ÊåöÜëáéï 3 ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ. 3.1 ÅéóáãùãÞ

Transcript

1 28

2 ÊåöÜëáéï 3 ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ 3.1 ÅéóáãùãÞ Ãéá êüèå ôåôñáãùíéêü ðßíáêá A áíôéóôïé åß Ýíáò ðñáãìáôéêüò áñéèìüò ï ïðïßïò êáëåßôáé ïñßæïõóá êáé óõíþèùò óõìâïëßæåôáé ìå A Þ det(a). ÌåôáèÝóåéò: Ìéá áðåéêüíéóç ôïõ óõíüëïõ {1, 2, 3,, n} ðüíù óôïí åáõôü ôïõ ç ïðïßá åßíáé Ýíá ðñïò Ýíá êáëåßôáé ìåôüèåóç. Ãéá ðáñüäåéãìá, ôï óýíïëï {1, 2, 3} Ý åé ôéò åîþò ìåôáèýóåéò: 123, 132, 213, 231, 312, 321. Ãéá êüèå óýíïëï ìå n óôïé åßá õðüñ ïõí n! ìåôáèýóåéò. ËÝìå üôé äýï óôïé åßá ôçò ìåôüèåóçò ðáñïõóéüæïõí ðáñüâáóç áí ï ìåãáëýôåñïò áñéèìüò âñßóêåôáé óôá áñéóôåñü ôïõ ìéêñüôåñïõ. Áí ï áñéèìüò ôùí ðáñáâüóåùí åßíáé Üñôéïò ëýìå üôé ç ðáñüâáóç åßíáé Üñôéá, åíþ áí ï áñéèìüò ôùí ðáñáâüóåùí åßíáé ðåñéôôüò ëýìå üôé ç ðáñüâáóç åßíáé ðåñéôôþ. Ãéá ðáñüäåéãìá, ç ìåôüèåóç ðáñïõóéüæåé 6 ðáñáâüóåéò: (3, 1), (3, 2), (5, 1), (5, 4), (5, 2) (4, 2). ñá ç ìåôüèåóç åßíáé Üñôéá. 29

3 30 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ Ïñßæïõóá n-óôþò ôüîçò: óôù üôé Ý ïõìå ôïí ôåôñáãùíéêü ðßíáêá A = a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n a n1 a n2 a nn êáé ôçí áíôßóôïé ç ôïõ ïñßæïõóá det(a) = a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n a n1 a n2 a nn Ç ôéìþ (Þ áíüðôõãìá) ôçò ïñßæïõóáò åßíáé ßóç ìå ôï Üèñïéóìá üëùí ôùí ãéíïìýíùí ôùí n óôïé åßùí ðïõ ìðïñïýí íá ó çìáôéóôïýí ìå üëïõò ôïõò äõíáôïýò ôñüðïõò Ýôóé þóôå íá áíþêïõí óå äéáöïñåôéêýò ãñáììýò êáé óôþëåò. ÊÜèå ãéíüìåíï, ôï ïðïßï êáëåßôáé üñïò ôçò ïñßæïõóáò, Ý åé èåôéêü ðñüóçìï áí ç ìåôüèåóç ôùí äåéêôþí ôùí óôçëþí åßíáé Üñôéá êáé Ý åé áñíçôéêü ðñüóçìï áí ç ìåôüèåóç ôùí äåéêôþí ôùí óôçëþí åßíáé ðåñéôôþ. ÐáñÜäåéãìá: Íá âñåèåß ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò ôñßôçò ôüîçò a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33.

4 3.1. ÅéóáãùãÞ 31 ¼ñïò ÌåôÜèåóç äåéêôþí Áñéèìüò Ðñüóçìï ôùí óôçëþí ðáñáâüóåùí ôïõ üñïõ a 11 a 22 a a 12 a 23 a a 13 a 21 a a 13 a 22 a a 12 a 21 a a 11 a 23 a ÅðïìÝíùò a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32 a 13 a 22 a 31 a 12 a 21 a 33 a 11 a 23 a 32. ÁíÜëïãá ãéá ôçí ïñßæïõóá äåýôåñçò ôüîçò Ý ïõìå det(a) = a 11 a 12 a 21 a 22 = a 11a 22 a 12 a 21. Êáíüíáò ôïõ Sarrus: Åöáñìüæåôáé ìüíï ãéá ïñßæïõóåò ôñßôçò ôüîçò. a 11 a 12 a 13 a 11 a 12 det(a) = a 21 a 22 a 23 a 21 a 22 a 31 a 32 a 33 a 31 a 32 = a 11 a 22 a 33 + a 12 a 23 a 31 + a 13 a 21 a 32 a 13 a 22 a 31 a 12 a 21 a 33 a 11 a 23 a 32 ÐáñÜäåéãìá: Íá âñåèåß ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò ìå ôç ñþóç ôïõ êáíüíá ôïõ Sarrus

