Giải Đề cương Đại số - Chương 5 (2024) (CLB HTHT HUST)

UN
Uni24h
0 lượt tải
30
0
Có lời giải

Nội dung tài liệu

Trang 1

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập GIẢI ĐỀ CƯƠNG MÔN ĐẠI SỐ TUYẾN TÍNH NHÓM NGÀNH 1 CHƯƠNG V: DẠNG SONG TUYẾN TÍNH, DẠNG TOÀN PHƯƠNG. KHÔNG GIAN EUCLID Câu 1. Cho f là dạng song tuyến tính trên không gian 3 chiều V có ma trận đối với cơ sở  β =  1 −1 0    {u1,u2,u3} là A = −2 0 −2. Cho h :V →V là ánh xạ tuyến tính có ma trận đối với cơ sở β là     3 4 5   −1 1 1    B = −3 −4 2 .     1 −2 −3 1. Xác định f (u1,u3), f (u1 −u2 +u3,2u1 +3u2 −u3) 2. Chứng minh ánh xạ g(u,v) = f (u,h(v)) là dạng song tuyến tính trên V. Tìm ma trận của nó đối với cơ sở β [Hướng dẫn giải] +) Ta có:      1 −1 0  0       • f (u ,u ) = [u ]T ·A·[u ] = · ·  = 0 1 3 1 β 3 β 1 0 0 −2 0 −2 0     3 4 5 1 • f (u −u +u ,2u +3u −u ) = [u −u +u ]T ·A·[2u +3u −u ] 1 2 3 1 2 3 1 2 3 β 1 2 3 β      1 −1 0   2        = · ·  1 −1 1 −2 0 −2  3      3 4 5 −1 = 14 +) Ta có: • h :V →V là ánh xạ tuyến tính có ma trận đối với cơ sở β là B. ⇒ [h(v)]β = B.[v]β (∀v). • f là dạng song tuyến tính trên không gian 3 chiều V — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 1

Trang 2

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập ⇒ f(u,h(v)) = [u]T ·A·[h(v)] (∀u,h(v) ∈V). β β Suy ra: g(u,v) = f(u,h(v)) = [u]T ·A·[h(v)] = [u]T ·A·B·[v] β β β β +) Khi đó có thể dễ dàng chứng minh được: g(au +bu ,v) = ag(u ,v) +bg(u ,v) 1 2 1 2 ∀a,b ∈ R g(u,av +bv ) = ag(u,v ) +bg(u,v ) 1 2 1 2 Vậy g là dạng song tuyến tính trên V có ma trận đối với cơ sở β là AB. Câu 2. Cho dạng song tuyến tính trên P2[x] xác định bởi f(p(x),q(x)) = p(1)q(2). Tìm ma trận và biểu thức của f đối với cơ sở chính tắc. [Hướng dẫn giải] +) Ta có: f(1,1) = 1 f(1,x) = 2 f(1,x2) = 4 f(x,1) = 1 f(x,x) = 2 f(x,x2) = 4 f(x2,1) = 1 f(x2,x) = 2 f(x2,x2) = 4   1 2 4   +) Vậy ma trận của f đối với cơ sở chính tắc là  , suy ra: 1 2 4   1 2 4 f(a x2 +b x+c ,a x2 +b x+c ) = a a +2a a +4a a +a a +2a a +4a a +a a +2a a +4a a 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 3 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2 3 3 Câu 3. Xác định a để các dạng toàn phương xác định dương: a) 5x2 +x2 +ax2 +4x x −2x x −2x x . 1 2 3 1 2 1 3 2 3 b) 2x2 +x2 +3x2 +2ax x +2x x . 1 2 3 1 2 1 3 c) x2 +x2 +5x2 +2ax x −2x x +4x x . 1 2 3 1 2 1 3 2 3 [Hướng dẫn giải]    5 2 −1   +) Ma trận của f đối với cơ sở chính tắc là A =  2 1 −1     −1 −1 a • Để f(x,x) xác định dương thì: — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 2

