background image

Wykład 1. 4 października 2010

Zbiory liczbowe

=

{01, −12, −2, . . . } − zbiór liczb całkowitych

=

{1, −12, −2, . . . } − zbiór liczb całkowitych różnych od zera

=

+

=

{12345, . . . } − zbiór liczb naturalnych (całkowitych dodatnich)

=

{−1, −2, −3, −4, −5, . . . } − zbiór liczb całkowitych ujemnych

sign = sign(k) =

0, k = 0,
1, k

+

1, −k ∈

+

− znak liczby k

=

=

{k − l k, l ∈

}

Liczby naturalne wprowadzamy aksjomatycznie (aksjomatyka Peano) jako zbiór

w którym wyróżniony jest element 0 (najmniejsza liczba naturalna) i operacja na-

stępnika, która każdemu elementowi z

przyporządkowuje liczbę n

0

w ten sposób,

że

◦ 0 nie jest następnikiem żadnej

◦◦ różne liczby nie mogą mieć tego samego następnika

◦ ◦ ◦ jedynym podzbiorem Z ⊂

takim, że 0

∈ Z oraz jeśli n ∈ Z to również n

0

∈ Z,

jest zbiór

=

.

Na trzecim aksjomacie oparta jest zasada indukcji matematycznej:

jeśli chcemy wykazać pewną własność (n) dla wszystkich liczb naturalnych to

musimy sprawdzić, że

?

dla liczby 0 zachodzi własność (0)

??

jeśli dla zachodzi własność (n) to dla n

0

zachodzi własność (n

0

).

Przykład. Przy pomocy następnika definiujemy sumę liczb naturalnych

n

+ 0 = n, n m

0

= (m)

0

.

Ponadto 0

0

= 1 i wtedy n

0

= (+ 0)

0

+ 0

0

= 1.

Zatem następnikiem liczby jest liczba + 1.
Startując od 0 i wykonując kolejno operację następnika otrzymujemy kolejne liczby

naturalne, możemy w ten sposób otrzymać je wszystkie.

1

background image

Dla zbioru zdefiniujmy X

0

X

∪ {X}. Możemy wziąć 0 = ∅ oraz jeśli to

n

0

X

0

. Mamy stąd

1 = 0

0

=

0

=

{∅}, 2 = 1

0

=

{∅}

0

=

{∅, {∅}}, itd.

Przykład. Niech (n): 36

|10

n

− 4, co oznacza, że 10

n

− 4 = 36k.

Jeśli założymy tę własność dla to dla + 1 będziemy mieli

10

n+1

− 4 = 10 · 10

n

− 4 = 10 · (10

n

− 4) + 36 = 10 · 36+ 36 = 36(10+ 1)

co oznacza, że dla n

0

własność zachodzi. Ale nie zachodzi ona dla żadnej liczby

naturalnej bo liczba 10

n

− 4 nie jest podzielna przez 9 - przez 9 jest podzielna liczba

10

n

− 1.

Operatory sumy i iloczynu.

0

X

k=0

a

k

a

0

,

n+1

X

k=0

a

k

=

n

X

k=0

a

k

a

n+1

n

P

k=n

0

a

k

=

n

P

k=0

a

k

n

0

1

P

k=0

a

k

lub, jeśli a

k

nie są określone dla k < n

0

to kładziemy

n

X

k=n

0

a

k

=

n

X

k=0

f

a

k

,

f

a

k

=

a

k

, k

­ n

0

,

0, k < n

0

.

0

Y

k=0

a

k

a

0

,

n+1

Y

k=0

a

k

=

n

Y

k=0

a

k

· a

n+1

.

Własności operacji sumowania:

n

P

k=0

(a

k

b

k

) =

n

P

k=0

a

k

+

n

P

k=0

b

k

n

P

k=0

αa

k

α

n

P

k=0

a

k

n

P

k=0

a

k

=

n

P

k=0

a

n−k

,

n

P

k=0

1 = + 1.

Przykład. Niech S

n

= 0 + 1 +

· · · =

n

P

k=0

k

. Mamy

2S

n

=

n

X

k=0

k

+

n

X

k=0

(n

− k) =

n

X

k=0

(n

− k)

=

n

X

k=0

n

n

n

X

k=0

1 = n(+ 1),

2

background image

skąd mamy S

n

=

n(n+1)

2

.

|k| k · sign k − wartość bezwzględna liczby k

Własności wartości bezwzględnej:

• | − k| |k| ­ 0,

• |k · l| |k| · |l|,

• |k l| ¬ |k| |l|.

Twierdzenie o dzieleniu z resztą w

.

Jeżeli a i b są liczbami całkowitymi, b

6= 0to istnieje dokładnie jedna para liczb

całkowitych d i r takich, że

a

b

· d r, ¬ r < |b|.

d

d(a, b) - wynik dzielenia przez br(a, b) - reszta z dzielenia przez b.

Np.

37 = (7) · 6 + 5, d(37, −7) = 6, r(37, −7) = 5,

37 = 7

· 5 + 2, d(377) = 5, r(377) = 2.

