Высшая математика для физиков. Линейная алгебра
Покупка
Издательство:
ФЛИНТА
Автор:
Сурнев Виктор Борисович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 436
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9765-5065-0
Артикул: 789771.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Пособие охватывает все разделы дисциплины «Линейная алгебра», предусмотренные государственным стандартом направления подготовки бакалавров 14.03.02 «Ядерные физика и технологии». В каждой главе пособия подробно излагаются теоретические сведения и приводятся необходимые примеры решения типовых задач. Предназначено для студентов направления подготовки 14.03.02 «Ядерные физика и технологии», а также для других направлений подготовки и специальностей физического профиля высших учебных заведений.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина В. Б. Сурнев ВЫСШАЯ МАТЕМАТИКА ДЛЯ ФИЗИКОВ ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА Учебное пособие 2-е издание, стереотипное Москва Екатеринбург Издательство «ФЛИНТА» Издательство Уральского университета 2022 2022
УДК 512.64(075.8) ББК 22.14я73 С90 Р е ц е н з е н т ы: кафедра информатики ФГБОУ ВО УГГУ, завкафедрой канд. техн. наук, доцент А. В. Дружинин; д‑р физ.‑мат. наук, вед. науч. сотр. института геофизики им. Ю. П. Булашевича УрО РАН А. Ф. Шестаков Н а у ч н ы й р е д а к т о р проф., д‑р физ.‑мат. наук В. К. Першин Сурнев В. Б. С90 Высшая математика для физиков. Линейная алгебра : учебное пособие / В. Б. Сурнев. — 2‑е изд., стер. — Москва : ФЛИНТА ; Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2022. — 436 с. — ISBN 978‑5‑9765-5065-0 (ФЛИНТА) ; ISBN 978‑5‑7996‑3356‑1 (Изд‑во Урал. ун‑та). — Текст : электронный. Пособие охватывает все разделы дисциплины «Линейная алгебра», предусмот‑ ренные государственным стандартом направления подготовки бакалавров 14.03.02 «Ядерные физика и технологии». В каждой главе пособия подробно излагаются теоретические сведения и приводятся необходимые примеры решения типовых задач. Предназначено для студентов направления подготовки 14.03.02 «Ядерные физи‑ ка и технологии», а также для других направлений подготовки и специальностей физического профиля высших учебных заведений. УДК 512.64(075.8) ББК 22.14я73 Учебное издание Сурнев Виктор Борисович ВыСшая математика для физикоВ. линейная алгеБра Учебное пособие Подписано к выпуску 25.05.2022. Формат 70×100/16. Уч.-изд. л. 23,61. Электронное издание для распространения через Интернет. ООО «ФЛИНТА», 117342, Москва, ул. Бутлерова, д. 17-Б, офис 324. Тел.: (495) 334-82-65; 336-03-11. E-mail: flinta@mail.ru; WebSite: www.flinta.ru ISBN 978‑5‑9765-5065-0 (ФЛИНТА) ISBN 978‑5‑7996‑3356‑1 (Изд‑во Урал. ун‑та) © Уральский федеральный университет, 2022 © Сурнев В. Б., 2022
Оглавление Предисловие ......................................................................................... 9 глава 1. некоторые сведения из общей алгебры ................................ 17 1.1. Элементы теории множеств ...................................................... 17 Числовая прямая ........................................................................ 17 Понятие множества ................................................................... 18 Отношения между элементами и множествами ....................... 19 Операции над множествами. Закон тождества ......................... 23 Высказывания, предикаты и кванторы ..................................... 26 Бинарная алгебраическая операция ......................................... 27 Понятие бинарного отношения ................................................ 30 Отношение эквивалентности .................................................... 32 Отношение порядка ................................................................... 34 1.2. Алгебраические системы ........................................................... 35 Множества с одной алгебраической операцией, понятие группы .......................................................................... 35 Множества с двумя алгебраическими операциями, понятие кольца и поля ............................................................... 38 Абстрактные векторные пространства и алгебры..................... 40 Алгебраические системы, подсистемы, изоморфизм .............. 42 1.3. Числовые поля ........................................................................... 44 Поле действительных чисел. Аксиомы сложения .................... 44 Поле действительных чисел. Аксиомы умножения ................. 45 Поле действительных чисел. Дистрибутивные законы ............ 46 Поле действительных чисел. Аксиомы порядка ....................... 46 Аксиома полноты множества действительных чисел ............... 47 Абсолютная величина действительного числа ......................... 48 Поле комплексных чисел. Аксиоматическое построение и теорема существования ....................................... 49 Алгебраическая форма комплексного числа ............................ 54 Геометрическая интерпретация и тригонометрическая форма комплексного числа ....................................................... 55
