1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut



Samankaltaiset tiedostot
1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 - Ratkaisut / vko 37

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 / vko 44

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

MS-A0002 Matriisilaskenta Luento 1:Vektorit ja lineaariyhdistelyt

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

Suorat ja tasot, L6. Suuntajana. Suora xy-tasossa. Suora xyzkoordinaatistossa. Taso xyzkoordinaatistossa. Tason koordinaattimuotoinen yhtälö.

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

Trigonometrian kaavat 1/6 Sisältö ESITIEDOT: trigonometriset funktiot

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Insinöörimatematiikka D

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Alkioiden x ja y muodostama järjestetty pari on jono (x, y), jossa x on ensimmäisenä ja y toisena jäsenenä.

Insinöörimatematiikka D

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

3 Suorat ja tasot. 3.1 Suora. Tässä luvussa käsitellään avaruuksien R 2 ja R 3 suoria ja tasoja vektoreiden näkökulmasta.

Pistetulo eli skalaaritulo

Taso 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste, suora

Johdatus matematiikkaan

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

Funktion määrittely (1/2)

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Insinöörimatematiikka D

Talousmatematiikan perusteet: Luento 9

Koordinaatistot 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Vastaavasti, jos vektori kerrotaan positiivisella reaaliluvulla λ, niin

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

Avaruuden kolme sellaista pistettä, jotka eivät sijaitse samalla suoralla, määräävät

Insinöörimatematiikka D

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Vektorin paikalla avaruudessa ei ole merkitystä. Esimerkiksi yllä olevassa kuvassa kaikki kolme vektoria ovat samoja, ts.

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Tässä dokumentissa on ensimmäisten harjoitusten malliratkaisut MATLABskripteinä. Voit kokeilla itse niiden ajamista ja toimintaa MATLABissa.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

2.8. Kannanvaihto R n :ssä

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Suora 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste

Pythagoraan polku

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

Alkioiden x ja y muodostama järjestetty pari on jono (x, y), jossa x on ensimmäisenä ja y toisena jäsenenä.

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

Vektorit, suorat ja tasot

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Insinöörimatematiikka D

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 8. Vektoreista ja matriiseista Vektorien peruslaskutoimitukset Lineaarinen riippumattomuus Vektorien sisätulo

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

z 1+i (a) f (z) = 3z 4 5z 3 + 2z (b) f (z) = z 4z + 1 f (z) = 12z 3 15z 2 + 2

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

Insinöörimatematiikka D

MAA15 Vektorilaskennan jatkokurssi, tehtävämoniste

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

3 Skalaari ja vektori

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Geometriset avaruudet Pisteavaruus, vektoriavaruus ja koordinaattiavaruus

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Transkriptio:

ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.1 MS-A0007 Matriisilaskenta 1. ja kompleksiluvut Nuutti Hyvönen, c Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 26.10.2015 Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko R n = R R R = {(,,..., x n ),,..., x n R}. Sen pisteet voidaan mieltää myös (paikka)vektoreiksi, merkitään niitä pystyvektoreina: x = x 3 R n.. x n 1 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 2 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.1 1.1 Määritellään kaksi laskutoimitusta avaruudessa R n : i) yhteenlasku, x, y R n ; x + y R n ii) skalaarilla kertominen, α R, x R n ; αx R n Alkioittain, x, y R n, α R, Koordinaatisto muodostetaan kiinnittämällä origo ja kantavektorit. Kolmiulotteisessa avaruudessa siis esim. karteesinen koordinaatisto {o, i, j, k}, missä yksikkövektorit i, j ja k muodostavat ortonormeeratun positiivisesti suunnistetun kannan. y 1 + y 1 α x =., y = y 2., x + y = + y 2., αx = α. x n y n x n + y n αx n Vektori, jonka kaikki alkiot ovat nollia, on nollavektori. Kaikille x R n pätee x + ( x) = 0. i k o j 3 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 4 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut

ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.1 1.1 Huom! Tasossa: Jos a kiertyy b:n päälle vastapäivään lyhintä reittiä, on pari {a, b} suunnistettu positiivisesti. Avaruudessa: Jos kolmikko {a, b, c} toimii oikean käden säännön {P, E, K} mukaisesti, se on positiivisesti suunnistettu. Tasossa kantavektorit i ja j, r = OP = i + j = ( x1 ). Avaruudessa kantavektorit i, j ja k, r = OP = i + j + x 3 k =. x 3 5 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 6 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.2 1.2 Olkoon {i, j, k} avaruuden ortonormeerattu kanta ja α 1 a = α 1 i + α 2 j + α 3 k = α 2, b = β 1 i + β 2 j + β 3 k = β 2. α 3 β 3 β 1 Lause 2 a b = { a b cos (a, b), jos a 0, b 0 0, jos a = 0 tai b = 0 Määritelmä 1 Vektoreiden a ja b skalaaritulo (eli sisätulo eli pistetulo) on a b = α 1 β 1 + α 2 β 2 + α 3 β 3. ovat kohtisuorassa, jos a b = 0, merkitään a b. Esimerkki 3 (lasketaan luennolla) Olkoon a = 2i + 3j, b = i + j, c = i + 2j. Laske 1 a b 2 c (a + b) 3 3a (4c 3b) 7 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 8 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut

ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.2 1.2 ulo voidaan muodostaa vain (kolmiulotteisessa) avaruudessa. Määritelmä 4 Olkoot a, b kolmiulotteisia vektoreita. Vektori- eli ristitulo on vektori a b, jolle pätee: 1 a b = a b sin (a, b) 2 a b a, a b b 3 vektorit a, b, a b muodostavat oikeakätisen systeemin Jos a = 0 tai b = 0, on a b = 0. 9 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut Esimerkki 5 Vektorien i ja j vektoritulo i j = k, sillä i j = i j sin (i, j) = 1 1 sin(π/2) = 1, k on kohtisuorassa kumpaakin vektoria vastaan, ja {i, j, k} muodostavat oikeakätisen systeemin. ulo ei ole vaihdannainen: a b = b a liitännäinen: (i j) j = k j = i i (j j) = i 0 = 0. Sille kuitenkin pätee a (b + c) = a b + a c (αa) b = a (αb) = α(a b). 10 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.2 1.2 Kannassa {i, j, k} vetoritulo saa nasevan muodon: Olkoon a = α 1 i + α 2 j + α 3 k, b = β 1 i + β 2 j + β 3 k. Tällöin voidaan suoralla laskulla osoittaa, että a b = (α 2 β 3 α 3 β 2 )i + (α 3 β 1 α 1 β 3 )j + (α 1 β 2 α 2 β 1 )k. Myöhemmin tällä kurssilla opimme determinantin käsitteen ja näemme, että yo. voidaan kirjoittaa lyhyesti muodossa i j k a b = α 1 α 2 α 3 β 1 β 2 β 3. Esimerkki 6 (lasketaan luennolla) Olkoon a = i + j, b = i + 2j, c = 2j + k. Laske 1 a b 2 b c 3 a c Ratkaisu: 1 a b = (i + j) ( i + 2j) = i i + 2i j j i + 2j j = 0 + 2k ( k) + 0 = 3k 2 b c = 2i j i k + 4j j + 2j k = 2k + j + 2i 3 a c = 2i j + i k + 2j j + j k = 2k j + i 11 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 12 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut

ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.2 1.3 Lause 7 Vektoreiden a ja b virittämän suunnikkaan ala on a b. Todistus. a h = a sin ϕ ϕ ϕ b (, ) r ϕ r = 1 + 2 tan ϕ = = r cos ϕ = r sin ϕ Ala = kanta korkeus = a b sin ϕ = a b. 13 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 14 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.3 1.3 Jos x = (, ) R 2, niin x = (r cos(ϕ), r sin(ϕ)) = r (cos(ϕ), sin(ϕ)), missä r = x = x1 2 + 2 on pisteen etäisyys origosta ja ϕ = arg(x) R on x:n argumentti eli kulma x:n paikkavektorin ja vaaka-akselin välillä. Luvut { r = x ovat x:n napakoordinaatit. ϕ = arg(x) [0, [, R 15 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut Huom. cos(ϕ) = cos(ϕ + 2π) ja sin(ϕ) = sin(ϕ + 2π), joten argumentti on monikäsitteinen (kulmaan voi lisätä 2π-monikertoja)! Usein halutaan, että arg(x) [0, 2π[ tai arg(x) ] π, π]. Jos 0, niin tan (arg(x)) = eli arg(x) = arctan ( x2 ). Huomaa, että funktion arctan päähaara saa arvoja vain välillä ] π/2, π/2[, joten sen antamaan kulmaan joutuu joskus lisäämään/vähentämään luvun π (piirrä kuva!). Origon vaihekulma arg(0) on epämääräinen. 16 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut

ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.3 1.4 Esimerkki 8 (lasketaan luennolla) Mitkä ovat karteesisissa koordinaateissa ilmoitetun pisteen x = ( 3, 1) napakoordinaatit? Ratkaisu: 3 2 r = x = + 1 2 = 2, ϕ = arg(x) = arctan(1/ 3) = π/6. Napakoordinaateissa siis x = (2, π/6). (Tarkistus: 2 cos(π/6) = 3, 2 sin(π/6) = 1.) Luonnolliset luvut N = {1, 2, 3, 4, 5,...} ovat luonnollinen joukko aloittaa laskeminen. Jos halutaan ratkaista muotoa x + n = m, n, m N, olevat yhtälöt, kaipaa lukujen joukko kuitenkin laajennusta kokonaislukujen joukoksi: Z = {..., 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3,...}. Tämäkään ei riitä muotoa nx = m, m, n Z, n 0, olevien yhtälöiden ratkaisemiseen, vaan tarvitaan laajennus rationaalilukuihin: { m } Q = n m, n Z, n 0. 17 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 18 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.4 1.4 Määritellään imaginääriyksikkö i olemaan luku, jolle pätee Rationaalilukujenkaan joukosta ei löydy ratkaisua yhtälölle = 2. Tätä varten tehdään vielä laajennus, otetaan mukaan myös irrationaaliluvut, jolloin saadaan reaalilukujen joukko R. Onko kaikki nyt hyvin? Mikä on yhtälön = 1 ratkaisu? i 2 = 1. Imaginääriyksikköä i voitaisiin siis tavallaan kutsua myös 1:n neliöjuureksi. Määritelmä 9 Kompleksiluku on muotoa a + ib oleva esitys, jossa a ja b ovat reaalilukuja ja i imaginääriyksikkö. C = {a + ib a, b R} on kompleksilukujen joukko. 19 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut 20 / 35 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 1. ja kompleksiluvut