Sformułowanie twierdzenia o dzieleniu z resztą jest przykładem zdania logicznego

w postaci implikacji.

Zdaniem logicznym jest każde

zdanie orzekające. Zdania logiczne oznaczamy

najczęściej p, q, r, s, t, . . . .

(

Za zdanie logiczne nie uznajemy raczej ”zdania” typu

Zdanie w tej ramce jest fałszywe )

Zdaniu przypisujemy jego wartość w(p), którą najczęściej

jest 0 lub 1 (mówimy

wtedy o logice dwuwartościowej). Jeżeli w(p) = 1 to mówimy, że zdanie jest prawdziwe
a przy w(p) = 0 mówimy o fałszywości zdania.

Z pojedynczych zdań możemy tworzyć zdania używając spójników zdaniowych

∨, ∧, =⇒, ⇐⇒ oraz operacji negacji

:

p

∨ q (lub q) - alternatywa zdań q

p

∧ q (q) - koniunkcja zdań q

p

⇒ q (jeżeli to q, z wynika qpociąga ) - implikacja zdań q- poprzednik

implikacji, - następnik implikacji

p

⇔ q (wtedy i tylko wtedy, gdy q) - równoważność zdań q

p

(nie p) - negacja zdania p

3

background image

Wartości logiczne spójników i negacji są najczęściej określane przy pomocy tabelek,

np. dla koniunkcji, alternatywy, implikacji i równoważności mamy

p q p

∧ q

0 0

0

1 0

0

0 1

0

1 1

1

p q p

∨ q

0 0

0

1 0

1

0 1

1

1 1

1

p q p

⇒ q

0 0

1

1 0

0

0 1

1

1 1

1

p q p

⇔ q

0 0

1

1 0

0

0 1

0

1 1

1

Dla negacji mamy

p

p

0 1
1 0

w

(

p

) = r(w(p) + 12)

Mamy wzory:

dla koniunkcji

w

(p

∧ q) = r(w(p· w(q)2) = w(p· w(q)

dla alternatywy

w

(p

∨ q) = r(w(p· w(q) + w(p) + w(q)2)

dla implikacji

w

(p

⇒ q) = r(w(p· w(q) + w(p) + 12)

dla równoważności

w

(p

⇔ q) = r(w(p) + w(q) + 12)

Zdanie utworzone ze zdań p, q, . . . i pewnej ilości spójników nazywamy tautologią

(lub prawem rachunku zdań) jeśli jego wartość wynosi 1 przy dowolnych wartościach
zdań składowych.

Np. prawa de Morgana są przykładem tautologii

(p

∨ q⇔ (

p

q

)

(p

∧ q⇔ (

p

q

)

prawo wyłączonego środka p

p

prawo podwójnej negacji

(

p

)

⇔ p.

Tautologie można sprawdzać przy pomocy odpowiednich tabelek lub wykorzystując

powyższe wzory:

p

p

(

p

)

(

p

)

⇔ p

0 1

0

1

1 0

1

1

w

(

(

p

)) = r(w(

p

)+12) = r(w(p)+22) = w(p).

w

(p

p

) = r(w(p)

· w(

p

) + w(p) + w(

p

)2)

r(w(p)

· w(p) + w(p) + w(p) + w(p) + 12) = r(4w(p) + 12) = 1.

4

background image

Wykład 2. 11 października 2010

Kwantyfikatory.
Zdanie w którym występuje zmienna nazywamy formą zdaniową. Oznaczamy je

często ϕ(x), ψ(x), np.

ϕ

(x) : x

2

¬ 0, ψ(x) : x

2

=

1.

Jeśli za zmienną podstawimy konkretną wartość to staje się ono zwykłym zdaniem,
prawdziwym lub fałszywym.

Zdania typu dla każdego x ze zbioru X zachodzi ϕ(x) oraz istnieje y ze zbioru Y

dla którego ψ

(yjest prawdą zapisujemy odpowiednio

∀x ∈ Xϕ(x)

∃y ∈ Y ψ(y)

Wyrażenie dla każdego które oznaczamy

∀ nazywamy kwantyfikatorem ogólnym

lub dużym a wyrażenie istnieje nazywamy kwantyfikatorem szczegółowym lub
małym.

Kwantyfikatory tego samego rodzaju można pisać w dowolnej kolejności, łączyć ze

sobą, natomiast nie można zmieniać kolejności między dużym i małym, np. w zdaniu

∀ε > 0∃n

0

∀n ­ n

0

|a

n

− g| < ε

zawarta jest definicja równości lim

n→∞

a

n

podczas gdy zdanie

∃n

0

∀ε > ∀n ­ n

0

|a

n

− g| < ε

jest równoważne zdaniu

∀n ­ n

0

a

n

g.

Prawa de Morgana dla kwantyfikatorów

∀x ∈ X ϕ(x⇔ ∃x ∈ X

ϕ

(x)

∃x ∈ X ϕ(x⇔ ∀x ∈ X

ϕ

(x).

