Уравнения с подстановками линейная алгебра

05. Перестановки и подстановки

Мы получили два эквивалентных определения определителя третьего порядка (формулы (4) и (5)). С помощью (4) определитель 3-го порядка вводится с помощью определителей второго порядка (разложение по столбцу). При этом легко проверяется, что все столбцы равноправны. Аналогично рекуррентным образом можно определить определитель n-го порядка (определитель квадратной матрицы n-го порядка), т. е.

=

= (7)

Но в этом случае уже не так просто, как для определителя третьего порядка, проверить, что разложения по остальным столбцам или строкам дают тот же самый результат. Поэтому чаще всего используют в качестве исходного другой подход к определению определителя n-го порядка. Но при этом используются в качестве вспомогательного материала перестановки и подстановки.

Пусть дан упорядоченный набор из N элементов. Элементы этого набора занумеруем числами 1, 2, 3, … , n. Очевидно, вместо того, чтобы говорить об элементах, можно говорить об их номерах.

Определение 5. Перестановкой Из N Чисел (или N символов) называется расположение этих чисел (или символов) в любом определённом порядке (без повторений).

Теорема 1. Число перестановок из N Символов равно n!

Доказательство. Составляя перестановку, в качестве первого её элемента можно выбрать точно n символов. Если первый элемент выбран, то в качестве второго элемента можно выбрать любой из оставшихся (n – 1) символов. Следовательно, первые два места можно заполнить n×(n – 1 ) способами. Если два места в перестановке уже заполнены, то на третье место можно поставить любой из оставшихся (n – 2) символов. Следовательно, первые три места можно заполнить n×(n – 1)×(n – 2 ) способами. Продолжая этот процесс, получим, что все n мест в перестановке можно заполнить n×(n – 1)×(n – 2)×…×3×2×1 = n! способами.

Говорят, что числа К и Р образуют в перестановке (…К…р…) Инверсию, если К > Р, Но в перестановке К стоит раньше Р. Перестановка называется Чётной, если она содержит чётное число инверсий. Перестановка называется Нечётной, если она содержит нечётное число инверсий.

Пример. 1) Перестановка (9, 7, 1, 3, 4, 8, 5, 2, 6) чётная. В ней число 9 образует инверсии со всеми стоящими за ней числами, их 8. Число 7 образует новые инверсии со всеми стоящими за ней числами, кроме числа 8, их 6. Число 1 не образует ни одной новой инверсии. Числа 3 и 4 образуют по одной новой инверсии с числом 2. Число 8 образует ещё инверсии с 5, 2 и 6, их 3. Число 5 образует инверсию с числом 2. Итак, получается 8 + 6 + 1 + 1 + 3 + 1 = 20 инверсий.

2) Перестановка ( 2, 1, 3, 5, 4, 6, 9, 8, 7) нечётная. В ней инверсии образуют пары чисел 2 и 1, 5 и 4, 9 и 8, 9 и 7, 8 и 7. Получилось 5 инверсий.

Если в перестановке два символа поменять местами, а все остальные символы оставить на старых местах, то получим новую перестановку. Это преобразование перестановки называется Транспозицией.

Теорема 2. Всякая транспозиция меняет чётность перестановки.

Доказательство. Пусть в перестановке символы К и Р меняются местами. При этом возможны два случая.

1) Символы К и Р В данной перестановке стоят рядом, т. е. (…К, Р …). После транспозиции получится перестановка (….Р, к …). Если К и Р Составляли инверсию в данной перестановке, то после инверсии они уже не будут составлять инверсию и наоборот. Число инверсий, которые К и Р Составляли в данной перестановке с остальными символами, не изменится. Следовательно, число инверсий изменится на 1, т. е. чётность перестановки изменится.

2) Символы К и Р В данной перестановке стоят не рядом, т. е. (….К,…,р…). После транспозиции получится перестановка (…Р,…,к…). Число инверсий, которые К и Р Составляли в данной перестановке с символами, стоящими перед К И после Р, не изменится. Если между К и Р Стоят M символов, то переставить К и Р можно следующим образом: переставить К последовательно с каждым из этих M Символов, затем переставить К и Р, затем в обратном порядке переставить Р с каждым из этих M символов. Получим 2m + 1 транспозиций соседних символов. По доказанному каждая из них меняет чётность перестановки. Итак, чётность перестановки изменилась.

Следствие. При n > 1 число чётных перестановок равно числе нечётных перестановок и равно 0,5×n!.

Определение 6. Подстановкой из N символов ( или Подстановкой N-ой степени) называется любое взаимнооднозначное отображение множества этих символов на себя.

