background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

ZADANIA  -   Seria 7 

 

1.  Uzasadnić na przykładzie podanej macierzy, że dwa poniższe zagadnienia nie są równoważne: 
         1.  Wyznaczenie powłoki liniowej ( ustalenie bazy ) rozpiętej przez      
               wektory kolumnowe macierzy metodą operacji elementarnych. 
         2.  Wybranie maksymalnego układu wektorów liniowo niezależnych  
              spośród wektorów kolumnowych macierzy metodą wyznacznikową   
             ( maksymalny minor różny od zera ). 

  

0

0

1

2

1

1

1

1

1

0

0

0

1

2

1

1

2

1

0

1

 

 

2.  Wyznaczyć macierz odwrotną do podanej macierzy 

A

, korzystając ze wzoru na macierz   

     dopełnień. Rozwiązać układ równań liniowych postaci  

b

Ax

, gdzie  

                        

a

a

a

a

A

1

1

1

1

1

      ,       

1

2

1

b

      

      korzystając z postaci macierzy odwrotnej oraz ze wzorów Cramera. 

3.  Obliczyć wyznaczniki: 

                

        a)    

1

1

1

4

1

1

4

1

1

4

1

1

4

1

1

1

         b)   

a

b

b

b

b

a

b

b

b

b

a

b

b

b

b

a

       c)    

4

3

2

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

a

a

a

a

 

4.  Wykazać, korzystając z postaci wyznacznika Vandermonde’a  

                       

1

1

1

1

1

)

(

)

(

1

1

)

,

...

,

(

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

V

 

       że wielomiany:  

1

,

...

,

1

,

0

,

n

i

x

w

i

i

 są liniowo niezależne. 

5.  Niech 

)

...

(

1

n

a

a

oznacza wyznacznik z macierzy o elementach:  

i

ii

a

a

 , 

1

1

,

i

i

a

,  

1

,

1

i

i

a

, pozostałe 

0

,

j

i

a

,  

n

i

,...,

1

  ( patrz zadanie 3c , gdzie 

4

n

). Wykazać, 

że            ułamek łańcuchowy związany jest następującym wzorem z wyznacznikami 
typu 

)

...

(

1

n

a

a

     

                                         

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

1

1

1

)

...

(

)

...

(

3

2

1

2

1

 

6.   Kładąc w macierzy z zadania 5  

1

ii

a

, otrzymuje się wyznacznik oznaczony symbolem 

n

)

1

...

1

(

 

      Niech 

n

 oznaczają kolejne wyrazy ciągu Fibonacciego, zdefiniowanego następująco:          

                          

1

,

1

,

1

1

2

2

1

n

dla

c

c

c

c

c

n

n

n

 

      Wykazać, że         
                                           

n

n

c

)

1

...

1

(

1

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 7 – Uwagi, szkice rozwiązań  

 

1.  Po dokonaniu dostatecznej ilości operacji elementarnych na kolumnach macierzy uzyskujemy 

maksymalny układ k wektorów kolumnowych, liniowo niezależnych, rozpinających powłokę 
liniową, ale te wektory są w ogólności kombinacjami liniowymi wektorów kolumnowych 
macierzy. Ich pozycje w przekształconej macierzy nie mówią, które z wyjściowych wektorów 
kolumnowych macierzy są liniowo niezależne.  
Jeśli natomiast znajdziemy największy minor, rzędu k różny od zera to kolumny, z których ten 
minor jest zbudowany tworzą zawsze układ wektorów liniowo niezależny. 
 
1.   
     

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

2

0

0

1

2

0

1

0

0

1

0

0

0

1

2

0

0

1

0

0

1

0

0

1

2

1

1

0

0

1

0

0

0

1

2

1

0

1

0

0

1

0

0

1

2

1

1

0

0

1

0

0

0

1

2

1

1

1

0

0

1

0

0

1

2

1

1

1

0

1

0

0

0

1

2

1

1

2

0

0

1

0

0

1

2

1

1

1

1

1

0

0

0

1

2

1

1

2

1

0

1

II

V

K

I

IV

K

III

II

K

III

I

K

IV

V

K

V

IV

K

V

III

K

 

 

Wymiar powłoki liniowej rozpiętej przez wektory kolumnowe wyjściowej macierzy 

A

 

wynosi więc 3. Tymczasem jej  trzy pierwsze kolumny są liniowo zależne  

                        

2

,

.