Zasadę indukcji przy pomocy kwantyfikatorów możemy zapisać następująco:

w

((0)) = 1

∧ w(∀n ­ 0 ((n⇒ T (+ 1))) = 1 ⇔ ∀n ­ w((n)) = 1.

Nieco ogólniejsza zasada indukcji:

w

((n

0

)) = 1

∧ w(∀n ­ n

0

((n)

⇒ T (+ 1))) = 1 ⇔ ∀n ­ n

0

w

((n)) = 1.

Regułę tę otrzymamy z podstawowej zasady indukcji rozpatrując własność T

0

(n) =

T

(n

0

).

Indukcja wsteczna.

5

background image

∀n ­ n

0

w

((n)) = 1

⇔ w(∀n ­ n

0

+1((n)

⇒ T (n−1))) = 1 ∧∀n ∈ A w((n)) = 1,

gdzie

jest nieskończonym zbiorem liczb naturalnych, domyślnie pewnej szczególnej

postaci np. kwadratów liczb naturalnych, czy też potęg dwójki.

Przykład. Nierówność Cauchy’ego między średnią arytmetyczną i geometryczną:

∀n ­ ∀a

n

>

0

a

1

+

· · · a

n

n

­

n

a

1

· · · · · a

n

∀n ­ ∀a

n

>

0

n

P

k=1

a

k

n

­

n

v

u

u

t

n

Y

k=1

a

k

∀n ­ ∀a

n

>

0

1

n

n

X

k=1

a

k

­

 

n

Y

k=1

a

k

!

1/n

Dla = 2 nierówność jest równoważna nierówności

(a

1

a

2

)

2

− 4a

1

a

2

­ ⇔ (a

1

− a

2

)

2

­ 0,

skąd łatwo uzasadnić nierówność Cauchy’ego dla = 2

k

, np.

a

1

a

2

a

3

a

4

4

=

a

1

+a

2

2

+

a

3

+a

4

2

2

­

s

a

1

a

2

2

·

a

3

a

4

2

­

q

a

1

· a

2

·

a

3

· a

4

=

4

a

1

a

2

a

3

a

4

.

a

1

+

· · · a

n−1

n

− 1

= (a

1

+

· · · a

n−1

)(

1

n

− 1

1

n

) + (a

1

+

· · · a

n−1

)

1

n

=

1

n

(a

1

+

· · · a

n−1

+

1

n

− 1

(a

1

+

· · · a

n−1

))

­

a

1

· · · · · a

n−1

·

1

n

− 1

(a

1

+

· · · a

n−1

)

1/n

,

a

1

+

· · · a

n−1

n

− 1

11/n

­ (a

1

· · · · · a

n−1

)

1/n

a

1

+

· · · a

n−1

n

− 1

­ (a

1

· · · · · a

n−1

)

1/n−1

.

a, b

∈ , b > 0

r

(a, b) := a( mod b).

b

↔ m ­ r(a, m) = a( mod m).

m

=

{01, . . . , m − 1- zbiór reszt przy dzieleniu przez m.

2

=

{01}

s, t

m

s

+

m

t

t(

mod m) = r(t, m)

s

·

m

t

s

· ( mod m) = r(s · t, m).

Reszty można dodawać, mnożyć odejmować a w pewnych przypadkach dzielić:

6

background image

• dodawanie i mnożenie reszt są przemienne i łączne

• ∀s ∈

m

s

+

m

0 = s

• ∀s ∈

m

s

·

m

1 = s

• zachodzi rozdzielność mnożenia względem dodawania

(+

m

t

)

·

m

= (s

·

m

u

) +

m

(t

·

m

u

)

• ∀s ∈

m

∃t ∈

m

s

+

m

t

= 0.

Mamy

t

=:

−s =

s, s

= 0

m

− s, < s ¬ m − 1.

• ∀s ∈

m

\ {0}∃t ∈

m

s

·

m

t

= 1

⇔ m jest liczbą pierwszą

t

:= s

1

s

1

( mod m), np. (m

− 1)

1

= (m

− 1)

1

( mod m) = m

− 1.

s

s

·

m

t

1

m

­ 2 jest liczbą pierwszą ⇔ (m

1

· m

2

⇒ (m

1

= 1

∨ m

1

m)

- zbiór liczb pierwszych, {235, . . . }
r

(a, b) = 0 to b

|a

m

∈ P ⇔ ∀a, b ∈

m

|a · b ⇒ (m|a lub m|b)

Zasadnicze twierdzenie arytmetyki

Dla dowolnej liczby naturalnejm > 1 istnieje dokładnie jeden układ licz pierwszych

p

1

¬ · · · ¬ p

k

takich, że

m

p

1

· · · · · p

k

Największy wspólny dzielnik.

• NW D(00) = 0

• a, b ∈

, a

6= 0 lub b 6= 0 to NW D(a, b) = d ⇔ (d|a ∧ d|b ∧ ∀c ∈

(c

|a∧c|b ⇒

c

¬ d) (musi być wtedy c|d)

Twierdzenie o największym wspólnym dzielniku

∃ x, y ∈

N W D

(a, b) = xa yb

N W D

(a, b) = 1 to a, b względnie pierwsze.

