Egzamin z Algebry, 30 I 2009 godz. 12.00

1. Zadanie wstępne

Nr

Zadanie

Odp.

1

Zapisać w postaci kanonicznej (algebraicznej) liczbę zespoloną z = w + u 1 + 2 i jeżeli

w = 1 + i

u = cos π + i sin π

2

2

Rozwiązanie:

u = i

z = 1 + i + i = 1 + 2 i

2

Obliczyć wyznacznik macierzy D

− 2





0 1 3 1

 1 1 0 0 

D = 







 0 2 2 0 

0 1 2 0

Rozwiązanie:

0 1 3 1

1 3 1

1 1 0 0

2 2

|D| =

= 1 ·( − 1)2+1 2 2 0 = − 1 · 1 ·( − 1)1+3

= − 2

0 2 2 0

1 2

1 2 0

0 1 2 0

Stosujemy rozwinięcia Laplace’a najpierw względem pierwszej kolumny, po-tem względem trzeciej kolumny.

1

3

Obliczyć sinus kąta między wektorami ~u i ~v jeżeli

~u = [1 , 0 , 1] , ~v = [2 , 1 , 2]

3

Rozwiązanie:

~u · ~v

4

4

cos α =

= √

√ = √

|~u| · |~u|

2 ·

9

3 2

s

√

16

1

sin α =

1 − cos2 α =

1 −

=

18

3

Uwaga: kąt między dowolnymi wektorami α ∈< 0 , π > więc sin α ­ 0

h

i

4

Wyznaczyć wersor normalny płaszczyzny 2 x + y + 2 z − 3 = 0

2 , 1 , 2

3 3 3

Rozwiązanie:

Wektor normalny ~n = [2 , 1 , 2]

~n

1

2 1 2

Wersor normalny:

= √ · [2 , 1 , 2] =

, ,

|~n|

9

3 3 3

h

i

Uwaga: Jest jeszcze drugi wersor normalny: − 2 , − 1 , − 2

3

3

3

5

Obliczyć odległość środka sfery S od płaszczyzny xOy jeżeli 1

S : x 2 + y 2 + z 2 + 4 x − 2 z − 10 = 0

Rozwiązanie:

Przekształcamy równanie sfery:

( x + 2)2 − 4 + y 2 + ( z − 1)2 − 1 − 10 = 0

( x + 2)2 + y 2 + ( z − 1)2 = 15

Środek sfery jest w punkcie A( − 2 , 0 , 1) Odległość punktu A od płaszczyzny xOy jest równa d = |zA| = 1

1

2. Obliczyć W ( −i) i następnie znaleźć wszystkie pierwiastki wielomianu: W ( z) = z 4 + z 3 + 2 z 2 + z + 1 , z ∈ C

Rozwiązanie:

W ( −i) = ( −i)4 + ( −i)3 + 2( −i)2 − i + 1 = 1 + i − 2 − i + 1 = 0

Wynika stąd, że z 1 = −i jest pierwiastkiem W ( z) . Ponieważ wielomian ten ma współ-

czynniki rzeczywiste, więc pierwiastkiem tego wielomianu musi też być z 2 = z 1 = i .

Wielomian W dzieli się więc prze: ( z + i)( z − i) = z 2 + 1.

Dzielimy:

z 4 + z 3 + 2 z 2 + z + 1 = ( z 2 + 1)( z 2 + z + 1) Rozwiązujemy równanie:

z 2 + z + 1 = 0

∆ = 1 − 4 = − 3

√

√

∆ = i 3 √

√

− 1 − i 3

− 1 + i 3

z 3 =

, z

2

4 =

2

Odpowiedż:

Pierwiastki wielomianu:

√

√

− 1 − i 3

− 1 + i 3

z 1 = −i , z 2 = i , z 3 =

, z

2

4 =

2

2

3. Znaleźć macierz A spełniającą równanie:









1 2 1 − 1

1









 0 1 2 

· A = A +  0 

1 0 1

1

Rozwiązanie:

Oznaczmy









1 2 1

1

B = 







 0 1 2  , C =  0 

1 0 1

1

Wyznacznik |B| = 1 + 4 − 1 = 4 6= 0 wuęc macierz odwrotna B ∗ − 1 istnieje. Przekształcamy równanie macierzowe:

B− 1 · A = A + C

mnożymy lewostronnie przez B

B · B− 1 · A = B · A + B · C

B · B− 1 = I

A = B · A + B · C

odejmujemy B · A

A − B · A = B · C

wstawiamy macierz jednostkową I

I · A − B · A = B · C

( I − B) · A = B · C

Obliczamy:









0 − 2 − 1

4

I − B = 









0

0 − 2 

, B · C =  2 

− 1

0

0

2

Wiadać, że macierz A ma 3 wiersze i 1 kolumnę:





x

A = 



 y 

z

Powstałe równanie macierzowe możemy traktować jak układ równań. Układ ten rozwiązujemy stosując wzory Crammera.

