background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

Preliminaria 

 

Stosujemy nast puj ce oznaczenia zbiorów liczbowych: 

N    − zbiór 

liczb naturalnych

Z − zbiór 

liczb całkowitych

Q 

}

,

:

{

N

Z

=

q

p

q

p

 

− zbiór 

liczb wymiernych

,  

R zbiór 

liczb rzeczywistych

,  

R \Q zbiór 

liczb niewymiernych

 

Liczby  rzeczywiste  mo na  te   zapisywa   w  systemie  dziesi tnym.  Liczby  wymierne  maj   rozwini cia  sko -

czone albo niesko czone i okresowe. Natomiast liczby niewymierne (elementy zbioru 

R \Q) maj  rozwini cia niesko -

czone i nieokresowe. 

 

1. Przykład  

...

14159265

,

3

=

=

π

rednica

okr gu

dlugo

 

π∈ R \Q - Lambert (1766) 

Archimedes - 

=

π

)

142857

(

,

3

7

22

Q 

 

Mówi c o zdaniach mamy zawsze na uwadze zdania oznajmiaj ce prawdziwe lub fałszywe. Aby upro ci  wy-

ra ane własno ci u ywa  b dziemy nast puj cych spójników zdaniowych: implikacji ( ), koniunkcji (

∧), alternatywy 

(

∨), równowa no ci (⇔) i negacji (~). Dla dowolnych zda  α i β napisy 

β

α

β

α

β

α

β

α

, ~

α odpowied-

nio czytamy: „je li 

α, to β”, „α i β”, „α lub β”, „α wtedy i tylko wtedy, gdy β”, „nie α”. 

Wyra enia maj ce formaln  posta  zda  i staj ce si  zdaniami, gdy za wyst puj ce w nich zmienne wstawimy 

nazwy konkretnych przedmiotów, nazywa si  

funkcjami zdaniowymi

. Niech 

α b dzie funkcj  zdaniow . Zamiast 

•  Dla ka dego x zachodzi α piszemy 

α

x

•  Dla pewnego x (istnieje x) zachodzi α piszemy 

α

x

Znaki 

∀ i ∃ nazywa si  

kwantyfikatorami

: ogólnym (du ym) i szczegółowym (małym, egzystencjalnym). 

 
Zapis x

X oznacza, ze x jest elementem zbioru X

Zbiór 

A nazywa si  

podzbiorem zbioru

 

XAX, gdy ∀

(x

A   xX). 

Zbiór nie posiadaj cy  adnego elementu oznaczamy symbolem 

∅ i nazywamy 

zbiorem pustym

Niech 

A i B b d  dowolnymi niepustymi zbiorami. Zbiór  

A×B = {(ab): x∧ xB

nazywamy produktem kartezja skim zbiorów 

A i B

Dowolny  podzbiór 

  produktu  kartezja skiego  A×B  nazywamy  2-członow   relacj   zachodz c   mi dzy  ele-

mentami zbioru 

A i elementami zbioru B

Iloczyn kartezja ski 

[−2,3]×[−1, 2] 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

Niech 

2

A

, tzn. 

 jest relacj  w zbiorze A. ℜ nazywamy 

porz dkiem

 w 

A, je li: 

ℜ jest zwrotna: 

a

a

a

A

; 

ℜ jest przechodnia: 

)

(

,

,

c

a

c

b

b

a

c

b

a

A

ℜ jest antysymetryczna: 

)

(

,

b

a

a

b

b

a

b

a

=

A

Relacja 

≤ jest porz dkiem w zbiorze liczb. 

Relacja 

⊂ jest porz dkiem w rodzinie wszystkich podzbiorów dowolnego zbioru. 

 

Zbiór 

Xjest ograniczony z dołu, je li ∃

m

R

 

x

X

 

≤ x. Liczb  m nazywamy 

minorant

 zbioru 

X. 

Zbiór 

Xjest ograniczony z góry, je li ∃

M

R

 

x

X

 

≤ M. Liczb  M nazywamy 

majorant

 zbioru 

X. 

Zbiór 

Xjest ograniczony, je li jest ograniczony z góry i z dołu: ∃

m

R

 

M

R

 

x

X

 

≤ ≤ M 

 

Liczba a jest elementem najmniejszym zbioru 

XR, co zapisujemy a = min X, wtedy i tylko wtedy, gdy   

a

X oraz ∀

x

X

 

≤ 

Liczba a jest elementem najwi kszym zbioru 

XR, co zapisujemy a = max X, wtedy i tylko wtedy, gdy   

a

X oraz ∀

x

X

 

≤ a 

Niech zbiór 

XR b dzie ograniczony z dołu. Liczba a jest kresem dolnym tego zbioru, co zapisujemy a = infX, wtedy i 

tylko wtedy, gdy a jest elementem najwi kszym w zbiorze minorant zbioru 

X

 

Niech zbiór 

XR b dzie ograniczony z góry. Liczba a jest kresem górnym tego zbioru, co zapisujemy a = supX, wtedy i 

tylko wtedy, gdy a jest elementem najmniejszym w zbiorze majorant zbioru 

X

 

• 

}

:

{

1

N

A

=

n

n

, tzn. 

A jest zbiorem wyrazów ci gu 

)

(

n

n

a

n

1

= . 

1

max

=

A

A

min  nie istnieje; 

1

=

A

sup

0

=

A

inf

• 

}

3

:

{

>

=

x

x

R

A

, tzn. 

