Microsoft Word - 初等物數2012.doc

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1 Chpter Mtres n Vetors 矩陣與向量 - Mtres 矩陣 令 m 與 n 為正整數 一個大小 sze 或 階數 orer 為 m n 的矩 陣是一個數字 的有序集合 orere set 其中 m n 長 相如下 : m m n n mn 矩陣內的數字 稱為第 列 橫 第 行 直 的 矩陣元素 mtr element 若 m n 則 稱為 方陣 squre mtr 下列 - 表列出 矩陣 相關的矩陣 mtr elements emple ~ or rnspose of 倒置 ~ Comple onugte of 複數共軛 ~ Hermtn onugte of ~ 厄密共軛

2 *Hermtn onugte pf. * q.e.. * 對於矩陣 若存在矩陣 - 使得 ~ ~ - 稱為 的反矩陣 nerse. 上式中的 矩陣稱為 單位矩陣 unt mtr 其元素除了對角線上的元素全為 之外其餘元素全為 此處引進一個符號 Kroneher elt: f δ 即 δ f 可以證明任何方陣 乘以相同大小的單位矩陣 等於 自己 即 pf. δ 因為所有 的項都為 又 δ 因為所有 的項都為 * 矩陣的相等 : 即各對應元素皆相等 * 若 與 為相同的 n 階方陣則定義運算如下 onst. n n n n n n - 全寫出來就是 n n

3 若 n C C e. e 注意 通常 例如 ut 但是 C C pf. t t t t t t t t t C C C C C C * pf. n * Q * 矩陣 的行列式 etermnntet 每一個 n 階的方陣 都對應一個數字稱為 的行列式 矩陣行列式的定義如下 : f. et 階方陣的行列式定義如下 : * he Le-Ct smol ε 考慮 { } 為 { } 個正整數的有序排列 permuton 集合 這樣的集合共有! 個 :{}{}{}{}{}{}.

4 定義 交換數 numer of nerson 為 { } 經相鄰數字左 右交換 而成 {} 的總交換數 定義 Le-Ct 符號 ε ε f f numer of numer of nerson of nerson of { } {} een. { } {} o ε ε ε ε ε ε 且 ε 如果任二腳標相等.e. ε ε ε * 一個 階矩陣 的 行列式 et 定義為 et δ ll{ } et ε 有一種簡單的 矩陣行列式的算法 : e 另有一個 階方陣行列式的算法 : et 對任何一列. 其中 為 oftor of element et 原方陣 去掉第 列及第 行剩下的 n- 階方陣 * 行列式為 的方陣稱為 sngulr mtr. 若一方陣行列式非 則 為 nonsngulr.

5 7 * 由 行列式 的定義可推出下列性質 :. et et. 若 任何行或列全為 則 et 例如. h g f e h g f e γ γ γ γ. 例如 9. 任二行 或列 互換後所得的方陣的行列式 -et. 例如. 若 的任二行 或列 的元素全等 則 et. 例如. et 可經由某行 或列 的 拆解 而成 個方陣行列式的和 例如 7. 某行 或列 加上另一行 或列 的 倍後 新方陣的行列式不變 例如 : 右邊的行列式為左邊的第一列加上第二列 * 的反矩陣 - of oftor et.e. f et 不存在 其中

6 8 oftor of et 去掉第 列與第 行後剩下的 n- 階矩陣 e. et he: n -. E. et Che: -. E. 非齊次聯立方程組的解 γ β α γ β α γ β α z z l h g f e lz h g fz e z 上式兩邊 γ β α γ β α z z 只要 et 但是如果是齊次方程式 γ β α z z 存在 f z 就只剩全 的 自明解 trl soluton 所以齊次方程組要想有 nontrl soluton 那麼方程組裡未知數係數所形成的矩陣的行列式就不能為. - 座標轉換考慮一個單純的座標旋轉 此處我們使用 而不用 來寫平面座標 考慮繞垂直於 與 軸且通過原點的軸

7 9 逆時針轉 角 並定義轉完後的座標軸為 與 軸 若平面上一點 P 其座標在原座標系為 在新座標系為 則可看出新舊座標之間的關係為 os os sn os os os os sn π π os sn sn os 其中 os sn sn os 稱為平面的 轉換或旋轉矩陣 由 - 與 - 可以看出若定義 os os s 與 s 的夾角 π π os os sn os os sn os os os os 這使得平面的座標旋轉可以重新寫為 或在 D 空間. n for smlr 所以可以寫出一個通式. for 請特別注意 的順序 -

