Лекции и конспекты по математике Примеры решения задч

Вспомним, как в обычном трехмерном пространстве мы вычисляли скалярное произведение векторов. Если координаты векторов

$\displaystyle {\bf a}=({\alpha}_1,\,{\alpha}_2,\,{\alpha}_3)$   и$\displaystyle \quad {\bf b}=({\beta}_1,\,{\beta}_2,\,{\beta}_3)$

были заданы в ортонормированном базисе, то скалярное произведение вычислялось по формуле

$\displaystyle {\bf a}{\bf b}={\alpha}_1{\beta}_1+{\alpha}_2{\beta}_2+{\alpha}_3{\beta}_3.$

Аналогичной формулой можно задать и скалярное произведение в $ n$ -мерном пространстве.

Пусть $ L$  -- вещественное $ n$ -мерное пространство, в котором задан базис $ {e_1,\,e_2,\ldots,\,e_n}$ . Тогда векторы $ a$ и $ b$ из $ L$ задаются своими координатами:

$\displaystyle a={\alpha}_1e_1+{\alpha}_2e_2+\ldots+{\alpha}_ne_n,\quad b={\beta}_1e_1+{\beta}_2e_2+\ldots+{\beta}_ne_n.$

Скалярное произведение векторов, обозначаеся оно обычно $ {(a,b)}$ , задается формулой

$\displaystyle (a,b)={\alpha}_1{\beta}_1+{\alpha}_2{\beta}_2+\ldots+{\alpha}_n{\beta}_n.$(18.3)
 


В отличие от обычного трехмерного пространства, где с помощью транспортира и линейки можно измерить угол между векторами и длину вектора, в $ n$ -мерном пространстве ни угол между векторами, ни длину вектора измерить невозможно (как можно, например, измерить длину многочлена или угол между многочленами?). Поэтому ортонормированным в $ n$ -мерном пространстве называется тот базис, в котором скалярное произведение вычисляется по формуле (18.3).

Если $ {{\alpha}=\left(\begin{array}{c}{\alpha}_1\\ {\alpha}_2\\ \vdots\\ {\alpha}_n\end{array}\right)}$ , $ {{\beta}=\left(\begin{array}{c}{\beta}_1\\ {\beta}_2\\ \vdots\\ {\beta}_n\end{array}\right)}$  -- координатные столбцы векторов $ a$ и $ b$ , то скалярное произведение можно задать формулой

$\displaystyle (a,b)={\alpha}^{\top}{\beta}.$

Предоставляем читателю самостоятельно убедиться в совпадении этой формулы с формулой (18.3)

        Определение 18.5   Вещественное линейное пространство, в котором задано скалярное произведение называется евклидовым пространством.         

В трехмерном пространстве модуль вектора равен корню квадратному из скалярного произведения вектора на себя $ {\vert{\bf a}\vert=\sqrt{{\bf a}\cdot {\bf a}}}$ . В евклидовом пространстве модуль вектора определим аналогично

$\displaystyle \vert a\vert=\sqrt{(a,a)},$

то есть

$\displaystyle \vert a\vert=\sqrt{{\alpha}_1^2+{\alpha}_2^2+\ldots+{\alpha}_n^2}.$

В трехмерном пространстве с помощью склярного произведения определялся угол между векторами. В евклидовом пространстве тоже можно определить угол между векторами. Но угол в $ n$ -мерном пространстве не имеет существенного значения, кроме одного случая. В трехмерном проcтранстве два вектора ортогональны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю.

        Определение 18.6   Два вектора евклидова пространства называются ортогональными, если их скалярное произведение равно нулю.         

Свойства линейных пространств.

 1) В каждом линейном пространстве существует только один нулевой элемент.

 2) Для каждого элемента существует только один противоположный элемент.

  3) Для каждого Î L верно 0× = 0

  4) Для каждого a Î R и Î L верно a×=

 5) Если a× = , то a = 0 или  =

  6) (-1)   = -

 

Линейные преобразования.

  Определение: Будем считать, что в линейном пространстве L задано некоторое линейное преобразование А, если любому элементу Î L по некоторому правилу ставится в соответствие элемент АÎ L.

 Определение: Преобразование А называется линейным, если для любых векторов Î L и Î L и любого a верно:

A(+) = A+A

A(a) = aA

 

  Определение: Линейное преобразование называется тождественным, если оно преобразует элемент линейного пространства сам в себя.

Е =

Замена переменного

 Пусть функция f(x) непрерывна, функции х(t) и t(x)взаимно обратны и непрерывно дифференцируемы на соответствующих промежутках. Тогда первообразная для функции f(x) имеет вид F(x) = Ф(t(x)), где Ф(t) есть первообразная для функции f(x (t)) x(t). Коротко это утверждение записывается так:

.

  Функция х(t) подбирается таким образом, чтобы подынтегральное выражение приняло более удобный для интегрирования вид. Выбор ее определяется конкретно видом подынтегрального выражения. Рассмотрим некоторые часто встречающиеся замены:

 А. Вычисление интегралов  n, m – целые

I. Если оба показателя n и m – неотрицательные четные числа, то применяются формулы понижения степени:

  .

II. Если n и m – натуральные числа такие, что хотя бы одно из них нечетное, то в случае нечетного m полагаются sin x = t, а в случае нечетного n полагаются cos x = t и применяют либо формулу 1 – сos2 x = sin2 x = cos2 x/

III. Если n и m – целые неотрицательные числа такие, что оба числа |m| и |n| либо четные, либо нечетные, то полагают tg x = t и применяют формулы:

.

К этому типу сводятся интеграл вида

.

Математический анализ Типовые расчеты по математике