0 .4קיבלנו 1משוואות עם /נעלמים ,ולכן ישנם אינסוף פתרונות .5נפתור את המשוואות .6נחליט על נעלם אחד שרירותית ונסמן אותו בתור סקלר מסויים .7נמצא את שאר הנעלמים האחרים לפי המשוואות שקיבלנו .8מצאנו את )𝑐 (𝑎, 𝑏,עבור סקלר שרירותי שבחרנו .9נותר רק למצוא את , dולכן נציב במקום )𝑧 (𝑥, 𝑦,נקודה מסויימת שקיימת על המישור ,נקבל משוואה עם נעלם אחד .2/נפתור את המשוואה ונקבל את d .22נרשום את משוואת המישור עם a,b,c,dשמצאנו 120/901/2/ מכפלה פנימית הגדרה :מכפלה פנימית מעל הממשיים- מכפלה פנימית מעל הממשיים היא פונקציה המתאימה לכל זוג ווקטורים 𝑣 𝑢,מספר ממשי. המכפלה מסומנת 〉𝑣 〈𝑢, תכונות מכפלה פנימית מעל הממשיים .2 .1 ./ .4 סמטריה 〉𝑢 〈𝑢, 𝑣〉 = 〈𝑣, הומוגניות במקום הראשון 〉𝑣 〈𝛼𝑢, 𝑣〉 = 𝛼〈𝑢, לינאריות המקום הראשון 〉𝑣 〈𝑢1 + 𝑢2 , 𝑣〉 = 〈𝑢1 , 𝑣〉 + 〈𝑢2 , 𝑢 חיוביות :לכל uמתקיים 〈𝑢, 𝑣〉 ≥ 0כאשר שיווין לאפס מתקיים רק כאשר ⃗ = 0 דוגמאות למכפלה פנימית 3 מכפלה פנימית סטנדרטית מעל ℝהיא המכפלה הסקלרית 〈(𝑢1 , 𝑢2 , 𝑢3 ), (𝑣1 , 𝑣2 , 𝑣3 )〉 = 𝑢1 𝑣1 + 𝑢2 𝑣2 + 𝑢3 𝑣3 𝑛 מכפלה פנימית סטנדרטית מעל ℝ 𝑦 ∙ 𝑇 𝑥 = 〉𝑦 〈𝑥, מכפלה פנימית סטנדרטית מעל הפולינומים )𝑃𝑛 (ℝ 1 𝑥𝑑 ∙ )𝑥(𝑄 ∙ )𝑥(𝑃 ∫ = 〉)𝑥(𝑄 〈𝑃(𝑥), −1 o הערה :הגבולות 2 , -1הם הגבולות הסטנדרטיים צורה נוספת: 𝑏 𝑥𝑑 ∙ )𝑥(𝑄 ∙ )𝑥(𝑃 ∙ )𝑥(𝑊 ∫ = 〉)𝑥(𝑄 〈𝑃(𝑥), 𝑎 120/901/2/ מכפלה פנימית סטנדרטית מעל הפולינומים )𝑃𝑛 (ℂ 1 𝑥𝑑 ∙ ̅̅̅̅̅̅̅ )𝑥(𝑄 ∙ )𝑥(𝑃 ∫ = 〉)𝑥(𝑄 〈𝑃(𝑥), −1 הגדרה :נורמה של ווקטור (גודל) – הנורמה של הווקטור מסומן ‖𝑢‖ ,ומוגדר: 𝑢〈√ = ‖𝑢‖ 𝑢⃗ , 〉⃗ כלומר השורש של מכפלה פנימית של הווקטור בעצמו תכונות ( ‖𝑢‖ ≥ 0הנורמה של הווקטור תמיד חיובי ,ושווה אפס רק כאשר ) u=0 דוגמא 2 נורמה של ווקטור ב , ℝעם המכפלה הפנימית הסטנדרטית ‖𝑥, 𝑦‖ = √〈(𝑥, 𝑦), (𝑥, 𝑦)〉 = √𝑥 2 + 𝑦 2 הגדרה :ווקטור יחידה- ווקטור שהנורמה שלו שווה .2 הגדרה :ווקטורים אורתוגונלים- ווקטורים 𝑣 𝑢,נקראים אורתוגונלים כאשר המכפלה הפנימית בינהם נותנת אפס 〈𝑢, 𝑣〉 = 0 הערה :כאשר המכפלה הפנימית שווה אפס ,הווקטורים ניצבים. 120/901/2/ קבוצה אורתוגונלית קבוצת ווקטורים ) 𝑛𝑢 (𝑢1 , 𝑢2 , ⋯ ,שהמכפלה הפנימית בין כל שני ווקטורים לא זהים נותנת אפס 〈𝑢𝑖 , 𝑢𝑗 〉 = 0 𝑗≠𝑖 קבוצה אורתונורמלית קבוצת ווקטורים ) 𝑛𝑢 (𝑢1 , 𝑢2 , ⋯ ,שהמכפלה הפנימית בין כל שני ווקטורים לא זהים נונתת אפס ובנוסף הנורמה (גודל) של כל ווקטור הוא 2 תכונות של קבוצה אורתוגונלית קבוצת ווקטורים אורתוגונלית של כוללת את ווקטור האפס היא קבוצה בלתי תלויה לינארית הגדרה :תהליך גרהם-שמידט- תהליך ליצירת בסיס אורתוגונלי מבסיס נתון ) 𝑛𝑢 (𝑢1 , 𝑢2 , ⋯ , 𝑣1 = 𝑢1 〉 〈𝑢2 , 𝑣1 ∙ 𝑣1 ‖𝑣1 ‖2 𝑣2 = 𝑢2 − 〉 〈𝑢3 , 𝑣1 〉 〈𝑢3 , 𝑣2 ∙ 𝑣1 − ∙ 𝑣2 2 ‖ ‖𝑣1 ‖𝑣2 ‖2 𝑣3 = 𝑢3 − נוסחא: 〉 𝑘𝑣 〈𝑢𝑛 , 𝑘𝑣 ∙ ‖𝑣𝑘 ‖2 𝑛−1 ∑ 𝑣𝑛 = 𝑢𝑛 − 𝑘=1