5 32 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ 3.2 Éäéüôçôåò ôùí ïñéæïõóþí 1. Áí óå ìéá ïñßæïõóá åìöáíßæåôáé ìçäåíéêþ ãñáììþ (Þ óôþëç), ôüôå ç ôéìþ ôçò åßíáé ßóç ìå ìçäýí. a 1 0 b 1 a 2 0 b 2 a 3 0 b 3 = 0 2. Áí óå ìéá ïñßæïõóá ôá óôïé åßá ôçò ðüíù (Þ êüôù) áðü ôçí êýñéá äéáãþíéï åßíáé üëá ßóá ìå ìçäýí, ôüôå ç ôéìþ ôçò åßíáé ßóç ìå ôï ãéíüìåíï ôùí óôïé åßùí ôçò êýñéáò äéáãùíßïõ. a a 2 a a 4 a 5 a 6 0 a 7 a 8 a 9 a 10 = a 1 a 3 a 6 a Áí ðïëëáðëáóéüóïõìå ìéá ãñáììþ (Þ óôþëç) ìå ìéá óôáèåñü, ôüôå êáé ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò ðïëëáðëáóéüæåôáé ìå ôçí ßäéá óôáèåñü. Ùò óõíýðåéá áõôþò ôçò éäéüôçôáò, áí ìéá ãñáììþ (Þ óôþëç) Ý åé êïéíü

6 3.2. Éäéüôçôåò ôùí ïñéæïõóþí 33 ðáñüãïíôá k, ôüôå ôï k ìðïñåß íá ãñáöåß Ýîù áðü ôçí ïñßæïõóá ùò ðáñüãïíôáò ôçò. ka 1 b 1 c 1 ka 2 b 2 c 2 ka 3 b 3 c 3 = k a 1 b 1 c 1 a 2 b 2 c 2 a 3 b 3 c 3 4. Áí óå ìéá ïñßæïõóá áíôéìåôáèýóïõìå äýï ãñáììýò (Þ äýï óôþëåò), ôüôå ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò áëëüæåé ðñüóçìï a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 = b 1 b 2 b 3 a 1 a 2 a 3 c 1 c 2 c 3 5. Áí óå ìéá ãñáììþ (Þ óôþëç) ðñïóèýóïõìå ìéá Üëëç ãñáììþ (Þ óôþëç) ðïëëáðëáóéáóìýíç ìå óôáèåñü, ôüôå ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò äåí áëëüæåé. a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 = a 1 + λb 1 a 2 + λb 2 a 3 + λb 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 6. Áí ôá óôïé åßá ìéáò ãñáììþò (Þ óôþëçò) åßíáé áèñïßóìáôá n áñéèìþí, ôüôå ç ïñßæïõóá ìðïñåß íá ãñáöåß ùò Üèñïéóìá n ïñéæïõóþí. a 1 + b 1 + c 1 d 1 e 1 a 2 + b 2 + c 2 d 2 e 2 a 3 + b 3 + c 3 d 3 e 3 = a 1 d 1 e 1 a 2 d 2 e 2 a 3 d 3 e 3 + b 1 d 1 e 1 b 2 d 2 e 2 b 3 d 3 e 3 + c 1 d 1 e 1 c 2 d 2 e 2 c 3 d 3 e 3 7. Ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò äåí áëëüæåé áí éï ãñáììýò ãßíïõí óôþëåò êáé ïé óôþëåò ãßíïõí ãñáììýò. a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 = a 1 b 1 c 1 a 2 b 2 c 2 a 3 b 3 c 3

7 34 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ Áðü ôç ôåëåõôáßá éäéüôçôá ðñïêýðôåé üôé det(a T ) = det(a). Åðßóçò éó ýåé ç éäéüôçôá det(ab) = det(a)det(b). ÐáñÜäåéãìá: Íá âñåèåß ôï áíüðôõãìá ôùí ðáñáêüôù ïñéæïõóþí: (i) (ii) (iii) a b c a 2 b 2 c 2 (iv) 1 a a 2 1 b b 2 1 c c 2 (v) (vi)