8 做為結論 D 空間的旋轉矩陣可寫為 其矩陣元素 os 為 軸在相對於 軸的 方向餘弦 retonl osne. E. 考慮值角座標系對 軸逆時針轉 9 o 非 矩陣元素為 os os os 現考慮對 軸逆時針轉 9 o s s 若定義向量 X X 考慮兩次座標旋轉 : 先對 軸逆時針轉 9 o 之後再對新的 軸逆時針轉 9 o X X X n X X " 則 " " " 然而若將這兩個座標旋轉的次序顛倒 結果

9 X 可以看出總旋轉矩陣 所以最終結果也不同 這也是矩陣乘 法 不可交換性 non-ommutlt 的一個明顯的例子 本例子也清 楚點出旋轉運動中角度變化 角位移 Δ 不是一個向量 因為不滿 足向量加法的可交換性 * 旋轉矩陣的性質 空間中過原點一直線與 軸的夾角分別為 α β γ 則該直 線的 方向餘弦 retonl osne 滿足 os α os β os γ - 證明 - 式如下 : 令 r 為在直線上點 P 的位置向量 r [ r osα r osβ r osγ ] r r osα z os β r osα osγ r os β. r osγ r 若過原點兩直線與 軸的夾角分別為 α β γ 與 α β γ 而且兩直線間夾角為 則 os osα osα os β os β osγ osγ - 證明 - 式如下 : 兩直線上各選一點 P 與 P 位置向量各為 r [ r osα r os β r osγ ] r [ rosα ros β rosγ ] r r rr osα osα rr zz os β os β rr osγ osγ rr os osα osα os β os β osγ osγ. os 現考慮座標系 對一通過原點的任意軸做旋轉而成 而 os... 則為 軸在原座標系 的 方向餘弦 由 - 因 軸方向餘弦可得

10 -7 smlrl 由 與 可得 與 寫為 連同上式可 f. 8 9 已知 軸和 在原座標系的方向餘弦分別為 與 現由於 與 夾角為 9 o 所以可由 - π os os 由於 與 夾角為 9 o 與 夾角亦為 9 o 所以 f. 合併 -9 與 - 與 roneher elt 旋轉矩陣的元素有如下性質 δ - - 稱為旋轉矩陣元素的 正交條件 orthogonl onton 是基 於直角座標軸之間都是彼此正交 垂直 的 一矩陣 被稱為 正交矩陣 orthogonl mtr 如果 - 我 們可以由 - 證明旋轉矩陣 就是 正交矩陣 : pf. Q δ 且 δ δ 自己回去證明

11 * 幾種特殊的矩陣 : smmetr : ntsmmetr : Hermtn : rel f : orthogonl : untr or δ : gonl n : nepoten * 座標系統的 nerson: 透過原點的反射 refleton 即所有 所以 nerson 矩陣為 I I δ I I I orthogonl. 注意 : 座標 nerson 的動作是不能經由座標旋轉的組合形成!.e. R. I R 其中 R 表旋轉矩陣 可以證明 et R n et I 所有的旋轉也稱為 proper rotton 而 nerson 則稱為 mproper rotton 座標旋轉在 純量 向量 的定義上是有意義的 : 考慮一個下 列形式的座標轉換 wth δ 若一個量 ϕ 在這樣的座標轉換之下 不變 則 ϕ 為一純量 例如質量 M z M z 所以質量為一純量 若有一個量以集合 表現而當座標由 { } { } 時 的分量也做相同的轉換 s etor.

12 * 行列式的微分 os sn sn sn. ] [et et e e e e e ε ε - Egenlue prolem 本徵值問題一個任意的 矩陣可視為一個作用在任何一個 行向量 的 opertor 算符 作用如 u.e. 作用在 後將 變成 u 例如 * 對應於一個給定的矩陣 有一組特別的向量 具有一特性 : 為一常數 矩陣 的 對應於 egenlue 本徵值 的 本徵向量 egenetor 換言之 當矩陣 作用在自己的 egenetor 時只會將 egenetor 放大 倍 而這個放大的倍數稱為 egenlue. 例如 就是矩陣 的 egenetor Q 對應的 本徵值 與 本徵向量 是相互聯繫的 ; 每一個 的本徵向量只對應一個本徵值 但是對於某些 本徵值 有可能一個 本徵值 有多於一個 本徵向量 與之對應

13 給定一個矩陣 要如何計算其對應的本徵值與本徵向量? 請見下列例子 : 令 要避免 trl soluton 則前面的矩陣行列式必須為 et et 上式在解 時所導入的方程式 et 叫做 seulr equton 久期方程式 對於本徵值 let. : he let 長度 的向量稱做 歸一化的 normlze 向量 我們通常希望所得的本徵向量是歸一化的 歸一化的 就是原 將自己的長度除掉 對於本徵值 let

