31.1

Определение линейной функции. Примеры линейных функций (31.1-31.32)

[32/78%]
Показать
LaTeX
Задача 31.1

Какие условия выделяют линейные функции из остальных линейных отображений?

?
Задача 31.2

Как преобразуется строка коэффициентов линейной функции при изменении базиса?

?
Задача 31.3

Как выражаются через базисные векторы коэффициенты линейной функции в базисе e\mathbf{e}?

?
Задача 31.4

Выпишите строку коэффициентов нулевой линейной функции.

?
Задача 31.5

Может ли для линейной функции f\mathrm{f}, заданной на Ln\mathcal{L}_{n}, при всех x∈Lnx\in \mathcal{L}_{n} выполняться:

?
(1)

неравенство f(x)>0\mathrm{f}(x) > 0

(2)

неравенство f(x)⩾0\mathrm{f}(x) \geqslant 0

(3)

равенство f(x)=α\mathrm{f}(x) = \alpha?

Задача 31.6

Даны линейная функция f\mathrm{f} на Ln\mathcal{L}_{n} и число α\alpha. Всегда ли найдется такой вектор xx из Ln\mathcal{L}_{n}, что f(x)=α\mathrm{f}(x) = \alpha?

?
Задача 31.7

Определить множество значений произвольной линейной функции на вещественном линейном пространстве.

?
Задача 31.8

Пусть (ξ1,ξ2,ξ3)T\left(\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3}\right)^{T} — координатный столбец вектора x∈L3x\in \mathcal{L}_{3} в некотором базисе. Будет ли линейной функция f\mathrm{f} на L3\mathcal{L}_{3}, определенная равенством:

?
(1)

f(x)=ξ1+ξ2\mathrm{f}(x) = \xi_{1} + \xi_{2}

(2)

f(x)=ξ1−(ξ2)2\mathrm{f}(x) = \xi_{1} - \left(\xi_{2}\right)^{2}

(3)

f(x)=ξ1+1\mathrm{f}(x) = \xi_{1} + 1

(4)

f(x)=ξ1+2ξ2−3ξ3\mathrm{f}(x) = \xi_{1} + 2\xi_{2} - 3\xi_{3}

?

Задача 31.9

Выписать строку коэффициентов функции f\mathrm{f} в случаях 1, 4 задачи 31. 8.

?
Задача 31.10

В некотором базисе пространства L3\mathcal{L}_{3} функции f\mathrm{f} и g\mathrm{g} имеют координатные строки соответственно (1,2,3)(1, 2, 3) и (3,2,1)(3, 2, 1). Найти координатные строки функций:

?
(1)

f+g\mathrm{f} + \mathrm{g}

(2)

2f2\mathrm{f}

(3)

3 g3\mathrm{~ g}

(4)

f−g\mathrm{f} - \mathrm{g}.

Задача 31.11
?
(1)

Пусть а — вектор из пространства E3\mathcal{E}_{3}. Сопоставим каждому вектору x\mathbf{x} из E3\mathcal{E}_{3} его скалярную ортогональную проекцию на ось, определяемую вектором а. Доказать, что этим определяется линейная функция на E3\mathcal{E}_{3}. Найти координатную строку этой функции в каком — нибудь ортонормированном базисе пространства E3\mathcal{E}_{3}.

(2)

Пусть m\mathrm{m} — какая — нибудь плоскость в пространстве E3\mathcal{E}_{3}. Сопоставим каждому вектору из E3\mathcal{E}_{3} длину его ортогональной проекции на m\mathrm{m}. Будет ли полученная числовая функция линейной?

Задача 31.12
?
(1)

Пусть а — фиксированный вектор на плоскости E2\mathcal{E}_{2}. Сопоставим каждому вектору x\mathbf{x} из E2\mathcal{E}_{2} число, равное площади ориентированного параллелограмма, построенного на векторах a\mathbf{a} и х. Доказать, что этим определена линейная функ — ция на E2\mathcal{E}_{2}, и вычислить ее координатную строку в каком — нибудь ортонормированном базисе.

(2)

Пусть a\mathbf{a} — фиксированный вектор на плоскости E2\mathcal{E}_{2}. Сопоставим каждому вектору x∈E2\mathbf{x} \in \mathcal{E}_{2} число, равное площади параллелограмма, построенного на векторах а и х. Будет ли построенная функция линейной?

Задача 31.13
?
(1)

Пусть а и b — фиксированные векторы в пространстве E3\mathcal{E}_{3}. Сопоставим произвольному вектору х ∈E3\in \mathcal{E}_{3} число, равное объему ориентированного параллелепипеда, построенного на векторах a,b\mathbf{a}, \mathbf{b} и x\mathbf{x}, или нулю, если a,b\mathbf{a}, \mathbf{b} и x\mathbf{x} компланарны. Доказать, что этим определена линейная функция, и вычислить ее координатную строку в каком — либо ортонормированном базисе.