Trang 3

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   5 > 0     △1 > 0  5 > 0 5 2 △2 > 0 ⇔ > 0 ⇔ 1 > 0 ⇔ a > 2   2 1  △ > 0  a−2 > 0 3  |A| > 0 • Vậy a > 2 thì thoả mãn bài toán.   2 a 1   +) Ma trận của f đối với cơ sở chính tắc là B = a 1 0     1 0 3 • Để f(x,x) xác định dương thì:  2 > 0  △ > 0  2 > 0 √ √  1   2 a 5 15 15 △ > 0 ⇔ > 0 ⇔ 2−a2 > 0 ⇔ a2 < ⇔ − < a <  2   3 3 3   a 1  △ > 0  5−3a2 > 0 3  |B| > 0 √ √ 15 15 • Vậy − < a < thì thoả mãn bài toán. 3 3    1 a −1   +) Ma trận của f đối với cơ sở chính tắc là C =  a 1 2      −1 2 5 • Để f(x,x) xác định dương thì:  1 > 0  △ > 0  1 > 0   1   −1 < a < 1 1 a 4 △ > 0 ⇔ > 0 ⇔ 1−a2 > 0 ⇔ 4 ⇔ − < a < 0  2    5   a 1  − < a < 0 △ > 0  −4a−5a2 > 0 5 3  |C| > 0 4 • Vậy − < a < 0 thì thoả mãn bài toán. 5 Câu 4. Trên R3 cho các dạng toàn phương ω có biểu thức tọa độ: ω (x ,x ,x ) = x 2 +5x 2 −4x 2 +2x x −4x x . ω (x ,x ,x ) = x x +4x x +x x . 1 1 2 3 1 2 3 1 2 1 3 2 1 2 3 1 2 1 3 2 3 1. Bằng phương pháp Lagrange, đưa dạng toàn phương về dạng chính tắc. 2. Xét xem các dạng toàn phương xác định dương, xác định âm không? — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 3

Trang 4

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập [Hướng dẫn giải] +) ω (x ,x ,x ) = x 2 +5x 2 −4x 2 +2x x −4x x  1 1 2 3 1 2 3   1 2 1 3  = x 2 +2x (x −2x ) + (x −2x )2 + 5x 2 −4x2 −(x −2x )2 1 1 2 3 2 3 2 3 2 3 = (x +x −2x )2 + (4x2 −8x2 +4x x ) 1 2 3 2 3 2 3 = (x +x −2x )2 + (2x +x )2 −9x2 1 2 3 2 3 3 = y2 +y2 −y2 1 2 3 • Với y1 = x1 +x2 −2x3,y2 = 2x2 +x3,y3 = 3x3 • Do đó: ω1 không xác định âm và không xác định dương +) ω2(x1,x2,x3) = x1x2 +4x1x3 +x2x3 • Đặt x1 = y1 −y2,x2 = y1 +y2,x3 = y3 ⇒ ω = y2 −y2 +4(y −y )y + (y +y )y 2 1 2 1 2 3 1 2 3 = y2 +5y y −y2 −3y y 1 1 3 2  2 3  5 2 3 2 = y + y − y + y −4y2 1 2 3 2 2 3 3 = u2 −u2 −u2 1 2 3 5 3 Với u1 = y1 + y3, u2 = y2 + y3, u3 = 2y3 2 2 • Do đó: ω2 không xác định âm và không xác định dương Câu 5. Cho dạng song tuyến tính trên R3 xác định bởi: < (x1,x2,x3),(y1,y2,y3) >= 2x1y1 +x1y2 +x2y1 +ax2y2 −2x2y3 −2x3y2 +3x3y3. (a là tham số). Tìm ma trận của dạng song tuyến tính trên đối với cơ sở chính tắc của R3 và tìm điều kiện của a để dạng song tuyến tính là một tích vô hướng trên R3. [Hướng dẫn giải]   2 1 0    +) Ma trận của dạng song tuyến tính đã cho đối với cơ sở chính tắc R3 là A = 1 a −2     0 −2 3 2 1 0 2 1 • Ta có: ∆1 = 2,∆2 = = 2a−1,∆3 = 1 a −2 = 6a−11 1 a 0 −2 3 +) Dạng song tuyến tính trên là tích vô hướng nếu nó xác định dương 2 > 0  11 ⇔ 2a−1 > 0 ⇔ a >  6 6a−11 > 0 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 4