Элементы данного множества будем обозначать 1, 2, …, n. Подстановка А может быть записана так: если число К переходит в число aК, то А = . Если в записи подстановки А Некоторые столбцы поменять местами, то получится то же самое отображение данного множества, т. е. та же подстановка. Например,

А = = .

Запись подстановки А = будем называть стандартной. Всякую подстановку можно записать в стандартном виде. Верхнюю и нижнюю строки подстановки можно рассматривать как перестановки. Подстановка А называется чётной, если её верхняя и нижняя строки есть перестановки одинаковой чётности, т. е. общее число инверсий в них – чётное. В противном случае А Называется Нечётной. Так как перестановка столбцов равносильна транспозиции как в верхней так и в нижней строке, то при перестановке столбцов чётность подстановки не изменится, поэтому чётность подстановки можно вычислять по её стандартному виду и в этом случае она совпадает с чётностью нижней строки.

Подстановка Е = называется Тождественной Или Единичной.

Произведением двух подстановок одного и того же порядка называется результат последовательного выполнения тех отображений, которые задают эти подстановки. Например, если А = , В = , то

А×В = . Действительно, первая подстановка переводит 1 в 5, вторая переводит 5 в 4, следовательно, окончательно 1 перейдёт в 4. Аналогично, , , следовательно, ; , , следовательно, ; , , следовательно, ; , , следовательно, ; , , следовательно, .

Аналогично получаем, что В×А = . Отсюда следует, что умножение подстановок не подчиняется коммутативному закону. Но можно проверить, что (А×В)×С = А×(В×С) для любых подстановок А, В, С Одного и того же порядка. Очевидно, А×Е = Е×А для любой подстановки А, Если А и Е Одного порядка. Для подстановок А = и В = очевидно А×В = В×А = Е. Следовательно, А-1 = В, т. е. каждая подстановка имеет обратную.

Системы линейных уравнений с двумя переменными. Часть 1. Метод подстановки для решения системы линейных уравнений с двумя переменными

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Мы научились составлять математическую модель для решения различных прикладных задач. В результате задача сводится к технике – решению уравнения или системы уравнений. На этом уроке мы научимся решать системы уравнений, а именно системы линейных уравнений с двумя переменными.

Решение систем уравнений

Содержание:

Графический метод решения систем уравнений

Вспоминаем то, что знаем

Что такое график уравнения с двумя неизвестными?

Что представляет собой график линейного уравнения с двумя неизвестными?

Решите графическим методом систему линейных уравнений:

Открываем новые знания

Решите графическим методом систему уравнений:

Как можно решить систему двух уравнений с двумя неизвестными с помощью графиков уравнений этой системы? Отвечаем, проверяем себя по тексту

В курсе алгебры 7-го класса вы изучали системы линейных уравнений.

Для их решения вы применяли три метода: графический, метод подстановки и метод алгебраического сложения. Эти же методы служат и для решения других систем двух уравнений с двумя неизвестными, в которых могут содержаться уравнения второй степени или другие рациональные уравнения — как целые, так и дробные.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по высшей математике:

Начнём с графического метода

Этот метод основан на том, что каждому уравнению с двумя неизвестными соответствует некоторое множество точек координатной плоскости (график этого уравнения). Построив графики уравнений, мы найдём точки пересечения этих графиков (если они есть), и пары чисел — координаты точек пересечения — будут представлять собой решения системы уравнений.

Найденные решения будут, вообще говоря, приближёнными, в зависимости от точности построений соответствующих графиков.

Таким образом, решить графически систему уравнений — значит найти общие точки графиков уравнений, входящих в систему.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Примеры с решением

Пример 1:

Решим систему уравнений:

Построим графики уравнений

Графиком первого уравнения является парабола, с вершиной в точке (0; 1) и ветвями, направленными вверх, графиком второго — прямая, проходящая через точки (0; 3) и (-3; 0).

Парабола и прямая пересекаются в точках А(2; 5) и В(— 1; 2).

Проверкой убеждаемся, что найденные пары чисел действительно являются решениями системы.

Ответ: (2; 5) и (-1; 2).

Пример 2:

Выясним количество решений системы уравнений:

Построим графики уравнений

Графики этих уравнений — окружности. Центр первой окружности — начало координат, а её радиус равен 2; центр второй окружности — точка Р(1; — 1), её радиус равен 3.

Окружности пересекаются в двух точках М и N, координаты которых можно найти приближённо. Поскольку нам нужно определить только количество решений, мы делать этого не будем.

Ответ: Два решения.