8 3.3. Õðïëïãéóìüò áíðôýãìáôïò ïñßæïõóáò ìå áðáëïéöþ ôïõ Gauss Õðïëïãéóìüò áíðôýãìáôïò ïñßæïõóáò ìå áðáëïéöþ ôïõ Gauss Ç ìýèïäïò ôïõ Gauss (Gaussian elimination) âáóßæåôáé óôçí éäéüôçôá 2 (äçëáäþ, áí ôá óôïé åßá ôçò ïñßæïõóáò ðüíù (Þ êüôù) áðü ôçí êýñéá äéáãþíéï åßíáé üëá ßóá ìå ìçäýí, ôüôå ç ôéìþ ôçò åßíáé ßóç ìå ôï ãéíüìåíï ôùí óôïé åßùí ôçò êýñéáò äéáãùíßïõ). ÅðïìÝíùò ìå âüóç ôéò õðüëïéðåò éäéüôçôåò (êõñßùò ôùí éäéïôþôùí 4 êáé 5), èá ãñüöïõìå ôçí ïñßæïõóá óôç ìïñöþ üðïõ üëá ôá óôïé åßá êüôù (Þ ðüíù) áðü ôçí êýñéá äéáãþíéï åßíáé ßóá ìå ìçäýí. Áí êáôü ôç äéáäéêáóßá ñçóéìïðïéþóïõìå r áíôéìåôáèýóåéò ãñáììþí, ôüôå ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò åßíáé ßóç ìå det(a) = ( 1) r ãéíüìåíï ôùí óôïé åßùí ôçò êýñéáò äéáãùíßïõ ÐáñÜäåéãìá: Íá õðïëïãéóôåß ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò

9 36 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ ÐáñÜäåéãìá: Íá õðïëïãéóôåß ç ôéìþ ôçò ïñßæïõóáò

10 3.4. ÁíÜðôõãìá ïñßæïõóáò êáôü ôá óôïé åßá ìéáò ãñáììþò Þ óôþëçò ÁíÜðôõãìá ïñßæïõóáò êáôü ôá óôïé åßá ìéáò ãñáììþò Þ óôþëçò ÅëÜóóùí - Áëãåâñéêü óõìðëþñùìá: Áí óå ìéá ïñßæïõóá n-óôçò ôüîçò äéáãñüøïõìå ôç ãñáììþ i êáé ôç óôþëç j, ôüôå ðñïêýðôåé ìéá íýá ïñßæïõóá (n 1) ôüîçò ðïõ êáëåßôáé åëüóóùí ïñßæïõóá ôïõ óôïé åßïõ a ij êáé óõìâïëßæåôáé ìå M ij. Ôï ãéíüìåíï C ij = ( 1) i+j M ij êáëåßôáé áëãåâñéêü óõìðëþñùìá Þ óõíôåëåóôþò ôïõ óôïé åßïõ a ij. ÐáñÜäåéãìá: Ðáñáôçñïýìå üôé éó ýåé C ij = M ij áí (i + j) åßíáé Üñôéïò êáé C ij = M ij áí (i + j) åßíáé ðåñéôôüò.

11 38 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ ÁíÜðôõãìá ôçò ïñßæïõóáò: Ç ôéìþ ìéáò ïñßæïõóáò åßíáé ßóç ìå ôï Üèñïéóìá ôùí ãéíïìýíùí ðïõ ðñïêýðôåé áðü ôïí ðïëëáðëáóéáóìü üëùí ôùí óôïé åßùí ìéáò ãñáììþò (Þ óôþëçò) ìå ôï áíôßóôïé ï ôïõò áëãåâñéêü óõìðëþñùìá. ÐáñÜäåéãìá: Íá õðïëïãéôïõí ïé ôéìýò ôùí ðéï êüôù ïñéæïõóþí: (i) (ii) (iii)