)

,

3

(

)

3

,

(

−∞

=

A

.

 

A

max nie istnieje, 

A

min  nie istnieje; 

A

sup nie istnieje, 

A

inf

 nie istnieje. 

 

 

 

 

2

 

Grupa 

 

Definicja. 

Grup

 nazywa si  struktur  (

G, •) zło on  z niepustego zbioru G i działania • w tym zbiorze spełniaj cego warunki: 

1

° działanie • jest ł czne: 

z

y

x

z

y

x

z

y

x

=

)

(

)

(

,

,

G

2

° istnieje w zbiorze G element neutralny tego działania:

x

x

e

e

x

x

x

=

=

G

G

3

° dla ka dego elementu ze zbioru G istnieje jego element odwrotny wzgl dem działania •:  

e

a

a

a

a

a

a

=

=

G

G

Je li ponadto 

4

° działanie • jest przemienne: 

a

b

b

a

b

a

=

G

,

to struktur  (

G, •) nazywa si  

grup  przemienn

 (

abelow

). 

 

2. Przykład  

Grupami s  (i tak si  nazywaj ): 

(

Z, +) − addytywna grupa liczb całkowitych, 

(

Q, +) − addytywna grupa liczb wymiernych, 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

(

R, +) − addytywna grupa liczb rzeczywistych, 

(

Q

⋅) − multiplikatywna grupa liczb wymiernych, 

(

R

⋅) − multiplikatywna grupa liczb rzeczywistych, 

)

},

0

({

+ ,

)

},

1

({

⋅  − grupy jednoelementowe. 

)

},

1

,

1

({

 

−  grupa dwuelementowa. 

 

3. Zadanie 

Czy 

)

,

(

R

, gdzie 

1

+

+

=

y

x

y

x

, jest grup  przemienn ? 

Rozwi zanie. 
Poniewa   

2

1

)

1

(

1

)

(

)

(

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

=

z

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

2

1

)

1

(

1

)

(

)

(

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

=

z

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

wi c 

z

y

x

z

y

x

=

)

(

)

(

, co oznacza,  e działanie   jest ł czne. 

Poniewa  

x

y

y

x

y

x

=

+

+

=

1

, wi c działanie   jest przemienne. 

Element neutralny e działania (przemiennego)   jest rozwi zaniem równania 

x

e

x

=

x

e

x

=

 

⇔ 

x

e

x

=

+

+

1

 

⇔ 

1

=

e

Element  odwrotny  x′   elementu  x  wzgl dem  działania  (przemiennego)    jest  rozwi zaniem  równania 

e

x

x

=

, gdzie e jest elementem neutralnym tego działania.  

e

x

x

=

 

⇔ 

1

1

=

+

+

′ x

x

 

⇔ 

x

x

=

2

Odpowied .

 

)

,

(

R

, gdzie 

1

+

+

=

y

x

y

x

, jest grup  przemienn . Elementem neutralnym działania jest 

liczba 

−1, elementem odwrotnym elementu x jest −2−x

 

4. Zadanie 

Czy 

)

,

(

R

, gdzie 

y

x

y

x

y

x

+

+

=

, jest grup  przemienn ? 

Rozwi zanie. 

Poniewa   

xyz

yz

xz

xy

z

y

x

yz

z

y

x

yz

z

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

+

+

=

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

xyz

yz

xz

xy

z

y

x

z

xy

y

x

z

xy

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

+

+

=

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

wi c 

z

y

x

z

y

x

)

(

)

(

=

, co oznacza,  e działanie   jest ł czne. 

Poniewa  

x

y

y

x

y

x

=

+

+

=

1

, wi c działanie   jest przemienne. 

Element neutralny e działania (przemiennego)   jest rozwi zaniem równania 

x

e

x

= , dla ka dego xR

x

e

x

= , dla ka dego xR ⇔ 

x

xe

e

x

=

+

+

, dla ka dego x

R ⇔ 

0

=

e

Element  odwrotny  x′   elementu  x  wzgl dem  działania  (przemiennego)    jest  rozwi zaniem  równania 

e

x

x

=

, gdzie e jest elementem neutralnym tego działania.  

e

x

x

=

 

⇔ 

0

=

+

+

x

x

x

x

 

⇔ 

x

x

x

+

=

1

, o ile 

1

x

Odpowied

.  Nie.  Grup   przemienn   jest 

)

},

1

{

\

(

R

.  Elementem  neutralnym  działania  jest  0,  elementem 

odwrotnym elementu x jest 

1

+

x

x

 
 
 
 
 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

3

 

Pier cie

 

Definicja. 

Pier cieniem

 nazywamy trójk  

)

,

,

(

2

1

P

, gdzie P jest niepustym zbiorem a 

1

,

2

 dwoma działaniami w zbiorze P 

takimi,  e para 

)

,

(

1

P

 jest grup  abelow , działanie 

2

 jest ł czne oraz obustronnie rozdzielne wzgl dem działania 

1

tzn. 

dla ka dych 

P

z

y

x

,

,

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

2

z

x

y

x

z

y

x

=

,  

dla ka dych 

P

z

y

x

,

,

)

(

)

(

)

(

2

1

2

2

1

z

y

z

x

z

y

x

=

 

W tej definicji nie  damy przemienno ci działania 

2

, ani istnienie dla niego elementu neutralnego. 