Оглавление глава 2. Векторные пространства ...................................................... 62 2.1. Трёхмерное евклидово пространство ....................................... 62 Понятие вектора ........................................................................ 62 Декартова система координат. Координаты точек и векторов ................................................................................... 65 Представление радиус‑вектора в виде разложения по базисным векторам ............................................................... 67 Выражение операций над векторами через их координаты ............................................................................ 69 2.2. Скалярное произведение. Векторное и смешанное произведения ............................................................................. 72 Скалярное произведение векторов и его свойства, ортогональность ......................................................................... 72 Измерения в пространстве ........................................................ 77 Векторное и смешанное произведения векторов ..................... 78 Формулы для вычисления векторного и смешанного произведений ............................................................................. 84 2.3. Прямая линия и плоскость в евклидовых пространствах R2 и R3, уравнения и свойства ........................... 85 Уравнения прямой линии на плоскости R2 .............................. 85 Уравнение прямой линии в трёхмерном пространстве R3 ....... 89 Уравнения плоскости в трёхмерном пространстве R3 .............. 90 Взаимное расположение прямой линии и плоскости в пространстве R3 ....................................................................... 93 2.4. Абстрактные векторные пространства и системы линейных алгебраических уравнений ....................................... 98 Абстрактные векторные пространства n измерений ................ 98 Системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) ........104 Эквивалентные СЛАУ. Метод Гаусса ......................................106 2.5. Аффинное и евклидово пространства ......................................109 Аффинное и евклидово пространства n измерений ................109 Ортонормированный базис в собственно евклидовом пространстве Еп .........................................................................113 Два типа координат в евклидовом пространстве .....................120 2.6. Координатное пространство Rп ................................................122 Пространство вектор‑столбцов ................................................122 Скалярное произведение в координатном пространстве .............................................................................124 Линейная зависимость и линейная независимость системы вектор‑столбцов, базис ..............................................125 Норма вектор‑столбца в координатном пространстве ............128
Расстояние, угол и проекция в координатном пространстве .............................................................................130 2.7. Комплексное евклидово пространство ....................................130 Унитарное пространство ..........................................................130 Комплексное координатное пространство ..............................132 2.8. Строение векторных пространств. Изоморфизм ....................134 Подпространства векторного пространства ............................134 Прямая сумма подпространств ................................................142 Изоморфизм векторных пространств ......................................146 Ортогональная сумма подпространств евклидова пространства .............................................................................149 глава 3. линейные операторы в абстрактных векторных пространствах ....................................................................................153 3.1. Линейные операторы и матрицы. Алгебра линейных операторов .................................................................................153 Линейные операторы ................................................................153 Конструкция линейного оператора .........................................158 Действия с линейными операторами и матрицами .................163 Векторное пространство линейных операторов ......................168 Кольцо операторов ...................................................................169 Группа невырожденных операторов ........................................170 Алгебра операторов ...................................................................171 3.2. Определитель как функция ......................................................171 Определители ............................................................................171 Обратная матрица и формулы Крамера ...................................175 Критерий невырожденности линейного оператора ................178 3.3. Преобразование координат вектора и матрицы линейного оператора при изменении базиса ..........................180 Преобразование базисных векторов ........................................180 Преобразование координат вектора ........................................183 Преобразование матрицы оператора .......................................185 Вывод формулы преобразования матрицы оператора в матричных обозначениях .....................................187 3.4. Ранг матрицы и ранг оператора. Совместность СЛАУ общего вида ....................................................................188 Понятие ранга матрицы ...........................................................188 Теорема о базисном миноре .....................................................189 Критерии совместности СЛАУ ................................................192 Решение СЛАУ общего вида ....................................................195