(2)

Пусть a\mathbf{a} и b\mathbf{b} — фиксированные векторы в пространстве E3\mathcal{E}_{3}. Сопоставим произвольному вектору x∈E3\mathbf{x} \in \mathcal{E}_{3} число, равное объему параллелепипеда, построенного на векторах a,b\mathbf{a}, \mathbf{b} и x\mathbf{x}, или нулю, если a,b\mathbf{a}, \mathbf{b} и x\mathbf{x} компланарны. Будет ли построенная функция линейной?

Задача 31.14
?
(1)

Сопоставим столбцу высоты nn отношение первых двух его элементов. Будет ли этим определена функция на Rn\mathcal{R}_{n}?

(2)

Сопоставим каждому столбцу высоты nn сумму квадратов всех его элементов. Будет ли этим определена линейная функция на Rn\mathcal{R}_{n}?

(3)

Сопоставим каждому столбцу высоты nn его ii — й элемент. Доказать, что этим определена линейная функция на Rn\mathcal{R}_{n}, и найти ее координатную строку в стандартном базисе пространства Rn\mathcal{R}_{n}.

(4)

Сопоставим каждому столбцу высоты nn сумму его элементов. Доказать, что этим определена линейная функция на Rn\mathcal{R}_{n}, и найти ее координатную строку в стандартном базисе пространства Rn\mathcal{R}_{n}.

Задача 31.15

Функция tr⁡X\operatorname {tr} X сопоставляет каждой квадратной матрице XX порядка nn ее след. Проверить, что эта функция является линейной, и найти ее координатную строку (координатную матрицу) в стандартном базисе пространства матриц.

?
Задача 31.16

Пусть CC — квадратная матрица порядка nn. Сопоставим каждой квадратной матрице XX порядка nn число tr⁡(CTX)\operatorname {tr}\left(C^{T} X\right). Показать, что этим определена линейная функция на пространстве Rn×n\mathcal{R}_{n \times n}, и найти ее координатную строку (координатную матрицу).

?
Задача 31.17

Пусть f — какая — нибудь линейная функция, определенная на пространстве Rn×n\mathcal{R}_{n \times n}. Доказать, что существует такая квадратная матрица CC, что для произвольной матрицы X∈Rn×nX\in \mathcal{R}_{n \times n} выполнено равенство f(X)=tr⁡(CTX)\mathrm{f}(X) = \operatorname {tr}\left(C^{T} X\right).

?
Задача 31.18

Пусть линейная функция f\mathrm{f} на пространстве Rn×n\mathcal{R}_{n \times n} для любых двух квадратных матриц AA и BB порядка nn удовлетворяет условию f(AB)=f(BA)\mathrm{f}(AB) = \mathrm{f}(BA). Доказать, что f\mathrm{f} определяется равенством f(X)=αtr⁡X\mathrm{f}(X) = \alpha \operatorname {tr} X.

?
Задача 31.19
?
(1)

Сопоставим каждому многочлену p(t)p(t) степени ⩽3\leqslant 3 число f(p)=∫−11(1+t2)p(t)dt\mathrm{f}(p) = \int_{ - 1}^{1}\left(1 + t^{2}\right) p(t) dt. Доказать, что этим определена линейная функция на пространстве многочленов P(3)\mathcal{P}^{(3)}, и вычислить ее координатную строку в базисе из многочленов 1,t,t2,t31, t, t^{2}, t^{3}.

(2)

Сопоставим каждому многочлену p(t)p(t) степени ⩽3\leqslant 3 число f(p)=∫01p(t2)dt\mathrm{f}(p) = \int_{0}^{1} p\left(t^{2}\right) dt. Доказать, что этим определена линейная функция на пространстве многочленов P(3)\mathcal{P}^{(3)}, и вычислить ее координатную строку в базисе из многочленов 1,t,t2,t31, t, t^{2}, t^{3}.

Задача 31.20

Сопоставим каждому многочлену p(t)p(t) степени ⩽n\leqslant n его значение при t=0t = 0. Доказать, что этим определена линейная функция на P(n)\mathcal{P}^{(n)}, и вычислить ее координатную строку в базисе 1,t,t2,…,tn1, t, t^{2}, \ldots , t^{n}.

?
Задача 31.21

Пусть t0t_{0} — фиксированное число. Сопоставим каждому многочлену p(t)p(t) степени ⩽n\leqslant n его значение при t=t0t = t_{0}. Доказать, что этим определена линейная функция φ\varphi на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)}. Вычислить координатную строку функции φ\varphi в базисах

?
(1)

1,t,…,tn1, t, \ldots , t^{n};

(2)

1,t−t0,…,(t−t0)n1, t - t_{0}, \ldots , \left(t - t_{0}\right)^{n}.

Задача 31.22

Пусть t1,…,tn+1t_{1}, \ldots , t_{n + 1} — попарно различные точки числовой оси, φ1,…,φn+1\varphi_{1}, \ldots , \varphi_{n + 1} — соответствующие этим точкам линейные функции на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)}, определенные в задаче 31. 21.

?
(1)

Доказать, что функции φ1,…,φn+1\varphi_{1}, \ldots , \varphi_{n + 1} линейно независимы.