Działanie 

1

 nazywa si  

dodawaniem

, działanie 

2

 nazywa si  

mno eniem

Pier cie , w którym mno enie jest przemienne, nazywa si  

pier cieniem przemiennym

Je eli w pier cieniu istnieje element neutralny mno enia (działania 

2

), to element taki nazywa si  

jedno ci  

pier cienia

, za  pier cie  zawieraj cy jedno  nazywa si  

pier cieniem z jedno ci

 

 

5. Przykład  

Pier cieniami s  trójki (

Z, +, ⋅), (Q, +, ⋅), (R, +, ⋅). 

 

Zbiory liczbowe, tzn. podzbiory zbioru 

R, w których działaniami s  dodawanie i mno enie liczb i które s  pier-

cieniami, nazywa si  

pier cieniami liczbowymi

.  

Wy ej wymienione pier cienie s  pier cieniami liczbowymi.  

Trójka 

)

,

},

0

({

+

 te  jest pier cieniem liczbowym.  

Innymi przykładami pier cieni liczbowych s : pier cie  liczb całkowitych parzystych (jest to pier cie  bez jed-

no ci), pier cie  całkowitych wielokrotno ci liczby naturalnej n.  

Pier cienie liczbowe s  przemienne. 

Pier cieniami s  (nie s  to pier cienie liczbowe) trójki 

)

,

,

(

2

1

Z

)

,

,

(

2

1

Q

)

,

,

(

2

1

R

, gdzie  

1

1

+

+

=

y

x

y

x

xy

y

x

y

x

+

+

=

2

Trójka 

)

,

],

[

(

+

x

P

, gdzie 

]

[x

P

 jest zbiorem wielomianów o współczynnikach z pier cienia P, jest pier cieniem. 

W szczególno ci pier cieniami s : 

)

,

],

[

(

+

x

Z

)

,

],

[

(

+

x

Q

)

,

],

[

(

+

x

R

 

6. Zadanie 

Czy (

Z, +,  ), gdzie a   = 1, jest pier cieniem? 

Rozwi zanie. 

Struktura (

Z, +) jest grup  abelow . 

Działanie   jest ł czne, gdy  a   (b   c) = 1 = (a      c
Poniewa  a   (b   c) = 1, a   b+ a   c) = 1 + 1 = 2, wi c działanie   nie jest rozdzielne wzgl dem dodawania.  

Dlatego (

Z, +,  ), gdzie a   = 1, nie jest pier cieniem. 

 

 
Je li pier cie  

)

,

,

(

2

1

P

 jest taki,  e para 

)

},

0

{

\

(

2

P

, gdzie 0 jest elementem neutralnym działania 

1

, jest 

grup , to nazywamy go 

ciałem

. Bardziej precyzyjnie wyra a to kolejna definicja. 

 

 
 
 
 
 
 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

4

 

Ciało

 

Definicja. 

Rozwa my struktur  z dwiema operacjami i dwoma wyró nionymi elementami.  
Operacje nazwijmy dodawaniem i mno eniem, a elementy wyró nione oznaczmy symbolami 0 i 1. 

Struktura 

)

,

,

(

+

F

F

 jest 

ciałem 

wtedy i tylko wtedy, gdy 

1) 

)

,

(

+

F

 jest grup  przemienn , 

2) 

)

,

(

{0}

\

F

 jest grup , 

3) mno enie jest obustronnie rozdzielne wzgl dem dodawania. 

 

Je li w punkcie (2) u yjemy zwrotu „jest grup  przemienn ”, to ciało nazywamy 

ciałem przemiennym

. W tym 

przypadku punkt (3) ma posta  „mno enie jest rozdzielne wzgl dem dodawania”. 
Ciało, którego elementy s  liczbami, a działania s  działaniami arytmetycznymi, nazywa si  

ciałem liczbowym

 

7. Przykład  

Ciałami przemiennymi s : 

(

Q, +, ⋅) - ciało liczb wymiernych. Jest to najmniejsze ciało liczbowe

(

R, +, ⋅) - ciało liczb rzeczywistych.  

 

Fakt.  

Zbiór liczb jest ciałem liczbowym wtedy i tylko wtedy, gdy wykonalne s  w nim dodawanie, odejmowanie, mno enie i 
dzielenie przez element ró ny od zera. 

 

8. Zadanie  

Wykaza ,  e 

}

,

:

2

{

)

2

(

Q

Q

+

=

b

a

b

a

 jest ciałem liczbowym. 

Rozwi zanie

Wynika to z nast puj cych równo ci: 

2

)

(

)

(

)

2

(

)

2

(

d

b

c

a

d

c

b

a

+

+

+

=

+

+

+

2

)

(

)

(

)

2

(

)

2

(

d

b

c

a

d

c

b

a

+

=

+

+

2

)

(

)

2

(

)

2

)(

2

(

bc

ad

bd

ac

d

c

b

a

+

+

+

=

+

+

2

2

2

2

)

2

)(

2

(

)

2

)(

2

(

2

2

2

2

2

2

d

c

ad

bc

d

c

bd

ac

d

c

d

c

d

c

b

a

d

c

b

a

+

=

+

+

=

+

+

 

5

 

Ciało liczb zespolonych

 

 

Definicja. 