Оглавление 3.5. Плоскость и прямая линия в n‑мерном аффинном пространстве .............................................................................197 Определение плоскости в аффинном пространстве ...............197 Параметрические и неявные уравнения m‑мерной плоскости в n‑мерном аффинном пространстве .....................197 Частные случаи задания m‑мерной плоскости в n‑мерном аффинном пространстве .......................................200 глава 4. некоторые специальные виды линейных операторов .........................................................................204 4.1. Собственные подпространства и характеристический многочлен линейного оператора ..............................................204 Собственные векторы линейного оператора и их свойства .............................................................................204 Характеристический многочлен линейного оператора и его свойства ..........................................................208 Понятие спектра линейного оператора ...................................212 Инвариантные подпространства линейного оператора ...................................................................................215 Треугольная форма матрицы оператора ..................................223 4.2. Линейные операторы в евклидовых пространствах ................227 Линейные функционалы и сопряжённое пространство .........228 Сопряжённый оператор............................................................230 Самосопряжённые операторы и их свойства...........................235 Ортогональные операторы и их свойства ................................243 Унитарные операторы ..............................................................252 Общие свойства операторов в евклидовых пространствах ............................................................................256 4.3. Операторы проектирования .....................................................262 Прямая сумма линейных операторов.......................................262 Оператор проектирования на подпространство ......................268 Оператор ортогонального проектирования .............................270 глава 5. геометрия векторных пространств .....................................273 5.1. Некоторые задачи геометрии в n‑мерном собственно евклидовом пространстве ........................................................273 Критерий Грама линейной зависимости системы векторов .....................................................................................273
Наклонная, перпендикуляр и проекция в n‑мерном евклидовом пространстве .........................................................276 Объём параллелепипеда в n‑мерном собственно евклидовом пространстве .........................................................278 5.2. Квадратичные формы в пространстве Rп .................................285 Понятие квадратичной формы .................................................285 Преобразование матрицы квадратичной формы при изменении базиса ..............................................................287 Знакоопределённые квадратичные формы .............................290 Приведение квадратичной формы к каноническому виду ортогональным преобразованием ....................................298 Приведение квадратичной формы к каноническому виду методом выделения полного квадрата .............................299 5.3. Кривые и поверхности второго порядка ..................................302 Определение и общее уравнение поверхности второго порядка ......................................................................................302 Эллипс и гипербола ..................................................................307 Парабола ...................................................................................310 Эллипсоид и гиперболоиды .....................................................311 Конус .........................................................................................312 Параболоиды .............................................................................313 Цилиндры ..................................................................................314 глава 6. некоторые вопросы алгебры, не вошедшие в основной курс ..................................................................................316 6.1. Кольцо многочленов от одного неизвестного .........................316 Определение многочлена .........................................................316 Равенство, сумма и произведение многочленов ......................318 Делимость многочленов ...........................................................322 Корни многочленов ..................................................................329 Основная теорема алгебры многочленов и следствия из неё ..332 Разложение многочлена с действительными коэффициентами на множители ..............................................337 Рациональные дроби ................................................................339 6.2. Общая теория определителей ...................................................344 Понятие определителя ..............................................................344 Свойства определителей ...........................................................347 6.3. Билинейные и квадратичные формы .......................................352 Определение билинейных и квадратичных форм ...................352 Матрицы билинейных и квадратичных форм .........................355
Оглавление Симметрические билинейные формы .....................................357 Приведение квадратичной формы к каноническому виду ............................................................................................360 Канонический базис билинейной формы, метод Якоби .........................................................................................363 Билинейные и квадратичные формы в вещественном пространстве .............................................................................372 Билинейные и квадратичные формы в евклидовом пространстве .............................................................................374 6.4. Жорданова форма матрицы линейного оператора ..................377 Корневые векторы и корневые подпространства линейного оператора ................................................................377 Нильпотентные операторы и циклические подпространства .......................................................................380 Жорданов базис и жордановы клетки ......................................383 6.5. Метрика в евклидовых пространствах .....................................385 Плоскости в n‑мерном евклидовом пространстве ..................385 Ортонормированный репер в собственно евклидовом пространстве, ортогонализация Шмидта ................................392 Ортонормированный репер в комплексном евклидовом пространстве .........................................................395 Ортонормированный репер в вещественном евклидовом пространстве .........................................................397 глава 7. физические приложения теории конечномерных векторных пространств, линейных операторов и матриц ...................402 7.1. Инерциальные системы координат в классической механике .....................................................................................402 7.2. Структура кинетической энергии системы материальных точек в обобщённых координатах .............................................409 7.3. Движение по орбитам. Конические сечения ............................413 7.4. Законы Кирхгофа для электрических цепей ............................421 7.5. Представление чистых состояний в квантовой механике векторами в унитарном пространстве .......................................426 7.6. Наблюдаемые величины в квантовой механике .......................431 Библиографический список ...............................................................434
Предисловие Ни одна отрасль знания не может претен- довать на право называться «научной», пока не сформулирует свои базовые поня- тия на языке математики. И звестно высказывание И. Канта: «В каждой естественной на‑ уке заключено столько истины, сколько в ней есть матема‑ тики». Что касается связи физики и математики, то бытует мнение, что эти две науки неразрывно связаны и являются частями одной и той же физико‑математической науки. Вынесенная в эпиграф сентенция является некоторым расширением приведённых мнений на другие науки и отражает личный взгляд автора на роль математики в научном прогрессе и её связь с другими науками. Многолетний опыт работы в области теоретической геофизики и по‑ следующие более чем 25 лет преподавательской деятельности убедили автора в том, что многие понятия и выводы физики и техники стано‑ вятся намного более понятными, если их преподавание основано на ма‑ тематике. Более того, в процессе преподавания физики некоторые её понятия и вовсе невозможно чётко сформулировать без применения математического языка. В качестве примера достаточно привести по‑ нятие сплошной гетерогенной среды, которое на словах можно сфор‑ мулировать, например, так: «Гетерогенная среда — это среда, содержа‑ щая хаотически распределённые неоднородности с гладкими и резкими границами, заключённые в определённом объёме, …». Однако, такое «определение» ни в коей мере не раскрывает физическое содержание по‑ нятия «гетерогенная среда», а только затуманивает и так довольно слож‑ ное понятие. Если же использовать математический язык, то определе‑ ние гетерогенной среды можно выразить краткой и прозрачной фразой: «Гетерогенная среда — это сплошная среда, материальные параметры которой являются кусочно‑непрерывными функциями, определённы‑ ми на подмножествах трёхмерного евклидова пространства». Конечно, это определение понятно человеку, изучившему в доста‑ точной мере математику. Кроме этого, требуются предварительное разъяснение других понятий, например, что такое материальный па‑