Решение систем уравнений методом подстановки

Вспоминаем то, что знаем

Расскажите, как решить систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными методом подстановки.

Решите систему линейных уравнений методом подстановки:

Открываем новые знания

Как вы думаете, можно ли применять метод подстановки при решении систем, где не все уравнения являются линейными? При каком условии это удастся сделать?

Решите систему уравнений методом подстановки:

Как решить систему двух уравнений с двумя неизвестными методом подстановки?

Всякую ли систему двух уравнений с двумя неизвестными можно решить методом подстановки?

Ранее вы решали системы уравнений первой степени.

Теперь познакомимся с системами, в которых хотя бы одно уравнение не является линейным. Как и прежде, распространённым методом решения систем является метод подстановки.

Пример 3:

Пусть (х; у) — решение системы.

Выразим х из уравнения

Подставим найденное выражение в первое уравнение:

Решим полученное уравнение:

Убедиться, что найденные пары чисел действительно являются решениями системы, можно подстановкой.

Чуть сложнее дело обстоит в следующем примере.

Пример 4:

Решим систему уравнений:

Пусть (х; у) — решение системы.

Выразим у из линейного уравнения:

Подставим найденное выражение в первое уравнение системы:

После преобразований получим:

Ответ: (-0,5; 0,5), (4; 5).

Если это целесообразно, то можно осуществлять подстановку некоторого выражения «в целом».

Пример 5:

Подставим во второе уравнение тогда его можно переписать в виде:

Теперь выразим х через у из первого уравнения системы:

Подставим в полученное ранее уравнение ху = 2:

Корни этого уравнения:

.

Иногда решить систему можно, используя метод алгебраического сложения.

Пример 6:

Сложим уравнения, предварительно умножив первое уравнение на —1. В результате получим:

.

Корни этого уравнения:

Подставим найденные значения в первое уравнение. Рассмотрим два случая:

1)

2) , получим уравнение корней нет.

Иногда упростить решение удаётся, используя различные варианты замены неизвестных.

Пример 7:

Решим систему уравнений:

Обозначим

Второе уравнение системы примет вид:

Решим полученное уравнение. Получим, умножая обе части на 2а:

Осталось решить методом подстановки линейные системы:

Ответ: (2; 1), (1; 2). Решение задач с помощью систем уравнений Знакомимся с новыми знаниями

Напомним, что при решении задач обычно действуют следующим образом:

1) обозначают буквами какие-нибудь неизвестные величины, выражают через них другие величины, составляют систему уравнений;

2) решают полученную систему;

3) отвечают на вопрос задачи.

Пример 8:

Периметр прямоугольника равен 34 см, а его диагональ 13 см. Найдите стороны прямоугольника.

Пусть х см — длина, у см — ширина (х у), тогда периметр прямоугольника — см.

Воспользуемся теоремой Пифагора:

Решим систему. Выразим из первого уравнения у:

Подставим во второе уравнение:

Корни уравнения:

Найдём

С учётом условия получим ответ: длина — 12 см, ширина — 5 см.

Пример 9:

Если произведение двух положительных чисел увеличить на первое из них, то получится 128. Если это же произведение увеличить на второе из них то получится 135. Найдите эти числа.

Пусть х — первое число, у — второе число.

Тогда: — произведение, увеличенное на первое число, ху 4-у — произведение, увеличенное на второе число.

Вычтем из второго уравнения первое. Получим:

Дальше будем решать методом подстановки:

Подставим в первое уравнение выражение для у:

Корни уравнения: (не подходит по смыслу задачи).

Найдём у из уравнения:

Получим ответ: 16 и 7.

Симметричные системы уравнений с двумя неизвестными

Уравнение с двумя неизвестными называется симметричным, если при перестановке этих неизвестных местами уравнение не меняется. Например, уравнение симметричное, так как при перестановке входящих в него неизвестных оно приобретает вид , то есть не меняется. А вот уравнение не симметричное, так как при перестановке входящих в него неизвестных оно приобретает вид , то есть меняется.

Система двух уравнений с двумя неизвестными называется симметричной, если каждое уравнение этой системы симметричное.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. В определении симметричной системы уравнений требуется, чтобы каждое уравнение в отдельности не менялось.

Например, если в системе уравнений

переставить местами неизвестные х и у, то получим систему:

Видно, что система в целом не изменилась (уравнения поменялись местами по сравнению с первоначальной системой). Но такая система не является симметричной, так как каждое из уравнений в отдельности изменилось.

Убедитесь, что симметричные системы с двумя неизвестными х и у можно решать с помощью замены неизвестных:

Сначала научитесь выражать через неизвестные выражения:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.