14 . : normlze he 所以 ;. E. Fn egenlues for ] [ ] [ et z z From ± ± 這也讓我們看到一個 實矩陣 是可能有 複數 的本徵值 * 由於解 本徵值 時要解一個久期方程式 et 所以對於一個 n n 的矩陣最多可以解出 n 個複根 但是常會遇到重根的 se 那些重根的 稱為 簡併的 egenerte 本徵值 如果 是 m 重根 則 為 m 重簡併 m-fol egenerte 簡併的 本徵值所對應的本徵向量也稱為 簡併的本徵向量

15 7 E. Fn egenlues n egenetors for et. Sol : he e. Fn egenlues n egenetors for. ] [ et : Sol For 非簡併本徵值 hoose

16 8 For 簡併本徵值 hoose or hoose 總結 : ; 我們注意到 n 但是簡併本徵向量之間卻不彼此正交 不過我們可以透過所謂的 Grm-Shmt 過程 使得到一組相互正交的簡併本徵向量 * 向量的內積 nner prout or ot prout 考慮 個行向量 定義 間的內積為 * * * *

17 9 * 個向量的內積若為 稱向量 相互垂直 正交 orthogonl * Grm-Shmt 過程 : 一個將一組 n 個彼此不平行 但不必彼此垂直 的向量建構成一組 n 個彼此垂直向量的方法 先考慮一組 個不平行向量 ; { 為一常數 } 所以向量 可以分解為平行與垂直 的分量 :. }: { ˆ ˆ ˆ ˆ // // // set orthogonl n Q 上式中出現的 â 為向量 方向的 單位向量 ˆ 再考慮 個不相互垂直的向量集合 } { 我們可以先用 Grm-Shmt 由 建構 使得 於是 可以分解為平行 的分量加上同時垂直於 的分量. } { ˆ ˆ ˆ ˆ set orthogonl n 個以上的向量集合也模仿上面照章辦理 E. 由 建構一組正交集 解 : 可以看出

18 ˆ ˆ ˆ ˆ n * 定理 :Hermtn 矩陣 的本徵值必全為實數.e.. R n f Pf. 先讓本徵向量 為歸一化的向量 :. R lso from for Q * 定理 : 若 為 Hermtn 且.. e pf. 由 * lso Q

19 習題......

20 7. 8. Fn the egenlues n orthonoml egenetors for the followng mtres. 9..

21 ..

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標題 第三章矩陣 矩陣的運算 ( 甲 ) 矩陣的基本認識 () 矩陣的引入 : 聯立方程組 : 矩陣 直行橫列 z z z 列行 () 矩陣的基本名詞 : () 元 (elemet): 矩陣中列出來的每個數稱為矩陣的元 () 列 (row): 同一水平線各元合稱此矩陣的一列 () 行 (olum): 同一鉛直線各元合稱此矩陣的一行 (d) 位於第 i 列, 第 j 行的元稱為 (i,j) 元 (e) 當一個矩陣

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標題 行列式與其應用 甲 二階行列式 引入二階行列式 : 解二元一次方程組 :, 其中, 是未知數, 我們使用代入消去法解之 當 時, 解得唯一解 : 為了簡化過程與符號, 定義二階行列式 定義 : 當,,,d 為 個數, d d 它是左上與右下的乘積減去右上與左下的乘積 引入二階行列式的符號之後, 重新考慮解 的過程, 可得, 其中,, 當 時, 方程組,, [ 此稱為克拉瑪公式 ] 當, 方程組有無限多解

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二次曲線 人們對於曲線的使用及欣賞 比曲線被視為一種數學題材來探討要早 得多 各種曲線中 在日常生活常接觸的 當然比較容易引起人們的興趣 比如 投擲籃球的路徑是拋物線 盤子的形狀有圓形或橢圓形 雙曲線 是較不常見的 然而根據科學家的研究 彗星的運行軌道是雙曲線的一部 分 我們將拋物線 圓與橢圓 雙曲 -1 圓方程式 第 章 二次曲線 38 二次曲線 人們對於曲線的使用及欣賞 比曲線被視為一種數學題材來探討要早 得多 各種曲線中 在日常生活常接觸的 當然比較容易引起人們的興趣 比如 投擲籃球的路徑是拋物線 盤子的形狀有圓形或橢圓形 雙曲線 是較不常見的 然而根據科學家的研究 彗星的運行軌道是雙曲線的一部 分 我們將拋物線 圓與橢圓 雙曲線合稱為圓錐曲線 因為在平面坐標 系中 其對應的方程式均為二元二次式

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