Предисловие раметр среды. Тем не менее, можно утверждать, что определение фи‑ зического понятия на языке математики резко упрощает понимание его сути. Таких примеров можно привести многие десятки и сотни. Та‑ ким образом, следует сделать вывод о том, что вынесенная в эпиграф сентенция отражает суть проблемы, а достаточно глубокое изучение математики совершенно необходимо студентам‑физикам. Вниманию читателя предлагается первая часть давно задуманного автором издания серии книг под общим названием «Высшая матема‑ тика для физиков». Предполагается, что книги серии будут включать в себя материал лекций и практических занятий, которые автор про‑ водил в течение 10 лет студентам специальности «Прикладная мате‑ матика» Уральского государственного горного университета (УГГУ), а в последние несколько лет проводит для студентов направления под‑ готовки «Ядерные физика и технологии» физико‑технологическо‑ го института (ФТИ) Уральского федерального университета (УрФУ), а также студентам направления подготовки «Технология геологиче‑ ской разведки» и специальности «Горное дело» УГГУ. Путь к реализации задуманного был достаточно долгим и нелёгким. На этом пути автором за последние 20 лет было подготовлено и изда‑ но восемь учебных пособий [31–38], из которых три издания получили гриф УМО по образованию в области прикладной математики и управ‑ ления качеством, а также несколько более мелких брошюр. Послед‑ ним изданием на этом нелёгком пути стала книга автора «Математи‑ ческое моделирование. Непрерывные детерминированные модели», получившая гриф УМО и изданная в 2013 году издательством Ураль‑ ского государственного горного университета [38]. Последовавший за этим изданием пятилетний перерыв позволил автору восстановить силы, переосмыслить подходы к преподаванию математики для мате‑ матиков‑прикладников, физиков и инженеров‑исследователей и под‑ готовиться к написанию задуманной серии. Несколько слов о целесообразности и своевременности такого из‑ дания. Если физик‑экспериментатор или инженер‑эксплуатационщик могут довольствоваться не слишком обширными и достаточно фор‑ мальными познаниями в математике, то физик‑теоретик, инженер‑ конструктор, инженер‑исследователь и тем более специалист по ма‑ тематическому моделированию в области физики и техники должны не только обладать достаточно обширными познаниями в области ма‑ тематики, но и уметь творчески применять их для решения различных
задач. Поэтому изучение достаточно полного курса высшей математи‑ ки совершенно необходимо для будущих физиков‑теоретиков и спе‑ циалистов в области математического моделирования. В недалёком прошлом было издано несколько математических курсов для подготовки студентов‑физиков, например книги [7, 10, 24–29, 41]. Некоторые из этих книг написаны физиками «на физи‑ ческом уровне строгости» [10] и вряд ли доставят читателю, нацелен‑ ному на работу в области теоретической физики и математического моделирования, необходимый объём математических знаний на со‑ ответствующем уровне строгости. Другие книги, например [40, 42], написаны математиками‑теоретиками на уровне строгости, по моему мнению, избыточном для вчерашнего школьника, в силу чего мало‑ доступны для регулярного изучения современному российскому сту‑ денту первого и второго курсов. Наиболее близко по уровню строгости и доступности для специа‑ листов по математическому моделированию и физике вообще напи‑ сан известный курс высшей математики академика В. И. Смирнова [24–29]. Однако слишком большой объём, недостаточное количество или даже отсутствие физических примеров, архаичность изложения и терминологии в определённой степени осложняет использование данного издания для регулярного изучения математики названной ка‑ тегорией студентов и молодых специалистов. К тому же за прошедшие почти 60 лет со времени первого издания курса В. И. Смирнова зна‑ чительно изменились подходы к преподаванию математических дис‑ циплин, терминология и даже обозначения [16, 17]. К сказанному выше следует добавить, что за последние пример‑ но 20 лет по объективным и субъективным причинам в арсенал спе‑ циалиста по теоретической физике и математическому моделирова‑ нию кроме общих разделов высшей математики, таких как «Линейная алгебра», «Математический анализ», «Обыкновенные дифференци‑ альные уравнения», «Уравнения математической физики», «Теория функций комплексной переменной», «Теория вероятностей и мате‑ матическая статистика», добавился и ряд других разделов, которые раньше преподавались в качестве специальных курсов. Назовём толь‑ ко такие разделы, как «Теория обобщённых функций», «Дифференци‑ альная геометрия», «Интегральные уравнения и системы», «Функци‑ ональный анализ», «Вариационное исчисление» и некоторые другие разделы математики.