Trang 5

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập Câu 6. Trong R3 trang bị một dạng song tuyến tính như sau: f(x,y) = (x ,x ,x )A(y ,y ,y )T với:   1 2 3 1 2 3  4 2 −1   A =  2 3 4  và x = (x1,x2,x3),y = (y1,y2,y3).     −1 a2 2a Xác định a để f(x,y) là tích vô hướng trên R3 [Hướng dẫn giải] +) Ta có: f là tích vô hướng trên R3 ⇔ f là dạng song tuyến tính và là dạng toàn phương xác định dương +) Mà ∆ = 4,∆ = 8,∆ = −18a2 +16a−11  1 2 3 a2 = 4 ⇒ ⇐⇒ a ∈ Ø −18a2 +16a−11 > 0 Vậy không tồn tại a để f(x,y) là tích vô hướng trên R3 Câu 7. Giả sử V là KGVT n chiều với cơ sở B = {e1,e2, ...,en}. Với u,v là các vector của V ta có: u = a1e1 +a2e2 +...+anen;v = b1e1 +b2e2 +...bnen. Đặt t⟨u,v⟩ = a1b1 +a2b2 +...+anbn. a) Chứng minh ⟨u,v⟩ là một tích vô hướng trên V. b) Áp dụng với trường hợp V = R3, với e1 = (1,0,1),e2 = (1,1,−1),e3 = (0,1,1),u = (2,−1,−2),v = (2,0,5). Tính ⟨u,v⟩. c) Áp dụng với trường hợp V = P [x], với B = {1,x,x2},u = 2+3x2,v = 6−3x−3x2. Tính ⟨u,v⟩. 2 d) Áp dụng với trường hợpV = P [x], với B = {1+x,2x,x−x2},u = 2+3x2,v = 6−3x−3x2. Tính 2 ⟨u,v⟩. [Hướng dẫn giải] a) +) Dễ dàng kiểm chứng các tiên đề TVH 1,2,3,4 đúng. +) Với tiên đề 5, ta có:  ⟨u,u⟩ = a2 +a2 +...+a2 ≥ 0 1 2 n luôn đúng. ⟨u,u⟩ = 0 ⇐⇒ u = 0 +) Do đó: ⟨u,v⟩ là một tích vô hướng trên V. b) +) B = {e1,e2,e3} là một cơ sở của V +) Ta có: u = (2,−1,−2) = (1,0,1) + (1,1,−1)−2(0,1,1) = e1 +e2 −2e3 ⇒ (a1,a2,a3) = (1,1−2) +) Tương tự: (b1,b2,b3) = (3,−1,1) ⇒ ⟨u,v⟩ = 0 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 5

Trang 6

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập c)  u = 2+3x2 ⇒ (a ,a ,a ) = (2,0,3) +) Ta có: 1 2 3 v = 6−3x−3x2 ⇒ (b ,b ,b ) = (6,−3,−3) 1 2 3 ⇒ ⟨u,v⟩ = 2.6+0.(−3) +3.(−3) = 3. d) 2 1 2 1 +) Ta có: u = 2+3x = 2.(1+x) + .(2x)−3(x−x ) ⇒ (a1,a2,a3) = (2, ,−3) 2 2 1 +) Tương tự: (b1,b2,b3) = (6,−6,3) ⇒ ⟨u,v⟩ = 2.6+ .(−6) + (−3).3 = 0 2 Câu 8. Xét không gian P3[x]. Kiểm tra các dạng ⟨p,q⟩ sau có phải là tích vô hướng hay không? a) ⟨p,q⟩ = p(0)q(0) + p(1)q(1) + p(2)q(2) b) ⟨p,q⟩ = ˆp(0)q(0) + p(1)q(1) + p(2)q(2) + p(3)q(3) 1 c) ⟨p,q⟩ = p(x)q(x)dx −1 [Hướng dẫn giải] a) +) Lấy p = x(x−1)(x−2) ∈ P3[x] thì p ̸= 0 và ⟨p, p⟩ = 0 +) Vậy ⟨p,q⟩ không phải là tích vô hướng b) +) ⟨p,q⟩ đã cho là một tích vô hướng, dễ dàng kiểm tra các tiên đề TVH 1,2,3,4. ⟨p, p⟩ = p(0)2 + p(1)2 + p(2)2 + p(3)2 ≥ 0 +) Riêng tiên đề TVH 5, ta có: ⟨p, p⟩ = 0 ⇐⇒ p(0) = p(1) = p(2) = p(3) = 0 +) Giả sử p = a+bx+cx2 +dx3, giải hệ phương trình từ các điều kiện p(0) = p(1) = p(2) = p(3) = 0, ta được a = b = c = d = 0, nghĩa là p = 0. c) +) ⟨p,q⟩ đã cho là một tích vô hướng, dễ dàng kiểm tra các tiên đề TVH 1,2,3,4. ˆ  1 ⟨p, p⟩ = p(x)2dx ≥ 0 +) Riêng với tiên đề 5, ta có: −1 luôn đúng.  ⟨p,q⟩ = 0 ⇔ p(x) = 0 Câu 9. Cho V là không gian Eculide. Chứng minh a) ||u+v||2 +||v−v||2 = 2(||u||2 +||v||2) b) u⊥v ⇔ ||u+v||2 = ||u||2 +||v||2 ∀u,v ∈V [Hướng dẫn giải] a) +) Ta có: ||u+v||2 = ⟨u+v,u+v⟩ — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 6