1

,

.

3

,

.

A

A

A

 

2.  Maksymalny minor różny od zera można utworzyć np. wykreślając drugi wiersz oraz drugą                             
     i czwartą kolumnę 

                                       

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

 

  Maksymalny układ wektorów liniowo niezależnych mogą tworzyć kolumny:                        
                                  
                                 

5

,

.

3

,

.

1

,

.

,

,

A

A

A

 

 

2.   Niech 

ij

a

 oznaczają elementy macierzy

,

A

 natomiast 

ij

d

 elementy macierzy dołączonej 

D

A

 . 

Rozwiniecie Laplace’a wyznacznika 

A

det

 względem  j-tej kolumny określa elementy macierzy 

D

A

:                                  

n

i

ji

ij

d

a

A

1

det

 . 

Korzystając ze wzoru  

D

A

A

A

det

1

1

  obliczamy kolejne elementy macierzy odwrotnej.                            

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 7 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

 

        

)

1

(

2

1

1

1

2

0

1

0

1

1

2

1

1

1

1

1

1

det

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

A

                                                   

 

       

1

1

1

1

11

a

a

d

   ,    

0

1

1

12

a

a

d

    ,           

a

a

d

1

1

1

1

13

 

 

       

0

1

1

21

a

a

d

   ,   

2

22

2a

a

a

a

a

d

    ,     

a

a

a

d

2

1

1

23

 

       

1

1

1

1

31

a

a

d

   ,   

a

a

a

d

2

1

1

32

   ,    

1

1

1

1

33

a

a

d

 

Stąd      

1

2

1

2

2

0

1

0

1

)

1

(

2

1

2

1

a

a

a

a

a

a

a

a

a

A

 

Rozwiązanie układu równań ( macierz odwrotna ): 

Jeśli    

b

Ax

     to      

b

A

x

1

 . Stąd   

        

1

)

1

2

(

0

1

1

1

2

1

1

2

1

2

2

0

1

0

1

)

1

(

2

1

2

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

x

 

 

Rozwiązanie układu równań ( wzory Cramera ):    

 

Niech  

)

,

...

,

,

det(

2

1

n

v

v

v

 oznacza wyznacznik macierzy, której kolumny tworzą wektory 

n

v

v

v

,

...

,

,

2

1

.  Niech  

n

A

A

A

,

.

2

,

.

1

,

.

,

...

,

,

 oznaczają kolumny macierzy

A

  

Jeśli  

0

det

A

 to niejednorodny układ równań liniowych 

b

Ax

 jest typu Cramera, a jego 

rozwiązania przedstawione są wzorami Cramera 

                              

A

A

A

b

A

A

x

n

i

i

i

det

)

,

,...

,

,

,

...

,

det(

,

.

1

,

.

1

,

.

,

1

,

.

 

Stąd    

      

0

1

1

1

1

2

1

1

)

1

(

2

1

1

a

a

a

a

x

  ,   

1

1

2

1

1

2

1

1

)

1

(

2

1

2

a

a

a

a

a

a

a

a

x

  ,  

1

1

1

1

2

1

1

1

1

)

1

(

2

1

3

a

a

a

a

a

x

         czyli         

1

)

1

2

(

0

1

1

a

a

x

 

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 7 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

3.  Obliczyć wyznaczniki: 

        a)  Wyznacznik ten jest szczególnym przypadkiem wyznacznika              

                                

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

n

n

n

n

   

 który sprowadzamy do bardzo prostej postaci wykonując następujące operacje:  

-  do kolumny pierwszej dodajemy wszystkie pozostałe kolumny, 
-  pierwszą kolumnę dodajemy do  wszystkich pozostałych kolumn.  