7

background image

Zastosowanie.

s

m

s, m względnie pierwsze to

1 = xs ym

⇒ xs = 1 − my ⇒ s

1

x(

mod m).

Chińskie twierdzenie o resztach.

m

1

, . . . , m

s

, m

j

­ 2 liczby parami względnie pierwsze, r

j

m

j

, j

= 1, . . . , s

to istnieje dokładnie jeden element x

m

1

·····m

s

, taki, że r(x, m

j

) = r

j

, j

= 1, . . . , s.

Mamy wzór

x

=

s

X

j=1

r

j

r

(m

j

,

m

1

· · · · · m

s

m

j

)

1

( mod m

1

· · · · · m

s

).

Np. Dla = 2 m

1

k, m

2

+ 1 mamy

x

r

1

r

2

k.

Algorytm Euklidesa.

a

­ b NW D(a, b) = NW D(b, r(a, b))

r

0

r(a, b), r

1

r(b, r

0

), r

2

r(r

0

, r

1

)

r

k+1

r(r

k−1

, r

k

)

r

0

> r

1

> . . .

∃n r

n+1

= 0, r

n

6= 0

r

n

N W D(a, b)

8

background image

Wykład 3. 18 października 2010

Algorytm Euklidesa.

a

­ b NW D(a, b) = NW D(b, r(a, b))

r

0

r(a, b), r

1

r(b, r

0

), r

2

r(r

0

, r

1

)

r

k+1

r(r

k−1

, r

k

)

r

0

> r

1

> . . .

∃n r

n+1

= 0, r

n

6= 0

r

n

N W D(a, b)

zbiór liczb wymiernych (ułamków)

x

=

k

l

- ułamek, k

- licznik, l

- mianownik

x

=

m

n

, m, n

, n

­ 0 lub 

m

n

.

3 x {(m, n){(k, l)} ⇔ ml nk.

n

n

1

N W D

(m, n), m m

1

N W D

(m, n)

m

n

=

m

1

n

1

, N W D

(m

1

, n

1

) = 1.

9

background image

1. Liczby zespolone.
Liczby zespolone

pojawiły si¸e po raz pierwszy w ksi¸ażce włoskiego matematyka

Rafaela Bombelliego ”Algebra”

napisanej ok. roku 1560 a opublikowanej w 1572.

Liczba zespolona z

to element postaci

z

yi, gdzie x, y

oraz =

1.

Przyjmujemy, że jeżeli yi, w x

1

y

1

i

to

z

w

⇔ x x

1

, y

y

1

.

Jeżeli x+yi to liczby rzeczywiste nazywaj¸a si¸e odpowiednio cz¸eści¸a rzeczywist¸a
cz¸eści¸a urojon¸a liczby i oznaczamy je

x

=

<z, y =z.

Zatem =

<z =zi oraz w ⇔ <z <w =z =w.

Definiujemy 0 := 0 + 0i, 1 = 1 + 0i. Przez

oznaczamy zbiór liczb zespolonych.

Dodawanie i odejmowanie liczb zespolonych.

(yi) + (x

1

y

1

i

) := (x

1

) + (y

1

)i

czyli

<(w) = <z <w, =(w) = =z =w.

(yi)

− (x

1

y

1

i

) := (x

− x

1

) + (y

− y

1

)i

czyli

<(z − w) = <z − <w, =(z − w) = =z − =w.

−z (yi) = −x + (−y)−x − yi − liczba przeciwna :

<(−z) = −<z, =(−z) = −=z.

10

background image

Własności dodawania.
(1)

∀z, w ∈

z

(przemienność)

(2)

∀z ∈

z

+ 0 = 0 + (0 jest elementem neutralnym dodawania)

(3)

∀z ∈

z

+ (

−z) = (−z) + = 0 (liczba przeciwna jest elementem

odwrotnym dla dodawania

)

(4)

∀z, w, v ∈

(w) + + (v) (ł¸aczność dodawania).

Własności (1)–(4) wynikaj¸a z odpowiednich własności liczb rzeczywistych.

Mnożenie i dzielenie liczb zespolonych.

Liczba sprz¸eżona

yi, z := x

− yi.

Moduł liczby zespolonej: z

yi,

|z| :=

x

2

y

2

.

Mnożenie liczb zespolonych

:

(yi)

· (x

1

y

1

i

) := (xx

1

− yy

1

) + (xy

1

yx

1

)i.

(+ 0i)

· (x

1

+ 0i) = xx

1

+ 0i

∀a ∈

a

· (yi) = ax ayi

z

= 0

⇔ x = 0 ⇔ |z|

2

= 0; z

6= 0 ⇒ |z|

2

6= 0

z

· z |z|

2

Własności mnożenia:
(1)

∀z, w ∈

z

· w w · z (przemienność)

(2)

∀z ∈

z

· 1 = 1 · z (1 jest elementem neutralnym)

(3)

∀z, w, v ∈

(z

· w· v z · (w · v) (ł¸aczność)

(4)

∀z, w, v ∈

(w)

· v z · v w · v (rozdzielność mnożenia

wzgl¸edem dodawania

)

Dowody (3),(4): obliczamy lewe i prawe strony i porównujemy.