0 − 2 − 1

4 − 2 − 1

|M| =

0

0 − 2 = − 4 6= 0

, |M

4

0 − 2 = 8

1 | =

− 1

0

0

2

0

0

0 4 − 1

0 − 2 4

|M

2 | =

0 2 − 2 = 4 − 2 = 2

, |M

0

0 2 = 4

3 | =

− 1 2

0

− 1

0 2

|M

|M

1

|M

Stąd: z =

1 | = − 2

, y =

2 | = −

, z =

3 | = − 1

|M|

|M|

2

|M|

Odpowiedż:





− 2

A = 



 − 1 

2

− 1

3

4. Wyznaczyć rozwiązania układu równań w zależności od parametru m ∈ R





 mx +

y =

1

x + my =

1





x +

y = m

Rozwiązanie:

Badamy rząd macierzy









m

1

m

1

1

A = 









1 m 

i

AR =  1 m

1 

1

1

1

1 m

Zaczynamy od rzędu AR

W tym celu rozwiązujemy równanie: |Ar| = 0

|AR| = m 3 + 1 + 1 − m − m − m = m 3 − 3 m + 2

m 3 − 3 m + 2 = 0

Widać, że wielomian ma pierwiastek wymierny m 1 = 1 . Dzielimy wielomian przez ( m − 1)

m 3 − 3 m + 2 = ( m − 1)( m 2 + m − 2) Rozwiązujemy równanie:

m 2 + m − 2 = 0

∆ = 9

m 2 = − 2 , m 3 = 1

Wniosek:

Dla m 6= − 2 ∧ m 6= 1 rząd AR jest równy 3. Rząd macierzy A ¬ 2 więc układ jest sprzeczny.

Dla m = − 2 rząd rz AR ¬ 2





− 2

1

1

− 2

1

rz A





R = rz 

1 − 2

1  = 2 , ponieważ

= 3 6= 0

1 − 2

1

1 − 2





− 2

1

− 2

1

rz A = rz 





1 − 2  = 2 , ponieważ

= 3 6= 0

1 − 2

1

1

Układ ma więc jedno rozwiązanie. Szukamy w macierzy A macierzy 2 × 2 o wyznaczniku różnym od zera np. pierwsze dwa wiersze. Z układu usuwamy trzecie równanie: ( − 2 x + y = 1

x − 2 y = 1

Stosujemy wzory Cramera:

1

1

− 2 1

|M| = 3 , |M

1 | =

= − 2 − 1 = − 3 . |M

= − 2 − 1 = − 3

1 − 2

2 | =

1 1

|M

|M

z =

1 | = − 1

, y =

2 | = − 1

|M|

|M|

Dla m = 1 rząd rz AR ¬ 2

4





1 1 1

h

i

rz A





R = rz 

1 1 1  = rz

1 1 1

= 1 , ponieważ wiersze są proporcjonalne

1 1 1





1 1

h

i

rz A = rz 



 1 1  = rz

1 1

= 1

1 1

Układ ma więc nieskończenie wiele rozwiązań zależnych od jednego parametru. Szukamy w macierzy A macierzy 1 × 1 o wyznaczniku różnym od zera. Np. element A 11.

Usuwamy równania 2 i 3; zmienna y będzie parametrem: y = t. Wtedy układ redukuje się do jednego równania:

x = 1 − t

Odpowiedź:

Dla m 6= − 2 ∧ m 6= 1 układ jest przeczny Dla m = − 2 układ ma jedno rozwiązanie: x = − 1 , y = − 1

Dla m = 1 układ ma nieskończenie wiele rozwiązań zleżnych od jednego parametru: x = 1 − t , y = t , t ∈ R

5

5. Znaleźć równanie prostej przechodzącej przez punkt A(1 , 0 , − 1) , równoległej do płasz-x − 2

y − 1

z + 2

czyzny π : 3 x − 2 y − 3 z + 3 = 0 i przecinającej prostą l :

=

=

1

− 2

2

Rozwiązanie:

Konstuujemy płaszczyznę π 1 równoleglą do π i przchodzącą przez punkt A. Szukamy punktu przecięcia B płaszczyzny π 1 i prostej l. Szukana prosta to prosta AB

π 1 : 3 x − 2 y − 3 z + D = 0

ponieważ π 1 jest równoległa do π

3 + 3 + D = 0

A ∈ π 1

D = − 6

π 1 : 3 x − 2 y − 3 z − 6 = 0

Współrzędne punktu B( x, y, z) spełniają układ równań:





 3 x − 2 y − 3 z − 6 = 0

y − 1 = − 2( x − 2)

B ∈ π



1 ∩ l

 y − 1 = −z − 2

y = − 2 x + 5

z = −y − 1 = 2 x − 6

3 x + 4 x − 10 − 6 x + 18 − 6 = 0

x = − 2 , y = 9 , z = − 10

Mamy więc punkt B( − 2 , 9 , − 10) Wektor kierunkowy szukanej prostej:

−→

AB = [ − 3 , 9 , − 9] k [1 , − 3 , 3]

Odpowiedź:

x − 1

y

z + 1

=

=

1

− 3

3

6

6. Znaleźć równanie płaszczyzny przechodzącej przez początek układu współrzędnych i przez prostą powstałą z przecięcia płaszczyzn x + 3 y − z + 1 = 0 oraz 2 x + 3 z − 10 = 0

Rozwiązanie:

Szukna płaszczyzna π ma równanie:

α( x + 3 y − z + 1) + β(2 x + 3 z − 10) = 0

pęk płaszczyzn

α − 10 β = 0

punkt (0 , 0 , 0) ∈ π

α = 10 β

β = 1

możemy wybrać dowolną wartość 6= 0

α = 10

10 x + 30 y − 10 z + 10 + 2 x + 3 z − 10 = 0

Odpowiedź:

Szukana płaszczyzna:

12 x + 30 y − 7 z = 0

7