Zbiór 

}

,

:

)

,

{(

2

R

R

R

=

y

x

y

x

nazywa si  

płaszczyzn

, za  jego elementy – punktami

Struktura 

)

,

,

(

2

+

R

C

, gdzie + i 

⋅ s  działaniami okre lonymi nast puj co: 

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

2

1

1

2

1

2

1

b

a

b

a

b

b

a

a

+

+

=

+

,

 

)

,

(

)

,

(

)

,

(

1

2

2

1

2

2

1

1

2

1

2

1

b

a

b

a

b

a

b

a

b

b

a

a

+

=

  

jest ciałem. Nazywa si  je 

ciałem liczb zespolonych

 (interpretacja Hamiltona). 

 

Zatem liczba zespolona to para liczb rzeczywistych. Liczba a nosi nazw  cz ci rzeczywistej, za  b cz ci uro-

jonej liczby zespolonej 

)

,

b

a

z

=

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

Liczb  zespolon  

)

0

,

(a

 mo na uto samia  z liczb  rzeczywist  a. W zwi zku z tym mo emy powiedzie ,  e 

C

⊂ . 

Liczb   zespolon  

)

1

,

0

(

  oznaczamy  symbolem  i  i  nazywamy 

jedno ci   urojon

.  (Symbol  „i  ”  pochodzi  od

 

imaginarius (łac. urojony); wprowadzili go Tartaglia i Cardano).  

Zauwa my,  e 

bi

a

b

a

b

a

b

a

+

+

=

+

=

)

1

,

0

(

)

0

,

(

)

0

,

(

)

,

0

(

)

0

,

(

)

,

(

Zatem 

)

(

}

1

,

,

:

{

2

i

i

b

a

bi

a

R

R

C

=

=

+

=

 

Liczb  

bi

a

z

=

 nazywamy sprz on  z liczb  

bi

a

z

+

=

.  

Oczywi cie 

2

2

)

)(

(

b

a

bi

a

bi

a

z

z

+

=

+

=

Działania na liczbach zespolonych w postaci algebraicznej wykonujemy tak, jak na wielomianach, pami taj c o 

warunku 

1

2

=

i

 

9. Przykład 

i

i

i

i

i

i

i

10

5

8

10

3

8

6

4

3

)

4

3

)(

2

1

(

2

+

=

+

+

=

+

+

=

+

 

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

5

6

5

13

2

2

5

6

13

4

5

10

4

8

)

2

)(

2

(

)

2

)(

5

4

(

2

5

4

+

=

+

=

+

=

+

+

=

+

+

 

10. Zadanie

  

W zbiorze liczb zespolonych rozwi emy równanie

0

3

4

2

=

+

− x

x

0

5

4

2

=

+

− x

x

 

⇔ 

0

1

)

2

(

2

=

+

x

 

⇔ 

0

)

2

(

2

2

=

i

x

 

⇔ 

0

)

2

)(

2

(

=

+

i

x

i

x

 

⇔ 

}

2

,

2

{

i

i

x

+

 

 

 

6

 

Macierze 

 

Definicja macierzy. 

Niech b dzie dany zbiór 

{

} {

}

m

n

,...,

2

,

1

,...,

2

,

1

×

 par liczb naturalnych. Je li ka dej spo ród tych par przyporz dkujemy 

element z ciała F, to takie przyporz dkowanie nazywa si  

macierz  o elementach z ciała F

. Liczb  przyporz dkowan  

parze 

)

,

j

i

 oznaczamy symbolem 

ij

 
Macierze zapisujemy zwykle w postaci tabel 

=

nm

n

n

m

m

a

a

a

a

a

a

a

a

a

2

1

2

22

21

1

12

11

A

Liczby 

ij

a

 nazywamy 

wyrazami

 lub 

elementami macierzy

, poziome rz dy 

− 

wierszami macierzy

, a pionowe 

− jej 

kolum-

nami

. O elemencie 

ij

a

 mówimy,  e nale y do i

−−−−tego wiersza oraz j−−−−tej kolumny. Macierze oznacza si  du ymi literami. 

 

Macierz kwadratowa

 − ka da macierz, której liczba wierszy jest równa liczbie kolumn. Liczb  wierszy (kolumn) nazy-

wa si  

stopniem macierzy

 kwadratowej. Elementy macierzy, które maj  ten sam numer wiersza i kolumny, tworz  

głów-

n  przek tn  macierzy

 

 
 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

Definicja dodawania macierzy. 

Dwie macierze mo na doda  wtedy i tylko wtedy, gdy maj  te same wymiary; 

dodajemy elementy na tych samych 

pozycjach

 

11. Przykład 

Je li 

=

0

7

5

32

12

11

A

=

16

7

12

3

4

1

B

, to 

=

+

+

+

+

+

+

=

+

=

+

16

0

7

35

16

12

16

0

7

7

12

5

3

32

4

12

1

11

16

7

12

3

4

1

0

7

5

32

12

11

B

A

Fakt

.  

Zbiór 

m

n

M

×

 (wszystkich macierzy o n wierszach, m kolumnach) z dodawaniem macierzy jako działaniem jest grup  

przemienn

 
 

Twierdzenie to wypowiadamy te  nast puj co: 

Struktura (

m

n

M

×

, +) jest addytywn  grup  macierzy. 

 

 

Definicja mno enia macierzy przez liczb  (skalar)

Ka d  macierz mo na pomno y  przez ka dy element ciała (skalar) 

− 

mno ymy wszystkie elementy macierzy przez 

ten skalar

 

12. Przykład 

Je li 

=

3

7

8

4

5

6

3

2

1

A

, to 

=

=

=

9

21

24

12

15

18

9

6

3

3

3

7

3

8

3

4

3

5

3

6

3

3

3

2

3

1

3

3

7

8

4

5

6

3

2

1

3

3

A

 
Definicja iloczynu Cauchy’ego macierzy. 