Предисловие Кроме этого, вследствие далеко не самых лучших изменений ФГОС, выразившихся в разделении уровней подготовки (бакалавры и маги‑ стры), весьма нечётком понятии «компетенция», фактическом исклю‑ чении из ФГОС понятия дисциплины и цикла дисциплин, произошло резкое сокращение времени, отпущенного на изучение математиче‑ ских и естественно‑научных дисциплин бакалаврами. Естественно, что подобные изменения в структуре образовательного процесса влекут за собой существенные изменения в структуре собствен‑ но курса математики, выражающиеся в компоновке материала, а именно: в последовательности изложения тем, в уровне математической строго‑ сти изложения и, наконец, в переработке порядка и уровня изложения внутри самих тем. Цель таких изменений — не теряя в строгости и пол‑ ноте изложения, максимально сократить время на нужный объём пода‑ ваемых на аудиторных занятиях сведений. В качестве примера можно привести упор на теорию линейных операторов в линейной алгебре или совместное изложение дифференциального исчисления функций од‑ ной и нескольких независимых переменных в математическом анализе. Кроме этого, в общий курс математики для физиков совершенно необходимо ввести дополнения, позволяющие студенту воочию уви‑ деть необходимость изучения математических методов с точки зрения их применения в физике и показать, что физика и математика явля‑ ются двумя сторонами одной физико‑математической науки. Иными словами, студент должен проникнуться мыслью о том, что изучать фи‑ зику без математики невозможно. Стоит отметить, что введение физических дополнений в общий курс математики наталкивается на ряд существенных трудностей, свя‑ занных в первую очередь с тем, что во многих вузах и на факультетах физического профиля общая физика на первом семестре не препо‑ даётся. С одной стороны, такая организация учебного процесса мо‑ жет быть обоснована как раз недостаточной математической подго‑ товкой вчерашнего школьника, а с другой стороны, такое положение дел приводит к тому, что на первом семестре студент лишён «физиче‑ ской поддержки» при изучении математики. Если при изложении ма‑ тематического анализа, преподавание которого может быть основано на физических понятиях, отчасти известных ещё из школы, указанную трудность можно как‑то нивелировать, то при изложении линейной алгебры вводимые понятия настолько новы для вчерашнего школьни‑ ка, что указанная трудность «встаёт в полный рост». Например, про‑
иллюстрировать первокурснику с точки зрения пока ещё неизвестной ему физики понятие квадратичной формы крайне затруднительно, так как впервые понятие квадратичной формы в полной мере проявится только при изучении механики, а именно при изучении кинетической энергии системы материальных точек в рамках механики Ньютона. Предполагаемая серия книг является попыткой достаточно стро‑ гого, но не избыточно строгого, изложения общего курса высшей ма‑ тематики, ориентированного на подготовку специалистов в области физики и математического моделирования. Задуманная серия долж‑ на будет включать в себя книги, носящие следующие названия: «Ли‑ нейная алгебра», «Дифференциальное и интегральное исчисление», «Дифференциальная геометрия и векторный анализ», «Обыкновен‑ ные дифференциальные уравнения и системы», «Теория функций ком‑ плексной переменной и уравнения математической физики», «Инте‑ гральные уравнения и элементы математического моделирования». Следует отметить, что кроме первых двух все названия условные и мо‑ гут измениться в процессе издания. Открывающая предполагаемую серию первая книга «линейная ал‑ гебра» трактует входящую в учебный план физических и математиче‑ ских направлений подготовки одноимённую дисциплину. По своему содержанию и методике изложения данная книга опирается на учеб‑ ное пособие автора [32], которое много лет использовалось для пре‑ подавания линейной алгебры студентам специальности «Приклад‑ ная математика» в Уральском государственном горном университете на факультете геологии и геофизики. Естественно, что содержание книги подверглось значительной пе‑ реработке и существенно дополнено. Во‑первых, изменены, часто с целью упрощения, доказательства некоторых утверждений и теорем. Во‑вторых, добавлено сравнительно большое число примеров с ре‑ шением. В‑третьих, исправлены опечатки и вычислительные ошиб‑ ки, закравшиеся в примеры в книге [32] в достаточно большом чис‑ ле. В‑четвёртых, в книгу по возможности добавлено некоторое число сведений, иллюстрирующих применение теоретических положений линейной алгебры в физике. И наконец, самое существенное изме‑ нение состоит в том, что изменён формат книги, а именно, матери‑ ал перегруппирован и размещён в семи главах в отличие от пяти глав книги [32]. По техническим причинам из книги пришлось исключить параграфы с практическими занятиями и заданиями для самостоятель‑
Предисловие ной работы. Эти параграфы будут оформлены отдельно в виде прак‑ тикума по линейной алгебре. В силу описанных выше особенностей, сопровождающих препо‑ давание высшей математики вообще и линейной алгебры в частно‑ сти в вузе физического профиля, все имеющиеся в небольшом чис‑ ле физические приложения и иллюстрации вынесены в конец книги, составляют содержание седьмой главы и доступны для освоения при параллельном изучении курса общей физики. Студентам, не изучаю‑ щим общую физику в первом семестре, придётся отложить изучение физических приложений и до поры до времени довольствоваться изу‑ чением линейной алгебры в абстрактной форме. Впрочем, повторюсь, в данной книге таких приложений не слишком много. В первой главе изложены самые начальные сведения из общей алгеб‑ ры, которые являются своеобразным терминологическим фундамен‑ том для всего дальнейшего изложения. В процессе изучения первой главы читатель получит достаточно полные сведения из наивной те‑ ории множеств и краткие сведения из теории алгебраических систем. Более подробно рассмотрены две алгебраические системы — поле дей‑ ствительных чисел и поле комплексных чисел. Во второй главе подробно излагается теория конечномерных век‑ торных пространств, которые являются как бы «ареной», на которой функционируют все вводимые далее объекты. Подробно изучается трёхмерное собственно евклидово пространство, являющееся основой аналитической геометрии. Понятие векторного пространства вводит‑ ся в самом общем виде, достаточно полно изучается структура вектор‑ ного пространства. В этой же главе изучаются аффинные и евклидо‑ вы пространства, имеющие основное значение для геометрических основ физики. В третьей главе определяется понятие линейного оператора и под‑ робно изучается структура линейных операторов в конечномерных пространствах. Рассматриваются элементы алгебры линейных опе‑ раторов. Подробно изучаются достаточно сложные вопросы теории преобразования систем координат. Вводится понятие ранга операто‑ ра и его матрицы. В четвёртой главе изучается задача на собственные значения ли‑ нейного оператора и рассматриваются смежные вопросы теории соб‑ ственных и инвариантных подпространств. Достаточно подробно изу‑ чаются сопряжённые, самосопряжённые и ортогональные операторы.