Trang 7

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập = ⟨u,u+v⟩+⟨v,u+v⟩ = ||u||2 +||v||2 +2⟨u,v⟩ ||u−v||2 = ⟨u+v,u+v⟩ = ⟨u,u−v⟩ − ⟨v,u−v⟩ = ||u||2 +||v||2 −2⟨u,v⟩ ⇒ ||u+v||2 +||v−v||2 = 2(||u||2 +||v||2) b) +) Ta có: ||u+v||2 = ||u||2 +||v||2 ⇔ ||u||2 +||v||2 +2⟨u,v⟩ = ||u||2 +||v||2 ⇔ ⟨u,v⟩ = 0 ⇔ u ⊥ v Câu 10. Cho cơ sở B = {(1; 1;−2),(2; 0; 1),(1; 2; 3)} trong không gian R3 với tích vô hướng chính tắc. Trực chuẩn hóa Gram - Schmidt cơ sở B để thu được cơ sở trực chuẩn B’ và tìm tọa độ của vector u = (5; 8; 6) với cơ sở B’. [Hướng dẫn giải] +) v1 = (1; 1;−2);v2 = (2; 0; 1);v3 = (1; 2; 3) √ +) Đặt f1 = v1 = (1; 1;−2) ⇒ ||f1|| = 6 −⟨v2, f1⟩ +) Đặt f2 = v2 +λ12 f1 trong đó, λ1,2 = = 0 ||f1||2 √ ⇒ f2 = (2; 0; 1),||f2|| = 5 −⟨v3, f1⟩ 1 −⟨v3, f2⟩ +) Đặt f3 = v3 +λ13 f1 +λ23 f2, trong đó λ13 = = ;λ23 = = −1   ||f1||2 2 ||f2||2 1 5 ⇒ f3 = − ; ; 1  2 2    f1 1 1 2 u1 = = √ ; √ ;−√  ||f1||  6 6  6 f2 2 1 +) Đặt u2 = = √ ; 0; √  ||f2||  5 5   f3 1 5 2 u3 = = −√ ; √ ; √ ||f3|| 30 30 30 +) Ta dễ thấy B′ = {u ;u ;u } là cơ sở trực chuẩn cần tìm 1 2 3 +) Tọa độ của u = (5; 8; 6) theo cơ sở B′ là:   T 1 16 47 [u]B′ = (⟨u,u1⟩;⟨u,u2⟩;⟨u,u3⟩) = √ ; √ ; √ 6 5 30 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 7

Trang 8

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập Câu 11. Cho R4 với tích vô hướng chính tắc. Cho u = (6; 3;−3; 6),u = (5; 1;−3; 1). Tìm cơ sở trực 1 2 chuẩn của không gian sinh bởi {u1;u2}. [Hướng dẫn giải] +) Trực giao hệ vector {u1;u2}, ta được: v1 = u1 = (6; 3;−3; 6) ⟨u2,v1⟩ ⟨(5; 1;−3; 1),(6; 3;−3; 6)⟩ v2 = u2 − .v1 = (5; 1;−3; 1)− .(6; 3;−3; 6) ||v1||2 ||v1||2 48 = (5; 1;−3; 1)− .(6; 3;−3; 6)  90  9 −3 −7 −11 = ; ; ; 5 5 5 5 +) Trực chuẩn hóa hệ vector (v1;v2):   v1 2 1 −1 2 a1 = = √ ; √ ; √ ; √ ||v1|| 10 10 10 10   v2 9 −3 −7 −11 a2 = = √ ; √ ; √ ; √ ||v2|| 2 65 2 65 2 65 2 65 Vậy cơ sở trực chuẩn của span{u1;u2} là {a1;a2} ˆ1 Câu 12. Trong P2[x] định nghĩa tích vô hướng ⟨p,q⟩ = p(x)q(x)dx với p,q ∈ P2[x]. −1 a) Trực chuẩn hóa Gram- Schmidt cơ sở B = {1;x;x2} để nhận được cơ sở trực chuẩn A. b) Tìm [r] biết r = 2−3x+3x2. A [Hướng dẫn giải] a) +) Trực giao hệ vector B = {1;x;x2}, ta được: ˆ1 v = b = 1 ⇒ ||v ||2 = 1dx = 2 1 1 1 −1 ˆ1 ˆ1 ⟨b2,v1⟩ 1 2 2 2 v2 = b2 − .v1 = x− . x.1dx = x ⇒ ||v2|| = x dx = ||v1||2 2 3 −1 −1 ˆ1 ˆ1 ⟨b3,v1⟩ ⟨b3,v2⟩ 2 1 2 3x 3 1 2 v3 = b3 − .v1 − .v2 = x − x dx− x dx = − +x ||v1||2 ||v2||2 2 2 3 −1 −1 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 8