(5)

∀z ∈

\ {0} z ·

1

|z|

2

z

= 1 (liczba

1
z

=

1

|z|

2

z element odwrotny do z

)

z

w

z

1

w

=

1

|w|

2

z

· w =

z

· w

|w|

2

w

z

=

1

z

w

Własności sprz¸

eżenia liczby zespolonej.

(S1)

∀x, y ∈

x

x, yi =

−yi.

(S2)

∀z, w ∈

z

w, z

− w z − w.

(S3)

∀z, w ∈

z

· w z · w,

z

w

=

z

w

.

(S4)

∀z ∈

<z =

z+z

2

,

=z =

z−z

2i

.

(S5)

∀z ∈

z

· z |z|

2

.

Ad S3) Wystarczy sprawdzić pierwsz¸a równość gdy x

1

y

1

i, y

1

,

gdyż jeśli wzór b¸edzie prawdziwy w takich przypadkach to

z

· w z · x

1

z

· y

1

i

(S2)

z

· x

1

z

· y

1

i

z

· x

1

z

· (−y

1

i

) = z

· w

11

background image

z

· x

1

xx

1

yx

1

i

⇒ z · x

1

xx

1

− yx

1

i

= (x

− yi· x

1

z

· x

1

;

z

· (y

1

i

) = xy

1

i

− yy

1

=

−yy

1

xy

1

i

z

· (y

1

i

) =

−yy

1

− xy

1

i

= (

−y − xi· y

1

=

−y − xi

−i

· (−y

1

i

) = (+

y

i

)(y

1

i

) = (x

− yi)(y

1

i

) = z(y

1

i

);

z

w

· w z ⇒

z

w

· w z ⇒

z

w

=

z

w

.

Własności modułu liczby zespolonej.

(M1)

∀z ∈

|z| |z| ­ 0; |<z| ¬ |z|, |=z| ¬ |z|;

(M2)

|z| = 0 ⇔ z = 0;

(M3)

∀z, w ∈

|z · w| |z| · |w|;

z

w

=

|z|

|w|

;

(M4)

∀z, w ∈

|z w|

2

=

|z|

2

+

|w|

2

+ 2

<(zw);

(M5)

∀z, w ∈

|z w|

2

+

|z − w|

2

= 2

|z|

2

+ 2

|w|

2

;

(M6)

∀z, w ∈

|z w| ¬ |z| |w|.

Ad (M3): (M3)

⇔ |z · w|

2

=

|z|

2

· |w|

2

:

|z · w|

2

z

· w · z · w z · w · z · w z · z · w · w |z|

2

· |w|

2

;

z

w

· w z ⇒

z

w

· |w| ⇒

z

w

=

|z|

|w|

.

Ad (M4)

|z w|

2

= (w)

· z = (w)(w) = z · z w · w z · w z · w

=

|z|

2

+

|z|

2

z

· w z · w =

(S4)

=

|z|

2

+

|w|

2

+ 2

<(z · w).

Ad (M5)

|z w|

2 (4)

=

|z|

2

+

|w|

2

+ 2

<(z · w),

|z − w|

2

=

|z|

2

+

|w|

2

+ 2

<(z · (−w)),

|z w|

2

+

|z − w|

2

= 2

|z|

2

+ 2

|w|

2

+ 2

<(z · w − z · w) = 2|z|

2

+ 2

|w|

2

.

Ad (M6)

|z w|

2

=

|z|

2

+

|w|

2

+ 2

<(z · w¬ |z|

2

+

|w|

2

+ 2

|<(z · w)| ¬ |z|

2

+

|w|

2

+ 2

|z · w|

=

|z|

2

+

|w|

2

+ 2

|z| · |w| = (|z| |w|)

2

⇒ |z w| ¬ |z| |w|.

Zastosowanie:
Niech yi, w vi, x, y, u, v

|z|

2

x

2

y

2

=: n

,

|w|

2

u

2

v

2

=: m

;

12

background image

n

· m |z|

2

· |w|

2

=

|(xu − yv) + (xv yu)i|

2

= (xu

− yv)

2

+ (xv yu)

2

,

oraz xu

− yv, xv yu ∈ .

Wniosek: jeśli liczby naturalne s¸a sumami dwóch kwadratów liczb całkowitych

to ich iloczyn ma również t¸e własność

Postać trygonometryczna liczby zespolonej.

Niech z

, z

6= 0. Wtedy możemy napisać

z

yi =

q

x

2

y

2

·

 

x

x

2

y

2

+

y

x

2

y

2

i

!

.

Oznaczmy

q

x

2

y

2

r,

x

x

2

y

2

s,

y

x

2

y

2

t.

Wtedy =

|z| oraz punkt (s, t) leży na okr¸egu jednostkowym gdyż s

2

t

2

= 1. Dlatego

istnieje liczba ϕ

taka, że = cos ϕ, t = sin ϕ.