В пятой главе излагаются некоторые сведения из геометрии век‑ торных пространств, в частности, строится решение некоторых ти‑ пичных задач из геометрии многомерных собственно евклидовых пространств, изучается теория квадратичных форм. Завершается гла‑ ва теорией поверхностей второго порядка в трёхмерном собственно евклидовом пространстве. По существу, пятая глава является квинт‑ эссенцией предыдущих трёх глав. В шестой главе рассматриваются некоторые алгебраические постро‑ ения, не вошедшие в основной курс: кольцо многочленов, общая тео‑ рия определителей, билинейные формы и их связь с квадратичными формами, каноническая (жорданова) форма матрицы линейного опе‑ ратора, метрика в евклидовых пространствах. В седьмой главе приведены некоторые простейшие приложения линей‑ ной алгебры к физике. Примеры взяты из классической и небесной ме‑ ханики, из теории электрических цепей и из квантовой механики. К со‑ жалению, пришлось опустить возможные приложения в космологии. Автор остался верен системе обозначений, принятой в книге [32]. Для векторов использованы обычные обозначения со стрелкой, операто‑ ры обозначаются большой буквой со «шляпкой». Для вектор‑столбцов и вектор‑строк в координатном пространстве использованы «bracket» обозначения П. А. М. Дирака [8], например, ket‑вектор | y> и bra‑вектор <x | соответственно. Символ «*» используется для обозначения абстракт‑ ной алгебраической операции. Для конкретной операции, например сложения или умножения, используются символы «+», «×», и так далее. Для координат векторов и элементов матриц применены обозна‑ чения с верхними и нижними индексами, что, возможно, несколько непривычно. Дело в том, что векторы имеют координаты двух типов — контравариантные и ковариантные: контравариантные координаты яв‑ ляются первичными и появляются в аффинном пространстве — для них используются обозначения с верхними индексами; ковариантные ко‑ ординаты появляются только в евклидовых пространствах [28]. Кроме этого, оправданием использования обозначений с верхними и нижни‑ ми индексами служит не очевидное сразу удобство таких обозначений. Для записи различных утверждений и выводов широко используются простейшие логические обозначения. Как было сказано выше, материал книги разбит на семь глав, ко‑ торые разбиты в свою очередь на параграфы, а последние на пункты, не имеющие нумерации: ссылку на параграф под номером 3.2 следу‑
Предисловие ет понимать в том смысле, что имеется в виду параграф 2 главы 3. Ну‑ мерация определений, теорем и формул сквозная для каждого пара‑ графа: ссылка на определение (теорему, формулу) 3.2.1 означает, что имеется в виду определение (теорема, формула) 1 из параграфа 2 гла‑ вы 3. Символом «·» обозначается окончание определения; символом «··» обозначается окончание доказательства теоремы, леммы или ут‑ верждения; символом «» обозначается окончание примера. Некоторые параграфы и пункты отмечены символом «*». Это оз‑ начает, что при первом изучении материал главы, параграфа (пункта) без ущерба для понимания последующего материала можно опустить. Впрочем, таких случаев немного. Доказательства некоторых теорем набраны мелким шрифтом. Как правило, это сделано в случае, когда автор не смог предоставить бо‑ лее простых доказательств и вынужденно привёл довольно громозд‑ кие «стандартные доказательства», известные из литературы. Эти до‑ казательства предлагаются для ознакомления. Некоторые разделы линейной алгебры автором намеренно приве‑ дены в упрощённом изложении, например, теория определителей из‑ ложена в эвристической (делай как сказано) форме, а квадратичные формы рассматриваются только в собственно евклидовом простран‑ стве. Общая теория определителей, теория билинейных и квадратич‑ ных форм в абстрактных векторных пространствах и теория веще‑ ственных евклидовых пространств вынесены в дополнения. В данной книге не нашлось места тензорной алгебре. По соображениям удоб‑ ства и полноты решено перенести тензорную алгебру и изложить её как часть тензорного исчисления в более подходящем месте курса. В начале педагогической деятельности при подготовке лекцион‑ ных курсов и практических занятий автор пользовался большим чис‑ лом учебников и задачников, отмеченных в списке литературы. Боль‑ шинство методических приёмов из упомянутых изданий естественным образом использованы и в данном курсе. Как уже отмечалось выше, в целях приблизить содержание книги к нуждам студентов физиче‑ ских направлений подготовки переработана методика изложения ма‑ териала. Разумеется, ответственность за форму изложения материала лежит полностью на авторе. Автор надеется, что представляемая книга будет полезна для изу‑ чения высшей математики студентами физических направлений под‑ готовки.
Доступ онлайн
В корзину