Trang 9

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập ˆ1  2 2 1 2 8 ⇒ ||v3|| = − +x dx = 3 45 −1 +) Trực chuẩn hóa hệ {v1;v2;v3}: v1 1 a1 = = √ ||v1|| 2 v2 3x a2 = = √ ||v2|| 6 v −5 15x2 a = 3 = √ + √ 3 ||v || 2 10 2 10 3   1 3 −5 15 2 Vậy cơ sở trực chuẩn A = √ ; √ x; √ + √ x 2 6 2 10 2 10 b)   1 −5 √ 0 √   2 2 10  3  +) Ma trận chuyển cơ sở từ cơ sở chính tắc B sang cơ sở trực chuẩn A là: P =  0 √ 0   6   15  0 0 √ 2 10 +) Khi đó, ta được:  −1   1 −5 √ 0 √  2  2 2 10    3    [r] = P.[r] ⇒ [r] = P−1.[r] = 0 √ 0 .−3 B A A B  6        15  0 0 √ 3 √ 2 10 √    2  2 0   2  √ !  √ 3    √ √ T  6    2 10 =  0 0 .−3 = 3 2;− 6;  3 √    5  2 10   0 0 3 15 √ !T √ √ 2 10 Vậy [r]A = 3 2;− 6; 5 Câu 13. Tìm hình chiếu trực giao của vector u lên không gian sinh bới vector v: 1. u = (1; 3;−2; 4),v = (2;−2; 4; 5) 2. u = (4; 1; 2; 3;−3),v = (−1;−2; 5; 1; 4) [Hướng dẫn giải] Yêu cầu của bài toán tương đương với tìm hình chiếu của U lên W = span(v) — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 9

Trang 10

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   v 1 1. W có một cơ sở trực chuẩn là S = v1 = = (2;−2; 4; 5)  ∥v∥ 7  1 1 8 +) Do đó: w1 = ⟨u,v1⟩.v1 = (1; 3;−2; 4), (2;−2; 4; 5) . (2;−2; 4; 5) = (2;−2; 4; 5) là hình 7 7 49 chiếu của u lên v. 2. W có một cơ sở trực chuẩn là:   v 1 S = v1 = = √ (−1;−2; 5; 1; 4) ∥v∥ 47 +) Do đó: Hình chiếu trực giao của u lên v là:  1 1 w1 = ⟨u,v1⟩.v1 = (4; 1; 2; 3;−3), √ (−1;−2; 5; 1; 4) · √ (−1;−2; 5; 1; 4) 47 47 5 = (1; 2;−5;−1;−4) 47 Câu 14. Cho không gian R3 với tích vô hướng chính tắc và các vector u= (3;−2; 1),v = (2; 2; 1),v = 1 2 (2; 5; 4). Đặt W = span{v1,v2}. Xác định hình chiếu trực giao của vector u lên không gian W [Hướng dẫn giải] +) Đặt u = w1 +w2, trong đó w1 ∈W,w2 ⊥W +) Vì w1 ∈W nên w1 = xv1 +yv2 = (2x+2y; 2x+5y;x+4y) +) Khi đó: w2 = u−w1 = (3−2x−2y;−2−2x−5y; 1−x−4y) +) Do w2 ⊥W nên w2 ⊥ v1,w2 ⊥ v2. Ta có hệ:    ⟨w ,v ⟩ = 0  2(3−2x−2y) +2(−2−2x−5y) +1−x−4y = 0 2 1 ⇔   ⟨w2,v2⟩ = 0 2(3−2x−2y) +5(−2−2x−5y) +4(1−x−4y) = 0   9x+18y = 3 ⇔  18x+45y = 0   5 x = ⇔ 3  2 y = − 3 +) Do đó: w1 = (2x+2y; 2x+5y;x+4y) = (2; 0;−1) là hình chiếu trực giao của u lên W. Câu 15. Trong không gian R3 với tích vô hướng chính tắc, cho các vecotr u = (1; 2;−1),v = (3; 6; 3) và đặt H = {w ∈ R3|w ⊥ u} 1. Tìm một cơ sở trực chuẩn của không gian H. 2. Tìm hình chiếu trực giao của v lên không gian H. [Hướng dẫn giải] — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 10