12 3.5. Ôýðïò ôïõ áíôßóôñïöïõ ðßíáêá Ôýðïò ôïõ áíôßóôñïöïõ ðßíáêá Ï ôåôñáãùíéêüò ðßíáêáò A êáëåßôáé ïìáëüò áí det(a) 0 êáé ìçïìáëüò (Þ éäéüæùí) áí det(a) = 0. Èåþñçìá: íáò ôåôñáãùíéêüò ðßíáêáò åßíáé áíôéóôñýøéìïò áí êáé ìüíï áí åßíáé ïìáëüò. Ãéá êüèå áíôéóôñýøéìï ðßíáêá A éó ýåé det(a 1 ) = 1 det(a). Ïñéóìüò: Ï óõìðëçñùìáôéêüò ðßíáêáò ôïõ n n ðßíáêá A ïñßæåôáé ùò C 11 C 21 C n1 C 12 C 22 C n2 adj(a) = C 1n C 2n C nn üðïõ C ij åßíáé ôï áëãåâñéêü óõìðëþñùìá ôïõ óôïé åßïõ a ij. Óçìåßùóç: Ôï óôïé åßï A ij ôïõ ðßíáêá adj(a) âñßóêåôáé óôçí j ãñáììþ êáé óôçí i óôþëç. ÐáñÜäåéãìá: Íá âñåèåß ï óõìðëçñùìáôéêüò ðßíáêáò ôïõ ðßíáêá A =

13 40 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ Ïñéóìüò (ôýðïò ôïõ A 1 ): Áí ï ðßíáêáò A åßíáé áíôéóôñýøéìïò, ôüôå A 1 = 1 det(a) adj(a). ÐáñÜäåéãìá: Íá âñåèåß ï áíôßóôñïöïò ôïõ ðßíáêá A =

14 3.6. Êáíüíáò ôïõ Cramer Êáíüíáò ôïõ Cramer óôù üôé Ý ïõìå ôï ãñáììéêü óýóôçìá ìå n åîéóþóåéò êáé n áãíþóôïõò a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = b 2... a n1 x 1 + a n2 x a nn x n = b n Óõìâïëßæïõìå ìå ôçí ïñßæïõóá a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n = a n1 a n2 a nn êáé ìå i (i = 1, 2, n) ôçí ïñßæïõóá ðïõ ðñïêýðôåé áí áíôéêáôáóôþóïõìå ôç óôþëç i ôçò ìå ôç óôþëç [b 1, b 2,, b n ] T. Ãéá ðáñüäåéãìá, a 11 b 1 a 13 a 1n a 21 b 2 a 23 a 2n 2 =... a n1 b n a n3 a nn Èåþñçìá: Ôï ðéï ðüíù óýóôçìá Ý åé ìïíáäéêþ ëýóç áí êáé ìüíï áí 0. Óå áõôþ ôç ðåñßðôùóç ç ìïíáäéêþ ëýóç åßíáé x 1 = 1, x 2 = 2,, x n = n.

15 42 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ Óôç ðåñßðôùóç üðïõ = 0, ôï óýóôçìá (i) Ý åé Üðåéñåò ëýóåéò áí i = 0 ãéá üëåò ôéò ôéìýò ôïõ i. (ii) åßíáé ìç-óõìâéâáóôü áí i 0 ãéá ôïõëü éóôïí Ýíá i. Óôç ðåñßðôùóç üðïõ ôï óýóôçìá åßíáé ïìïãåíýò (äçëáäþ, b 1 = b 2 = = b n = 0), ôüôå (i) áí 0 ôï óýóôçìá Ý åé ìüíï ôç ìçäåíéêþ ëýóç. (ii) áí = 0 ôï óýóôçìá Ý åé Üðåéñåò ëýóåéò. ÐáñÜäåéãìá: Íá ëõèåß ôï óýóôçìá x 1 + x 2 + x 3 = 0 2x 1 5x 2 3x 3 = 10 4x 1 + 8x 2 + 2x 3 = 4

16 3.6. Êáíüíáò ôïõ Cramer 43 ÐáñÜäåéãìá: Íá ëõèåß ôï óýóôçìá x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 0 x 1 + 2x 2 + x 3 x 4 = 2 x 1 + 3x 2 2x 3 + 2x 4 = 8 2x 1 + x 2 + 3x 3 3x 4 = 10

17 44 ÊåöÜëáéï 3. ÏÑÉÆÏÕÓÅÓ ÐáñÜäåéãìá: Íá âñåèåß ç ôéìþ ôçò óôáèåñüò k ôýôïéá þóôå ôï ðéï êüôù óýóôçìá íá Ý åé ìç ìçäåíéêþ ëýóç. 2x 6y = 0 5x + ky = 0