Liczb¸e ϕ nazywamy argumentem liczby i definiujemy

arg =

{ϕ ∈

ϕ

− argument z}

Ponadto

ϕ

0

∈ [02π), ϕ

0

- argument z.

ϕ

0

=: Arg - argument główny z:

{Arg z} = arg z ∩ [02π).

Mamy

arg =

{Arg + 2kπ k ∈ } {ϕ + 2kπ k ∈ },

gdzie ϕ jest dowolnym ustalonym argumentem liczby z. Zatem

z

r(cos ϕ + sin ϕi), r =

|z|, ϕ ∈ arg z

i jest to tzw. postać trygonometryczna liczby zespolonej z. Mamy przy tym

z

w

⇔ |z| |w| i arg = arg w ⇔ |z| |w| i Arg = Arg w.

Niech r

1

(cos ϕ

1

+ sin ϕ

1

i

), w r

2

(cos ϕ

2

+ sin ϕ

2

i

). Wtedy

z

· w r

1

r

2

(cos ϕ

1

+ sin ϕ

2

i

)(cos ϕ

12

+ sin ϕ

2

i

) = r

1

r

2

(cos(ϕ

1

ϕ

2

) + sin(ϕ

1

ϕ

2

)i),

z

w

=

r

1

(cos ϕ

1

+ sin ϕ

1

i

)

r

2

(cos ϕ

2

+ sin ϕ

2

i

)

=

r

1

r

2

(cos(ϕ

1

− ϕ

2

) + sin(ϕ

1

− ϕ

2

)i),

czyli

arg(z

· w) = 

1

ϕ

2

ϕ

1

∈ arg z, ϕ

2

∈ arg w} = arg + arg w,

arg

z

w

=

1

− ϕ

2

ϕ

1

∈ arg z, ϕ

2

∈ arg w} = arg z − arg w.

Wzór de Moivre’a.

13

background image

Jeżeli ϕ

∈ arg to

z

n

= (r(cos ϕ + sin ϕi))

n

r

n

(cos nϕ + sin nϕi), n

(n

∈ ).

Dla n

wzór dowodzimy przez indukcj¸e, a dla k

∈ , k < 0 wykorzystujemy

dzielenie liczb w postaci trygonometrycznej.

Pierwiastki stopnia z liczby zespolonej.

n

q

r

(cos ϕ + sin ϕi) =

(

n

r

 

cos

ϕ

+ 2

n

+ sin

ϕ

+ 2

n

i

!

= 01, . . . , n

− 1

)

=

{w

k

= 01, . . . , n

− 1}.

Mamy bowiem

n

z

=

{w ∈

w

n

z

}.

Jeśli w

n

z

to ρ(cos ψ + sin ψi) i z wzoru de Moivre’a ρ

n

r, nψ

∈ arg z ⇒

ϕ + 2. Ale

k

m

· n k

0

, k

0

∈ {01, . . . , n − 1}

to ψ =

ϕ+2k

0

π

n

+ 2, co oznacza w

k

0

. Oczywiście dla wszystkich k w

n

k

z.

14

background image

(I)

=

2

- definicja liczb zespolonych jako punktów płaszczyzny. Liczby

zespolone jako wektory.

Y

ϕ

X

z

yi

x

y

w

z

w

z

− w

1

i

(x, y) + (x

1

, y

1

) := (x

1

, y

y

1

)

(x, y)

· (x

1

, y

1

) := (xx

1

− yy

1

, xy

1

yx

1

)

(x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0)

· (10) + (y, 0) · (01)

1 = (10), i = (01), x = (x, 0), y = (y, 0)

z

= (x, y) = yi

O

z

= (x, y) - wektor zaczepiony w pocz¸atku układu współrz¸ednych O

x, y

współrz¸edne wektora z

x

- rzut wektora na oś OX

15

background image

y

- rzut wektora na oś OY

ϕ

- k¸at (skierowany) osi OX z

|z| - długość wektora z
|z − w| 
- odległość punktów w
z

◦ w = (w, y◦ (x

1

, y

1

) = xx

1

yy

1

iloczyn skalarny wektorów z i w

z

◦ w <(z · w).

{z ∈

:

|z − z

0

R} O(z

0

, R

),

{z ∈

:

|z − z

0

| < R} K(z

0

, R

),

{z ∈

:

|z − z

1

|z − z

2

R} E(z

1

, z

2

, R

)(R >

|z

1

− z

2

).

O

(z

1

, R

) - okr¸ag, K(z

0

, R

) - koło,

E(z

1

, z

2

, R

) - elipsa o ogniskowych w punktach z

1

i

z

2

.