Trang 11

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập 1. Gọi w = (w ,w ,w ) ∈ H(w ∈ R3). Vì w ⊥ u nên ⟨w,u⟩ = 0 ⇔ w +2w −w = 0 1 2 3 1 2 3 +) Đặt w1 = t,w2 = h ⇒ w3 = t +2h ⇒ w = (t,h,t +2h) = t(1,0,1) +h(0,1,2) +) Đặt v1 = (1,0,1),v2 = (0,1,2) +) Do mọi w ∈ H đều là tổ hợp tuyến tính của v1,v2 và v1,v2 độc lập tuyến tính. ⇔ v1,v2 là cơ sở của H. +) Ta có: ′ v1 1 v1 = = √ (1,0,1) ∥v1∥ 2 v − ⟨v′ ,v ⟩.v′ v′ = 2 1 2 1 2 ∥v − ⟨v′ ,v ⟩.v′ ∥ 2 1 2 1 1 1 (0,1,2)− ⟨√ (1,0,1),(0,1,2)⟩.√ (1,0,1) = 2 2 1 1 ∥(0,1,2)− ⟨√ (1,0,1),(0,1,2)⟩.√ (1,0,1)∥ 2 2 (−1,1,1) = ∥(−1,1,1)∥ 1 = √ (−1,1,1) 3 −1 1 1 = (√ , √ , √ ) 3 3 3    1 1 −1 1 1 +) Do đó: B = v′ ,v′ = (√ ,0, √ ),(√ , √ , √ ) là một cơ sở trực chuẩn của H. 1 2 2 2 3 3 3 2. Gọi v3 là hình chiếu của v lên H. ⇒ v =⟨v,v′ ⟩.v′ +⟨v,v′ ⟩.v′ 3 1 1 2 2    1 1 1 1 −1 1 1 −1 1 1 = (3,6,3),(√ ,0, √ ) .(√ ,0, √ ) + (3,6,3),(√ , √ , √ ) .(√ , √ , √ ) 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 = (3,0,3) + (−2,2,2) = (1,2,5) Vậy (1,2,5) là hình chiếu của v lên H. Câu 16. Trong R5 với tích vô hướng chính tắc cho các vector v = (1; 1; 0; 0; 0),v = 1 2 (0; 1;−1; 2; 1),v = (2; 3;−1; 2; 1). Gọi V = {x ∈ R5|x ⊥ v ,i = 1,2,3} 3 i 1. Chứng minh V là không gian vector con của R5 2. Tìm dimV [Hướng dẫn giải] 1. Xét x1 ∈V,x2 ∈V: — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 11

Trang 12

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   x ⊥ v với i = 1,3 1 i ⇔  x2 ⊥ vi với i = 1,3   ⟨x ,v ⟩ = 0 với i = 1,3 1 i ⇔  ⟨x2,vi⟩ = 0 với i = 1,3 ⇒ ⟨x1 +x2,vi⟩ = ⟨x1,vi⟩+⟨x2,vi⟩ = 0 với i = 1,3 ⇔ (x1 +x2) ⊥ vi ⇔ (x1 +x2) ∈V ⇒ V đúng với phép cộng (1) +) Với x1 ∈V và k ∈ R ta có: x1 ⊥ vi với i = 1,3 ⇔ ⟨x1,vi⟩ = 0 với i = 1,3 ⇒ ⟨kx1,vi⟩ = k⟨x1,vi⟩ = 0 với i = 1,3 ⇒ (kx1) ⊥ vi với i = 1,3 ⇒ kx1 ∈V ⇒ V đúng với phép nhân (2) +) Từ (1),(2) ⇒V là không gian vector con của R5 2. Gọi x = (x ,x ,x ,x ,x ) ∈V(x ∈ R5) 1 2 3 4 5 Vì x ⊥ vi với i = 1,3 nên:      ⟨x,v ⟩ = 0  x +x = 0   x = t  1  1 2   1 ⟨x,v ⟩ = 0 ⇔ x −x +2x +x = 0 ⇔ x = −t (t ∈ R)  2  2 3 4 5   2      ⟨x,v ⟩ = 0  2x +3x −x +2x +x −0   −x +2x +x = t 3  1 2 3 4 5 3 4 5  x = t,x = −t  1 2 ⇔ x = h,x = l (h,l ∈ R)  3 4   x = t +h−2l 5 +) Do đó: x = (t,−t,h,l,t +h−2l) ⇔ x = t(1,−1,0,0,1) +h(0,0,1,0,1) +l(0,0,0,1,−2) Suy ra: V = span{(1,−1,0,0,1);(0,0,1,0,1);(0,0,0,1,−2)} — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 12