Mno enie macierzy

 jest uzale nione od spełnienia wymagania dotycz cego wymiaru czynników, a mianowicie 

liczba 

kolumn czynnika pierwszego jest równa liczbie wierszy czynnika drugiego

Iloczynem macierzy

 

A i B nazywamy macierz C, której element 

is

c

 powstaje przez pomno enie skalarne i

−tego wiersza 

macierzy 

A przez s−t  kolumn  macierzy B.  

 

Tak okre lone mno enie macierzy nie jest działaniem w zbiorze wszystkich macierzy nad danym ciałem, gdy  

nie jest wykonalne dla ka dej pary macierzy. 

 

13. Przykład 

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

7

)

7

(

5

4

4

3

2

)

7

(

4

4

3

3

)

1

(

)

7

(

7

4

2

3

7

5

5

)

3

(

4

2

2

5

4

)

3

(

3

2

)

1

(

5

7

)

3

(

2

2

7

2

1

5

4

7

4

3

2

7

4

3

5

3

2

17

11

41

28

4

22

 

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

4

1

4

4

4

1

1

4

4

0

0

4

1

0

0

2

0

2

0

2

2

0

4

0

0

0

1

0

1

0

2

2

0

4

0

0

0

1

2

1

2

0

2

0

1

1

0

2

0

2

1

2

1

0

B

A

 

 

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

4

4

1

1

4

4

4

1

4

0

0

4

0

2

2

0

1

0

1

0

0

0

4

0

2

2

0

2

0

2

0

0

1

4

0

0

1

0

2

0

2

1

2

1

0

0

1

2

1

2

0

2

0

1

A

B

 

=

f

e

d

c

b

a

f

e

d

c

b

a

1

0

0

1

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

=

f

e

d

c

b

a

f

e

d

c

b

a

1

0

0

0

1

0

0

0

1

 

Macierz jednostkowa

 - macierz diagonalna, w której elementy poło one na głównej przek tnej s  jedynkami. Symbo-

lem 

n

 oznacza si  macierz jednostkow  stopnia n, gdzie 

2

n

 

Fakt.

  

Trójka 

)

,

),

(

(

+

×

F

M

n

n

 jest pier cieniem nieprzemiennym z jedno ci . 

 

 

14. Zadanie 

Wykonaj wskazane działania 

1

5

1

2

2

4

3

2

1

3

1

1

6

2

Rozwi zanie. 

Korzystaj c z definicji mno enia macierzy przez liczb  (mno ymy wszystkie wyrazy macierzy przez t  liczb ) i definicji 
dodawania macierzy (dodajemy wyrazy na tych samych pozycjach) otrzymamy 

1

5

1

2

2

4

3

2

1

3

1

1

6

2

+

=

3

15

3

6

6

12

4

2

6

2

2

12

=

7

13

9

4

4

0

 

15. Zadanie 

Wykonaj wskazane działania 

1

2

1

3

0

2

5

5

2

4

2

1

3

 
Rozwi zanie. 

1

2

1

3

0

2

5

5

2

4

2

1

3

+

=

5

10

5

15

0

10

5

2

4

2

1

3

=

10

12

1

13

1

7

 

16. Zadanie 

Rozwi za  równanie macierzowe 

)

1

0

0

2

1

0

3

2

1

(

2

2

1

3

1

3

2

3

2

1

+

=

+

X

X

.  

Rozwi zanie 

Korzystaj c z definicji dodawania macierzy i mno enia macierzy przez liczb  kolejno otrzymamy 

)

1

0

0

2

1

0

3

2

1

(

2

2

1

3

1

3

2

3

2

1

+

=

+

X

X

   

⇔   

=

+

1

0

0

2

1

0

3

2

1

2

2

1

3

1

3

2

3

2

1

2

X

X

  

⇔  

+

=

2

0

0

4

2

0

6

4

2

2

1

3

1

3

2

3

2

1

3

X

 

=

=

3

4

3

1

3

5

3

5

3

2

3

1

1

3

2

1

4

1

3

5

5

2

9

6

3

X

Rozwi zaniem równania jest macierz 

=

3

4

3

1

3

5

3

5

3

2

1

3

2

1

X

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

17. Zadanie 

Obliczy  iloczyn macierzy 

=

7

4

3

5

3

2

A

,

=

7

2

1

5

4

7

4

3

2

B

Rozwi zanie 

Pierwsza  macierz  jest  wymiaru  2

×3,  a  druga  wymiaru  3×3,  wi c  mno enie 

B

  jest  wykonalne.  Natomiast  iloczyn 

A

⋅  nie istnieje, gdy  pierwszy czynnik ma 3 kolumny, a drugi czynnik ma 2 wiersze. 