            

0

0

0

)

1

(

0

0

)

1

(

1

0

)

1

(

0

1

)

1

(

0

0

1

1

1

1

)

1

(

1

1

1

1

1

1

1

1

1

n

n

n

n

n

n

n

n

 

Teraz wystarczy kolejno rozwijać wyznacznik względem ostatniego wiersza      

2

)

1

(

1

1

2

1

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

)(

1

)...(

1

(

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

1

(

0

0

)

1

(

0

)

1

(

0

)

1

(

0

0

)

1

(

1

n

n

n

k

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

k

   W przypadku 

4

n

wyznacznik ten równy jest  

4

5

                

        b)  Wyznacznik ten jest szczególnym przypadkiem wyznacznika              

                                

a

b

b

b

b

a

b

b

b

b

a

b

b

b

b

a

   

 który sprowadzamy do bardzo prostej postaci wykonując następujące operacje:  

-  do kolumny pierwszej dodajemy wszystkie pozostałe kolumny, 
-  pierwszą kolumnę dzielimy przez  

b

n

a

)

1

(

-  pierwszą kolumnę pomnożoną przez 

b

 dodajemy do  wszystkich pozostałych kolumn.  

Po czym wystarczy rozwijać wyznacznik krok po kroku względem pierwszego wiersza:     

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

 

ZADANIA  -   Seria 7 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

1

)

](

)

1

(

[

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

]

)

1

(

[

1

1

1

1

]

)

1

(

[

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

n

b

a

b

n

a

b

a

b

a

b

a

b

n

a

a

b

b

b

a

b

b

b

a

b

b

b

b

n

a

a

b

b

b

n

a

b

a

b

b

n

a

b

b

a

b

n

a

b

b

b

b

n

a

a

b

b

b

b

a

b

b

b

b

a

b

b

b

b

a

 

 W przypadku 

4

n

wyznacznik ten równy jest  

3

)

)(

3

(

b

a

b

a

 
 

c)  Wyznacznik ten jest szczególnym przypadkiem wyznacznika              

                                

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

)

...

(

1

2

1

2

1

   

Wykonując następujące operacje:        -  rozwinięcie względem ostatniej kolumny,  

                                                       -  rozwinięcie względem ostatniego wiersza  

)

...

(

)

...

(

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

2

2

1

1

2

1

2

2

1

1

2

2

1

n

n

n

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

otrzymuje się relację rekurencyjną (będzie ona wykorzystana w zadaniu 6 ); 

                                       

)

...

(

)

...

(

)

...

(

2

2

1

1

2

1

2

1

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

                     (**) 

przy czym:        

1

1

)

(

a

a

    ,    

1

)

(

1

2

2

1

a

a

a

a

 

Stąd w przypadku 

4

n

 

                     

1

)

(

)]

(

)

(

[

)

(

)

(

)

(

1

2

1

4

3

4

1

2

3

4

2

1

1

2

1

3

4

2

1

3

2

1

4

4

3

2

1

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 
 

ZADANIA  -   Seria 7 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

Na potrzeby zadania 5 wyprowadzimy inną relację rekurencyjną, wykonując tym razem 
następujące operacje:        -  rozwinięcie względem pierwszej kolumny,  

                                                    -  rozwinięcie względem pierwszego wiersza  

)

...

(

)

...

(

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

)

...

(

4

3

3

2

1

1

3

1

3

2

1

2

1

n

n

n

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

 

Stąd             

)

...

(

)

...

(

)

...

(

4

3

3

2

1

2

1

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

                     ( * ) 

przy czym:        

n

n

a

a

)

(

    ,    

1

)

(

1

1

n

n

n

n

a

a

a

a

 

4.  Wyprowadzenie wzoru na wyznacznik Vandermonde’a  ( nie obliczenie ) w oparciu o:  

      właściwości wyznacznika, podstawowe twierdzenie algebry oraz krok indukcyjny. 

Rozwijając wyznacznik        

1

1

1

1

1

)

(

)

(

1

1

)

,

...