Trang 13

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   1 −1 0 0 1    ⇒ dimV = rank0 0 1 0 1  = 3     0 0 0 1 −2 Câu 17. Cho V là không gian Euclide n chiều, V1 là không gian con m chiều của V. Gọi V2 = {x ∈V | x ⊥ v,∀v ∈V1}. 1. Chứng minh V2 là không gian vector con của V 2. Chứng minh V1 và V2 bù nhau 3. Tìm dim V2 [Hướng dẫn giải] a) • a,b ∈V2 ⇒ ⟨a,v⟩ = ⟨b,v⟩ = 0∀v ∈V1 ⇒ ⟨a+b,v⟩ = 0 ⇒ a+b ∈V2 • a ∈V2,k ∈ R ⇒ ⟨ka,v⟩ = k⟨a,v⟩ = 0∀v ∈V1 ⇒ ka ∈V2 ⇒V2 là KGVT con của V b) Xét B1 = {x1,x2, ...,xn} là cơ sở trực chuẩn của V1 +) Bổ sung n−m vector để cơ sở trực chuẩn của V là {x1,x2, ...,xm,xm+1, ...,xn} +) Đặt W =span{xm+1, ...,xn} n • w ∈W ⇒ w = ∑ λixi i=m+n ⇒< w,xi >= 0∀i = 1,m ⇒ w ∈V2 ⇒W ⊂V2 • v ∈V2 n ⇒ v = ∑αixi i=1 ⇒< v,xi >= 0∀i = 1,m ⇒ αi = 0∀i = 1,m n ⇒ v = ∑ αixi i=m+1 ⇒ v ∈W ⇒V2 ⊂W Do vậy W =V2, nên V1,V2 bù nhau c) Lúc đó ta có thể thấy dimV2 = n−m — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 13

Trang 14

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập Câu 18. Chéo hoá trực giao các ma trận sau:   1 0 0     −7 24 a) A = 0 1 1 b) B =       24 7 0 1 1      1 −1 0  7 −2 0     c) C = −1 1 0 d) D = −2 6 2         0 0 1 0 2 5 [Hướng dẫn giải] 1. Ta có: | A−λI |= 0 1−λ 0 0 ⇔ 0 1−λ 1 = 0 0 1 1−λ ⇔ −λ3 +3λ2 −2λ = 0 ⇔ −λ(λ −1)(λ −2) = 0 ⇔ λ1 = 0,λ2 = 1,λ3 = 2     1 0 0x10     • λ1 = 0 ⇒ AX = 0 ⇔ 0 1 1x 0   2      0 1 1 x3 0   x = 0 x = 0 ⇔ 1 ⇔ 1 x +x = 0 x = −x 2  3  2  3  0   0      ⇔ X = −x  ⇔ X = x3 −1  3       x3 1    0    ⇒ Vector riêng v1 = −1 ứng với λ1 = 0     1 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 14

Trang 15

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập    0    v1 −1 Trực chuẩn hoá v1: u1 = = √  ||v1||  2  1  √ 2 • λ2 = 1 ⇒ (A−I)X=0  0 0 0x10 x = x      1 1 ⇔     ⇔ 0 0 1x20 x2 = 0      0 1 0 x 0 x3 = 0 3     x1 1     ⇔ X =   ⇔ X = x   0  1 0     0 0   1   ⇒ Vector riêng v2 = 0 ứng với λ2 = 1     0   1 v   Trực chuẩn hoá v : u = 2 =   2 2 ||v || 0 2   0 • λ3 = 3 ⇒ (A−2I)X= 0  −1 0 0 x10     ⇔  0 −1 1 x 0   2      0 1 −1 x3 0   x = 0 x = 0 ⇔ 1 ⇔ 1 x −x = 0 x = x 2  3 2 3 0  0     ⇔ X = x  ⇔ X = x3 1  3       x3 1 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 15

Trang 16

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   0   ⇒ Vector riêng v3 = 1 ứng với λ3 = 2     1    0    v3  1  Trực chuẩn hoá v3: u3 = = √  ||v3||  2  1  √ 2    0 1 0    −1 1  • Ta có P = √ 0 √   2 2  1 1  √ 0 √ 2  2  0 0 0   Nên D = PT AP = 0 1 0 là ma trận chéo hoá trực giao của ma trận A     0 0 2 −7−λ 24 2. Ta có | B−λI |= 0 ⇔ = 0 ⇔ λ2 −625 = 0 24 7−λ ⇔ (λ −25)(λ +25) = 0 ⇔ λ1 = 25,λ2 = −25      −32 24 x1 0 • λ1 = 25 ⇒ (A−25I)X = 0 ⇔    =   24 −18 x2 0   24   −32 24  R2+32R1:=R2 −32 24   −−−−−−−−−→   24 −18 0 0 ⇒ −32x1 +24x2 = 0 ⇔ 4x1 = 3x2 Đặt x1 =3t2 =4t   3t 3 3 X =   = t  ⇒ Vector riêng v1 =   ứng với trị riêng λ1 = 25 4t 4 4 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 16