(II)

{f :

2

−→

2

jest złożeniem jednokładności o środku O

i skali r

­ 0 oraz obrotu o k¸at ϕ wzgl¸edem osi OX}

Y

ϕ

r

X

y

x

x

r

= cos ϕ

y
r

= sin ϕ

f

(x, y) =?

f

(x, y) = (x(10) + y(01)) = xf (10) + yf (01)

(10)

−→ (r, 0) −→ (cos ϕ, r sin ϕ),

(01)

−→ (0, r−→ (cos(ϕ +

π

2

), r sin(ϕ +

π

2

) = (

−r sin ϕ, r cos ϕ),

f

(x, y) = x(cos ϕ, r sin ϕ) + y(

−r sin ϕ, r cos ϕ)

= (cos ϕx

− r sin ϕy, r sin ϕx cos ϕy).

dodawanie odwzorowań

↔ dodawanie liczb zesplonych

składanie odwzorowań

↔ mnożenie liczb zespolonych

odwzorowanie odwrotne

↔ odwrotność liczby zespolonej

(III)

16

background image

f

:

2

−→

2

- odwzorowanie liniowe:

f

(a(s, t)) = af (s, t), f ((s, t) + (s

1

, t

1

)) = (s

1

, t

t

1

) = (s, t) + (s

1

, t

1

),

f

(s, t) = sf (10) + tf (01).

Ogólna postać odwzorowania liniowego

2

−→

2

:

f

(s, t) = (as bt, a

1

s

b

1

t

) = sf (10) = tf (01),

f

(10) = (a, a

1

), f (01) = (b, b

1

).

{f :

2

−→

2

(s, t) = (zs

− yt, ys xt), x, y ∈

(ustalone)

}

dodawanie odwzorowań

↔ dodawanie liczb zespolonych

składanie odwzorowań

↔ mnożenie liczb zespolonych

odwzorowanie odwrotne

↔ odwrotność liczby zespolonej

f

(s, t) = (xs

− yt, ys xt), f(10) = (x, y), f(01) = (−y, x).

f

(ti) = (yi)

· (ti).

17

background image

(IV)
f

:

2

−→

2

- odwzorowanie liniowe

Zamiast (s, t) b¸edziemy pisać

"

s

t

#

.

Możemy napisać

f

"

s

t

#

=

"

as

bt

a

1

s

b

1

t

#

=

"

a b

a

1

b

1

# "

s

t

#

.

Odwzorowaniu odpowiada tablica (macierz)

f

"

a b

a

1

b

1

#

Sum¸e macierzy definiujemy jako macierz odpowiadaj¸ac¸a sumie odwzorowań, iloczyn
macierzy definiujemy jako tablic¸e która odpowiada składaniu odwzorowań. Jeżeli

f

"

a b

a

1

b

1

#

, g

"

˜

˜

b

˜

a

1

˜b

1

#

to

f

g

"

a b

a

1

b

1

#

+

"

˜

˜b

˜

a

1

˜b

1

#

,

f

◦ g ↔

"

a b

a

1

b

1

#

·

"

˜

˜b

˜

a

1

˜b

1

#

"

a b

a

1

b

1

#

+

"

˜

˜b

˜

a

1

˜b

1

#

:=

"

a

+ ˜

a

b

+ ˜b

a

1

+ ˜

a

1

b

1

+ ˜b

1

#

"

a b

a

1

b

1

#

·

"

˜

˜b

˜

a

1

˜b

1

#

:=

"

a

˜

a

b˜

a

1

a˜b

b˜b

1

a

1

˜

a

b

1

˜

a

1

a

1

˜b

1

˜b

1

#

.

Zbiór macierzy (tablic) o dwóch wierszach i dwóch kolumnach oznaczmy

M

(2,2)

. Defi-

niujemy

:=

("

x

−y

y x

#

, x, y

)

.

dodawanie macierzy

↔ dodawanie liczb zespolonych

mnożenie macierzy

↔ mnożenie liczb zespolonych

Sk¸ad bior¸a si¸e powyższe macierze?
Oznaczmy przez f

z

odwzorowanie

−→

dane wzorem

f

z

(w) = z

· w.

Jest to odwzorowanie

liniowe bo

f

z

(w

1

w

2

) = z(w

1

w

2

) = zw

1

zw

2

f

z

(w

1

) + f

z

(w

2

), w

1

, w

2

f

z

(tw) = z(tw) = t(zw) = tf

z

(w), w

, t

.

Oznaczmy zbiór tych odwzorowań

liniowych przez

C

18

background image

Odwzorowanie

Φ :

3 z −→ f

z

∈ C

spełnia warunki:

- jest bijekcj¸a,
- Φ(w) = Φ(z) + Φ(w)Φ(z

· w) = Φ(z◦ Φ(w).

Mówimy, że Φ jest wtedy izomorfizmem.
Ponieważ przy ustalonej bazie

mamy izomorfizm f

z

−→ M

f

z

to musimy tylko

znaleźć postać macierzy M

f

z

. W tym celu przyjmijmy

{1, i}. Jeżeli

M

f

z

=

"

a b
a

1

b

1

#

to

"

a
a

1

#

f

z

(1),

"

b
b

1

#

f

z

(i)

i otrzymamy

f

z

(1) = z

· 1 = yi =

"

x
y

#

,

f

z

(i) = zi = (iy)=

−y xi =

"

−y
x

#

.