=

=

7

2

1

5

4

7

4

3

2

7

4

3

5

3

2

B

A

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

7

)

7

(

5

4

4

3

2

)

7

(

4

4

3

3

)

1

(

)

7

(

7

4

2

3

7

5

5

)

3

(

4

2

2

5

4

)

3

(

3

2

)

1

(

5

7

)

3

(

2

2

 

a wi c 

=

17

11

41

28

4

22

B

A

18. Zadanie 

Obliczy  macierz 

A

B

B

A

, je li: 

=

1

0

2

0

2

1

2

1

0

A

 , 

=

0

1

2

1

2

0

2

0

1

B

Rozwi zanie 

Poniewa   

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

4

1

4

4

4

1

1

4

4

0

0

4

1

0

0

2

0

2

0

2

2

0

4

0

0

0

1

0

1

0

2

2

0

4

0

0

0

1

2

1

2

0

2

0

1

1

0

2

0

2

1

2

1

0

B

A

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

4

4

1

1

4

4

4

1

4

0

0

4

0

2

2

0

1

0

1

0

0

0

4

0

2

2

0

2

0

2

0

0

1

4

0

0

1

0

2

0

2

1

2

1

0

0

1

2

1

2

0

2

0

1

A

B

wi c 

=

=

0

3

3

3

0

3

3

3

0

4

4

1

1

4

4

4

1

4

4

1

4

4

4

1

1

4

4

A

B

B

A

19. Zadanie 

Dla macierzy 

=

0

0

0

1

0

0

1

1

0

A

 obliczy  

2

3

4

Rozwi zanie 

=

=

=

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

2

A

A

A

=

=

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

2

3

A

A

A

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

4

A

 

20. Zadanie 

Obliczy  

9

16

B

 dla 

=

1

1

1

1

B

Rozwi zanie 

=

=

0

2

2

0

1

1

1

1

1

1

1

1

2

B

=

=

=

4

0

0

4

0

2

2

0

0

2

2

0

2

2

4

B

B

B

=

=

=

16

0

0

16

4

0

0

4

4

0

0

4

4

4

8

B

B

B

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

10 

=

=

=

0

0

0

0

16

16

16

16

16

16

16

16

1

1

1

1

16

0

0

16

16

16

16

16

16

9

B

B

 

21. Zadanie 

Obliczy  warto  wielomianu 

5

13

7

)

(

2

3

+

=

x

x

x

x

P

 dla macierzy 

=

1

2

2

1

3

1

3

2

5

A

Rozwi zanie 

Znajdujemy macierze 

=

=

7

8

10

5

9

6

14

10

21

2

A

A

A

=

=

31

30

44

22

29

29

59

44

87

2

3

A

A

A

Dlatego 

=

+

=

E

A

A

A

A

5

13

7

)

(

2

3

P

 

=

31

30

44

22

29

29

59

44

87

7

8

10

5

9

6

14

10

21

7

+

1

2

2

1

3

1

3

2

5

13

=

1

0

0

0

1

0

0

0

1

5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

 

 

7

 

Wyznacznik macierzy 

 

 

 

Obliczanie wyznacznika macierzy 2-go stopnia. 

 

21

12

22

11

22

21

12

11

a

a

a

a

a

a

a

a

=

 

22. Przykład

 

1

15

16

5

3

)

8

(

)

2

(

8

5

3

2

=

=

=

 

 

Obliczanie wyznacznika macierzy 3-go stopnia. 

 

Schemat Sarrusa

=

33

32

31

23

22

21

13

12

11

a

a

a

a

a

a

a

a

a

(

)

32

21

13

31

23

12

33

22

11

a

a

a

a

a

a

a

a

a

+

+

(

)

32

23

11

33

21

12

31

22

13

a

a

a

a

a

a

a

a

a

+

+

 

23. Przykład

 

202

3

2

5

2

7

5

7

8

8

7

7

2

8

5

5

3

8

2

3

7

8

5

8

2

7

5

2

30

70

448

98

200

48

=

+

+

+

+

=

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

)

3

1

8

0

7

5

6

4

2

(

)

3

7

2

6

1

5

0

4

8

(

24

0

48

42

30

0

=

+

+

+

+

=

 

Podstawowe informacje o wyznacznikach 

 

Omówimy kilka podstawowych własno ci wyznaczników, które s  wspólne dla wyznaczników macierzy kwa-

dratowych wszystkich stopni. 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

11 

Informacja 1 

Transponowanie  macierzy  kwadratowej  nie  zmienia  wyznacznika  tej  macierzy  (wyznacznik  macierzy  transponowanej 
jest równy wyznacznikowi wyj ciowej macierzy): 

A

A

det

det

=

T

Informacja 2 

Zamiana dwu wierszy (kolumn) macierzy kwadratowej zmienia warto  wyznacznika tej macierzy na przeciwn .          

Informacja 3 

Je li w macierzy dwa wiersze (dwie kolumny) s  identyczne, to wyznacznik tej macierzy jest zerem. 

Informacja 4 

Je li  macierz 

B  powstaje  z  macierzy  A  przez  pomno enie  wszystkich  elementów  pewnego  wiersza  (kolumny)  przez 

liczb  

α

, to 

A

B

det

det

α

=

Informacja 5 

Dodanie do wiersza (kolumny) macierzy kwadratowej wielokrotno ci innego wiersza (kolumny) nie zmienia wyznaczni-
ka tej macierzy. 

Informacja 6 - rozwini cia Laplace'a 

ks

M

det

 −−−− minor elementu 

ks

a

 macierzy 

A −−−− 

ks

M

 powstaje przez wykre lenie k−−−−tego wiersza oraz s−−−−tej ko-

lumny z macierzy 

A

ks

s

k

ks

A

M

det

)

1

(

+

=

 

−−−− dopełnienie algebraiczne elementu 

a

ks

 macierzy 

A

in

in

i

i

i

i

n

j

ij

ij

A

a

A

a

A

a

A

a

+

+

+

=

=

=

...

det

2

2

1

1

1

A

              [rozwini cie według i

−−−−tego wiersza], 

nj

nj

j

j

j

j

n

i

ij

ij

A

a

A

a

A

a

A

a

+

+

+

=

=

=

...

det

2

2

1

1

1

A

            [rozwini cie według j

−−−−tej kolumny]. 