Trang 17

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   3 5 v1   +) Trực chuẩn hoá v1 : u1 = =   ||v1||   4 5      18 24x1 0 • λ1 = −25 ⇒ (A+25I)X = 0 ⇔    =   24 32 x2 0   24   18 24 R2−18R1:=R2 18 24   −−−−−−−−−→   24 32 0 0 ⇒ 18x1 +24x2 = 0 ⇔ 3x1 = −4x2 Đặt x1 = −4t2 =3t    −4t −4 −4 X =   = t  ⇒ Vector riêng v2 =   ứng với trị riêng λ2 = −25 3t 3 3   −4  5  v2   +) Trực chuẩn hoá v2 : u2 = =   ||v2||    3  5   3 −4 • Ta có P = 5 5  4 3  5 5  25 0  Nên D = PT BP =   là ma trận chéo hoá trực giao của ma trận B. 0 −25 1−λ −1 0 3. Ta có: |C−λI |= 0 ⇔ −1 1−λ 1 = 0 ⇔ −λ3 +3λ2 −2λ = 0 0 0 1−λ ⇔ −λ(λ −1)(λ −2) = 0 ⇔ λ1 = 0,λ2 = 1,λ3 = 2      1 −1 0x10     • λ1 = 0 ⇒CX = 0 ⇔ −1 1 0x 0   2      0 0 1 x3 0 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 17

Trang 18

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập   x −x = 0 x = x ⇔ 1 2 ⇔ 1 2 x = 0 x = 0 3   3 x2 1     ⇔ X = x  ⇔ X = x2 1  2       0 0   1   ⇒ Vector riêng v1 = 1 ứng với λ1 = 0     0   1 √   2 v1  1  +) Trực chuẩn hoá v1: u1 = = √  ||v1||  2   0 • λ2 = 1 ⇒ (C−I)X= 0    0 −1 0x10 x = 0      1 ⇔     ⇔ −1 0 1x20 x2 = 0      0 0 0 x 0 x3 = x3 3     0  0     ⇔ X = 0  ⇔ X = x3 0         x3 1   0   ⇒ Vector riêng v2 = 0 ứng với λ2 = 1     1   0 v   +) Trực chuẩn hoá v : u = 2 =   2 2 ||v || 0 2   1 • λ3 = 3 ⇒ (C−2I)X = 0 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 18

Trang 19

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập     −1 −1 0 x10     ⇔ −1 −1 1 x 0   2      0 0 −1 x3 0   x +x = 0 x = −x ⇔ 1 2 ⇔ 1 2 x = 0 x = 0 3   3  −x2 −1     ⇔ X =  x  ⇔ X = x2  1   2        0 0   −1   ⇒ Vector riêng v3 =  1  ứng với λ3 = 2     0   1 √   2 v3  1  +) Trực chuẩn hoá v3: u3 = = √  ||v3||  2   0   1 −1 √ 0 √   2 2  1 1  • Ta có P = √ 0 √   2 2   0 1 0   0 0 0   Nên D = PT AP = 0 1 0 là ma trận chéo hoá trực giao của ma trận C     0 0 2 4. Ta có: | D−λI |= 0 7−λ −2 0 ⇔ −2 6−λ 2 = 0 0 2 5−λ ⇔ −λ3 +18λ2 −99λ +162 = 0 ⇔ −(λ −3)(λ2 −15λ +54) = 0 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 19

Trang 20

Hỗ trợ sinh viên Bách Khoa CLB Hỗ Trợ Học Tập ⇔ −(λ −3)(λ −6)(λ −9) = 0 ⇔ λ1 = 3;λ2 = 6;λ3 = 9 • λ1 = 3 ⇒ (D−3I)X =0    4 −2 0x1 0      ⇔ −2 3 2x  = 0   2        0 2 2 x3 0      4 −2 0 4 −2 0      4x −2x = 0   −2−R−2+−R−1−:=−R→2   ⇒ 1 2 −2 3 2 0 4 4      4x2 +4x3 = 0 0 2 2 0 2 2  −1  x = x   1 2 3 2x1 = x2 ⇒ ⇒ x = −x x = −x  2 3 2 3  x3 = x3     −1  x3 −1  2    ⇒ X =   = 2x    −x3  3 −2     x3 2   −1   ⇒ Vector riêng v1 = −2 ứng với λ1 = 3     2   −1  3  v1 −2 +) Trực chuẩn hoá v1 : u1 = =   ||v1||  3   2  3       1 −2 0 x1 0      • λ2 = 6 ⇒ (D−6I)X = 0 ⇔ −2 0 2 x  = 0   2        0 2 −1 x3 0        1 −2 0  1 −2 0  R 1 −2 0     2       R3+ 2 :=R3     −R−2+−−2R−1−:=−R→2   −−−−−−−→   −2 0 2  0 −4 2  0 −4 2       0 2 −1 0 2 −1 0 0 0 — Biên soạn bởi: Team Đại số - CLB Hỗ trợ Học tập — 20

Hiển thị 20 trang đầu. Tải tài liệu để xem đầy đủ.

Bình luận (0)

Đăng nhập để tham gia bình luận

Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!