Ostatecznie

M

f

z

=

"

x

−y

y

x

#

.

Dla liczby zespolonej w postaci macierzy mamy nast¸epuj¸ac¸a jej postać trygonome-

tryczn¸a

"

x

−y

y

x

#

=

"

r

0

r

#

·

"

cos φ

− sin φ

sin φ

cos φ

#

.

Macierz

=

"

a b
c d

#

nazywamy symetryczn¸a jeśli A

T

czyli c.

Macierz symetryczn¸a nazywamy dodatnio określon¸a , co zapisujemy 0 jeśli

(x, y

2

\ {(00)} ax

2

+ 2bxy cy

2

>

0.

0

⇔ ad − b

2

>

0, a > 0, d > 0.

Macierz kwadratow¸a nazywamy ortogonaln¸a jeśli macierz transponowana B

T

jest

macierz¸a odwrotn¸a do B

B

· B

T

B

T

· I.

Jedynymi macierzami ortogonalnymi wymiaru 2 s¸a macierze postaci

=

"

cos φ

− sin φ

sin φ x cos φ

#

lub

19

background image

=

"

cos φ sin φ
sin φ

− cos φ

#

=

"

cos φ

− sin φ

sin φ cos φ

#

·

"

1 0
0

1

#

.

W pierwszym przypadku mamy det = 1 a w drugim det =

1.

20

background image

Twierdzenie spektralne
Jeżeli jest macierz¸a symetryczn¸a dodatnio określon¸a to istnieje macierz ortogo-

nalna taka, że

C

·

"

λ

1

0

λ

2

#

· C

T

,

gdzie liczby dodatnie λ

1

, λ

2

s¸a wartościami własnymi macierzy czyli pierwiastkami

równania

det(A

− λI) = 0 ⇔ λ

2

− (d)λ ad − b

2

= 0.

Jeśli λ

1

6λ

2

to macierz jest dokładnie jedna i jest równa unormowanym warto-

ściom własnym

odpowiadaj¸acym λ

1

λ

2

. Oznacza to, że

=

"

a b
c d

#

,

A

"

a
c

#

λ

1

"

a
c

#

,

A

"

b
d

#

λ

2

"

b
d

#

oraz a

2

c

2

= 1, b

2

d

2

= 1.

Dla dodatnio określonej macierzy symetrycznej istnieje jej pierwiastek kwadra-

towy

A

1

2

czyli macierz symetryczna dodatnio określona taka, że

A

1

2

· A

1

2

A.

Jest ona zdefiniowana nast¸epuj¸aco

A

1

2

C

·

"

λ

1

0

0

λ

2

#

· C

T

.

Twierdzenie o rozkładzie biegunowym.
Je´li macierz jest nieosobliwa (det C

6= 0) to istniej¸a: dodatnio określona macierz

symetryczna i ortogonalna macierz takie, że

A

· B.

Szkic dowodu.

Przypuśćmy, że mamy rozkład A

· B. Wtedy

C

· C

T

A

· · B

T

· A

T

=

·· A

T

A

2

.

Macierz C

· C

T

jest symetryczna i dodatnio określona, st¸ad

=

CC

T

1/2

.

Wtedy

=

CC

T

1/2

C

jest macierz¸a ortogonaln¸a.

Jeśli macierz ma dwie różne wartości własne a niekoniecznie jest symetryczna to

dla niej również zachodzi twierdzenie spektralne je´li jest przemienna ze swoj¸a macierz¸a
transponowan¸a A

· A

T

A

T

· (mówimy, że jest normalna):

21

background image

C

·

"

λ

1

0

λ

2

#

· C

T

.

Wtedy również

A

n

C

·

"

λ

n

1

0

λ

n

2

#

· C

T

.

Jeśli macierz ma dwie różne wartości własne λ

1

, λ

2

a nie jest normalna to można

znaleźć macierz nieosobliw¸a tak¸a, że

B

·

"

λ

n

1

0

λ

n

2

#

· B

1

A

n

B

·

"

λ

n

1

0

λ

n

2

#

· B

1

.

Jeśli λ

1

, λ

2

to macierz ma elementy rzeczywiste, s¸a one liczbami zespolonymi

gdy wartości własne s¸a liczbami zespolonymi.

Ci¸

ag Fibonacciego.

Ci¸ag Fibonacciego F

n

określony jest warunkami

F

0

= 0, F

1

= 1, F

n+2

F

n

F

n+1

.

Łatwo sprawdzamy, że wtedy

"

F

n−1

F

n

F

n

F

n+1

#

=

"

0 1
1 1

#

n

.

Wartościami własnymi macierzy

"

0 1
1 1

#

s¸a pierwiastki równania

λ

2

− λ − 1 = 0.

Łatwo obliczamy, że

λ

1

=

1
2

+

1
2

5, λ

2

=

1
2

1
2

5.

Macierz ma postać

=

1

1+λ

2
1

1

1+λ

2
2

λ

1

1+λ

2
1

λ

2

1+λ

2
2

.

Zadanie.
Podać wzór na F

n

.

22