 

 

Informacja 7 - algorytm Chio 

Wyznacznik macierzy n

−−−−tego stopnia mo na obliczy  według wzoru (o ile 

0

11

a

): 

nn

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

nn

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

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

1

1

11

3

1

13

11

2

1

12

11

3

31

1

11

33

31

13

11

32

31

12

11

2

21

1

11

23

21

13

11

22

21

12

11

2

11

2

1

2

22

21

1

12

11

)

(

1

=

Informacja 8 - twierdzenie Cauchy'ego 

Wyznacznik iloczynu dwu macierzy kwadratowych jest równy iloczynowi wyznaczników tych macierzy: 

A

B

B

A

B

A

det

det

det

det

)

det(

=

=

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

12 

Informacja 9 

nn

nn

n

n

nn

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

=

=

22

11

2

1

22

21

11

2

22

1

12

11

0

0

0

det

0

0

0

det

 

 

Poka emy stosowanie 

algorytmu Chió

3

7

8

5

8

2

7

5

8

=

=

3

8

7

8

7

8

5

8

5

2

7

8

8

2

5

8

8

1

202

32

16

26

54

8

1

=

 

=

=

=

12

6

3

7

1

4

9

6

15

4

0

1

3

2

0

1

3

1

0

2

3

2

1

1

3

0

1

1

3

2

1

2

3

3

0

1

3

2

0

1

3

5

0

2

3

3

1

4

2

1

0

2

0

2

1

3

2

5

0

1

1

2

3

9

1

2

 

=

=

=

=

)

10935

(

153

72

69

39

12

3

9

15

6

3

6

15

7

4

9

15

1

4

6

15

15

1

9

1

4968

5967

15

1

9

1

15

1

9

1

 

−81 

 

Zastosujemy 

rozwini cie  Laplace’a

  wzgl dem  pierwszej  kolumny  (

ij

  oznacza 

dopełnienie  algebraiczne 

elementu 

ij

, tj. liczb  

j

i

+

− )

1

(

 pomno on  przez wyznacznik macierzy powstałej przez skre lenie i

−tego wiersza i j−tej 

kolumny tej macierzy – minor); dwa składniki rozwini cia s  równe zeru, wobec czego 

           

=

+

+

+

=

41

31

21

11

0

1

0

3

4

2

1

0

2

0

2

1

3

2

5

0

1

1

2

3

A

A

A

A

81

4

2

1

3

2

5

1

1

2

)

1

(

4

2

1

2

0

2

3

2

5

)

1

(

3

21

1

3

20

1

1

=

+

+

+

 

 

 

8

 

Przestrzenie wektorowe (liniowe) 

 

Definicja. 

Przestrzeni  wektorow

 nad ciałem 

R liczb rzeczywistych nazywa si  dowolny niepusty zbiór V wraz z dwoma działa-

niami: 

V

V

V

×

+ :

 i 

V

V

R

×

⋅:

 (elementy zbioru 

V nazywa si  

wektorami

, elementy zbioru 

R nazywa si  

skala-

rami

, działanie + nazywa si  

dodawaniem wektorów

, za  działanie 

⋅ nazywa si  

mno eniem wektorów przez skalary

takimi,  e: 

1. (

V, +) jest grup  przemienn ,  

 

2. 

x

x

β

α

=

β

α

)

(

)

(

 

3. 

y

x

y

x

α

+

α

=

+

α

)

(

 

4. 

x

x

x

β

+

α

=

β

+

α

)

(

 

5. 

x

=

1

Element neutralny dodawania nazywa si  

wektorem zerowym 

(oznacza si   0 ).  

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

13 

Aby poda  przykład przestrzeni wektorowej nale y: 

1.

  okre li  zbiór 

V

2.

  okre li  działania 

V

V

V

×

+ :

 i 

V

V

R

×

⋅:

3.

  sprawdzi , czy te działania spełniaj  aksjomaty przestrzeni wektorowej. 

  

Przykład 1.

 Dwuwymiarowa przestrze  kartezja ska

}

,

:

]

,

[

{

2

1

2

1

2

R

x

R

V

=

=

=

x

x

x

x

 

]

,

[

]

,

[

]

,

[

2

2

1

1

2

1

2

1

y

x

y

x

y

y

x

x

+

+

=

+

=

y

x

 

]

,

[

]

,

[

2

1

2

1

x

x

x

x

α

α

=

α

=

α x

 

Przykład 2.

 Trójwymiarowa przestrze  kartezja ska

}

,

,

:

]

,

,

[

{

3

2

1

3

2

1

3

R

x

R

V

=

=

=

x

x

x

x

x

x

 

]

,

,

[

]

,

,

[

]

,

,

[

3

3

2

2

1

1

3

2

1

3

2

1

y

x

y

x

y

x

y

y

y

x

x

x

+

+

+

=

+

=

y

x

 

]

,

,

[

]

,

,

[

3

2

1

3

2

1

x

x

x

x

x

x

α

α

α

=

α

=

α x

 

Przykład 3.