,

(

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

V

 

względem ostatniego wiersza otrzymuje się wielomian n-1 stopnia zmiennej 

n

x

. Pierwiastkami 

tego wielomianu są liczby

1

,...,

2

,

1

,

n

i

x

i

, bowiem jeśli w miejsce 

n

x

 podstawić dowolną 

liczbę 

1

,...,

2

,

1

,

n

i

x

i

, to dwa wiersze są równe i    

0

)

...,

,

,

...

,

(

1

i

i

n

x

x

x

V

. Współczynnik 

przy 

1

n

n

x

 wynosi   

)

,

...

,

(

1

1

1

n

n

x

x

V

. Stąd oraz z podstawowego twierdzenia algebry wynika 

następująca relacja rekurencyjna 

                          

)

(

)

)(

,

...

,

(

)

,

...

,

(

1

1

1

1

1

1

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

V

x

x

V

 

Stąd przez indukcję otrzymuje się  

                              

n

j

k

j

j

k

n

n

x

x

x

x

V

,

)

1

(

)

,

...

,

(

 

Dowód liniowej  niezależności wielomianów  

1

,

...

,

1

,

0

,

n

i

x

w

i

i

 w przestrzeni  

]

[

n

R

Układ wektorów 

n

v

...

,

1

 w przestrzeni liniowej nad ciałem R jest liniowo niezależny jeśli dla 

dowolnych 

R

n

...

,

1

,  z faktu     

0

...

1

1

n

n

v

v

   wynika, że  

0

...

1

n

 . 

Niech    

0

...

1

1

0

n

n

x

a

x

a

a

  , dla  

R

a

i

 tożsamościowo dla dowolnych 

x

 . 

Wstawiając kolejno za 

x

 w tym równaniu 

n

 różnych liczb 

n

x

x

,

...

,

1

otrzymuje się układ równań 

liniowych jednorodnych  

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 
 
 

ZADANIA  -   Seria 7 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

                                             

0

...

...

0

...

0

...

1

1

0

2

1

2

1

0

1

1

1

1

0

n

n

n

n

n

x

a

x

a

a

x

a

x

a

a

x

a

x

a

a

 

Układ ten posiada jedynie zerowe rozwiązania ponieważ wyznacznik macierzy tego układu 
(wyznacznik Vandermonde’a )  jest w tym przypadku różny od zera. 

 

6.  Relacja rekurencyjna ( * ) uzyskana w zadaniu 3c jest spełniona dla dowolnego ciągu liczb  

n

k

k

a

a

a

,

...

,

,

1

   ,    

2

,

...

,

2

,

1

n

k

 : 

          

)

...

(

)

...

(

)

...

(

3

2

2

1

1

n

k

k

n

k

k

k

n

k

k

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

 

przy czym:        

n

n

a

a

)

(

    ,    

1

)

(

1

1

n

n

n

n

a

a

a

a

 
Korzystając w każdym kroku przekształceń z tej relacji, otrzymujemy kolejno: 
 

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

1

1

1

)

...

(

)

...

(

1

1

)

...

(

)

...

(

1

)

...

(

)

...

(

)

...

(

)

...

(

3

2

1

4

3

2

1

3

2

1

2

3

1

2

1

 

 

7.  Kładąc w macierzy z zadania 5  

1

ii

a

, otrzymuje się wyznacznik oznaczony symbolem     

n

)

1

...

1

(

, dla którego relacja rekurencyjna  ( ** ) uzyskana w zadaniu 3c sprowadza się do postaci  

                                       

)

...

(

)

...

(

)

...

(

2

2

1

1

2

1

2

1

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

                     (**) 

przy czym:        

1

)

(

1

a

    ,    

1

1

)

(

2

1

a

a

 

 
czyli  

1

)

1

(

1

   ,    

2

)

11

(

2

  ,    

2

1

)

1

...

1

(

)

1

...

1

(

)

1

...

1

(

n

n

n

 

 

      Wynika stąd, że ciąg 

n

c

określony następująco: 

1

1

c

,  

n

n

c

)

1

...

1

(

1

 jest ciągiem Fibonacciego, 

zdefiniowanym następująco:          

                          

1

,

1

,

1

1

2

2

1

n

dla

c

c

c

c

c

n

n

n