 

n – wymiarowa przestrze  kartezja ska

}

,

,

,

:

]

,

,

,

[

{

2

1

2

1

R

x

R

V

=

=

=

n

n

n

x

x

x

x

x

x

1

n

 

]

,

,

,

[

]

,

,

,

[

]

,

,

,

[

2

2

1

1

2

1

2

1

n

n

n

n

y

x

y

x

y

x

y

y

y

x

x

x

+

+

+

=

+

=

y

x

 

]

,

,

,

[

]

,

,

,

[

2

1

2

1

n

n

x

x

x

x

x

x

α

α

α

=

α

=

α x

 

Przykład 4.

 

Przestrze  macierzy wymiaru m

×n

. 

}

:

]

[

{

R

A

M

V

=

=

=

×

ij

ij

n

m

a

a

 

]

[

]

[

]

[

ij

ij

ij

ij

b

a

b

a

+

=

+

=

B

A

 

]

[

]

[

ij

ij

a

a

α

=

α

=

α A

 

Przykład 5.

 

Przestrze  wielomianów stopnia co najwy ej n

. 

}

,

,

,

,

:

{

]

[

2

1

0

2

2

1

0

R

R

V

+

+

+

+

=

=

n

n

n

n

a

a

a

a

x

a

x

a

x

a

a

x

 

 
Wektor 

k

k

a

a

a

c

α

+

+

α

+

α

=

...

2

2

1

1

  nazywa  si  

kombinacj   liniow   wektorów

 

k

a

a

a

,...,

,

2

1

  o  współczynnikach 

k

α

α

α

,...,

,

2

1

Zbiór wszystkich kombinacji liniowych wektorów 

k

a

a

a

,...,

,

2

1

 oznacza si  

)

,...,

,

2

1

k

a

a

a

(

Lin

 

 

24. Zadanie  

Przedstawimy wektor 

]

6

,

13

[

=

x

 w postaci kombinacji liniowej wektorów 

]

4

,

3

[

],

3

,

2

[

=

=

b

a

Rozwi zanie 

 

Nale y w równo ci 

b

a

x

β

+

α

=

 wyznaczy  współczynniki 

β

α, . 

 

=

β

+

α

=

β

α

β

+

α

β

α

=

β

β

+

α

α

=

β

+

α

=

6

4

3

13

3

2

]

4

3

,

3

2

[

]

4

,

3

[

]

3

,

2

[

]

6

,

13

[

]

4

,

3

[

]

3

,

2

[

]

6

,

13

[

=

β

=

α

3

2

 

Zatem 

b

a

x

3

2

=

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Struktury algebraiczne

 – 

Wykład 1

14 

25. Zadanie  

Przedstawimy wektor 

]

7

,

2

,

6

[

=

x

 w postaci kombinacji liniowej wektorów 

]

3

,

1

,

2

[

1

=

b

]

5

,

2

,

3

[

2

=

b

]

1

,

1

,

1

[

3

=

b

.

 

Rozwi zanie 

Wystarczy rozwi za  równanie

x

b

b

b

=

β

+

β

+

β

3

3

2

2

1

1

, czyli równanie 

]

7

,

2

,

6

[

]

1

,

1

,

1

[

]

5

,

2

,

3

[

]

3

,

1

,

2

[

3

2

1

=

β

+

β

+

β

]

7

,

2

,

6

[

]

,

,

[

]

5

,

2

,

3

[

]

3

,

,

2

[

3

3

3

2

2

2

1

1

1

=

β

β

β

+

β

β

β

+

β

β

β

]

7

,

2

,

6

[

]

5

3

,

2

,

3

2

[

3

2

1

3

2

1

3

2

1

=

β

+

β

β

β

β

+

β

β

+

β

+

β

Wektory s  równe wtedy i tylko wtedy, gdy maj  równe współrz dne. Dostajemy układ równa : 

=

β

+

β

β

=

β

β

+

β

=

β

+

β

+

β

.

7

5

3

,

2

2

,

6

3

2

3

2

1

3

2

1

3

2

1

 

Jego rozwi zaniem jest 

1

3

2

1

=

β

=

β

=

β

, wi c 

x

b

b

b

=

+

+

3

2

1

 

26. Zadanie  

Przedstawimy  wektor 

]

7

,

2

,

6

[

=

x

  w  postaci  kombinacji  liniowej  wektorów 

]

1

,

1

,

1

[

1

=

b

]

0

,

1

,

1

[

2

=

b

]

0

,

0

,

1

[

3

=

b

.

 

Rozwi zanie 

Wystarczy rozwi za  równanie

x

b

b

b

=

β

+

β

+

β

3

3

2

2

1

1

, czyli równanie 

]

7

,

2

,

6

[

]

0

,

0

,

1

[

]

0

,

1

,

1

[

]

1

,

1

,

1

[

3

2

1

=

β

+

β

+

β

]

7

,

2

,

6

[

]

0

,

0

,

[

]

0

,

,

[

]

,

,

[

3

2

2

1

1

1

=

β

+

β

β

+

β

β

β

]

7

,

2

,

6

[

]

,

,

[

1

2

1

3

2

1

=

β

β

+

β

β

+

β

+

β

Wektory s  równe wtedy i tylko wtedy, gdy maj  równe współrz dne. Dostajemy układ równa : 

=

β

=

β

+

β

=

β

+

β

+

β

.

7

,

2

,

6

1

2

1

3

2

1

 

Jego rozwi zaniem jest 

4

,

9

,

7

3

2

1

=

β

=

β

=

β

, wi c 

x

b

b

b

=

+

+

3

2

1

4

9

7