(2)

Доказать, что произвольная линейная функция на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)} может быть разложена в линейную комбинацию функций φ1,…,φn+1\varphi_{1}, \ldots , \varphi_{n + 1}.

Задача 31.23

Линейная функция δ\delta сопоставляет каждому многочлену p(t)p(t) степени n(n⩽2)n\quad (n \leqslant 2) его свободный член. Разложить эту функцию в линейную комбинацию функций φ1,φ2,φ3\varphi_{1}, \varphi_{2}, \varphi_{3}, сопоставляющих каждому многочлену его значение соответственно при t=1,t=2t = 1, t = 2 и t=3t = 3.

?
Задача 31.24

Пусть t0t_{0} — какое — нибудь, а t1,…,tn+1t_{1}, \ldots , t_{n + 1} — попарно различные вещественные числа. Доказать, что найдутся такие числа λ1,…,λn+1\lambda_{1}, \ldots , \lambda_{n + 1}, что для любого многочлена p(t)∈P(n)p(t) \in \mathcal{P}^{(n)} будет выполнено равенство p(t0)=λ1p(t1)+…+λn+1p(tn+1)p\left(t_{0}\right) = \lambda_{1} p\left(t_{1}\right) + \ldots + \lambda_{n + 1} p\left(t_{n + 1}\right).

?
Задача 31.25

Пусть kk — натуральное число. Сопоставим каждому многочлену p(t)p(t) степени ⩽n\leqslant n значение его kk — й производной при t=0t = 0. Доказать, что этим определена линейная функция на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)}, и вычислить ее координатную строку в базисе 1,t,t2,…,tn1, t, t^{2}, \ldots , t^{n}.

?
Задача 31.26

Пусть kk — натуральное число, k⩽n,t0k \leqslant n, t_{0} — вещественное число. Сопоставим каждому многочлену p(t)p(t) степени не выше nn значение его kk — й производной при t=t0t = t_{0}. Доказать, что этим определена линейная функция на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)}. Вычислить ее координатную строку в базисах:

?
(1)

1,t,…,tn1, t, \ldots , t^{n}

(2)

1,t−t0,…,(t−t0)n1, t - t_{0}, \ldots , \left(t - t_{0}\right)^{n}.

Задача 31.27

Линейные функции δ0,δ1,…,δn\delta_{0}, \delta_{1}, \ldots , \delta_{n} определены на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)} равенствами

δk(p)=dk(p)dtk∣t=t0(k=0,1,…,n). \delta _{k}(p) = \left. \frac{d^{k}(p)}{dt^{k}}\right|_{t = t_{0}} \quad (k = 0, 1, \ldots , n).

Доказать, что функции δ0,δ1,…,δn\delta_{0}, \delta_{1}, \ldots , \delta_{n} линейно независимы.

?
Задача 31.28

Функции δ0,δ1,…,δn\delta_{0}, \delta_{1}, \ldots , \delta_{n} определены так же, как в задаче 31. 27. Доказать, что произвольная линейная функция, заданная на пространстве P(n)\mathcal{P}^{(n)}, может быть разложена в линейную комбинацию функций δk(k=0,1,…,n)\delta_{k}(k = 0, 1, \ldots , n).

?
Задача 31.29

Пусть в базисе e1,e2,e3e_{1}, e_{2}, e_{3} линейная функция ff выражается через координаты ξ1,ξ2,ξ3\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3} вектора xx формулой f(x)=ξ1+2ξ2+3ξ3\mathrm{f}(x) = \xi_{1} + 2\xi_{2} + 3\xi_{3}. Какой формулой выражается f(x)\mathrm{f}(x) через координаты xx в базисе e1′=e1+e2,e2′=e2+e3,e3′=e3+e1e_{1}^{\prime } = e_{1} + e_{2}, e_{2}^{\prime } = e_{2} + e_{3}, e_{3}^{\prime } = e_{3} + e_{1}?

?
Задача 31.30

Доказать, что всякую ненулевую линейную функцию f\mathrm{f} на Ln\mathcal{L}_{n} подходящим выбором базиса в Ln\mathcal{L}_{n} можно привести к виду f(x)=ξ1\mathrm{f}(x) = \xi_{1}, где ξ1\xi_{1} — первая координата вектора xx.

?
Задача 31.31

В базисе ee линейная функция f\mathrm{f} имеет строку коэффициентов ϰ\varkappa. Найти ее строку коэффициентов x′x^{\prime } в базисе e′=eS\mathbf{e}^{\prime } = \mathbf{e} S, если:

?
(1)

ϰ=c52T,S=A201\varkappa = \mathbf{c}_{52}^{T}, \quad S = \mathbf{A}_{201}. c52=[1−11],A201=[21−131−2101]\mathbf{c}_{52} = \left[\begin{smallmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{201} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 3 & 1 & -2 \\ 1 & 0 & 1 \end{smallmatrix}\right].

(2)

ϰ=c64T,S=A202\varkappa = \mathbf{c}_{64}^{T}, \quad S = \mathbf{A}_{202}. c64=[−112],A202=[12221−22−21]\mathbf{c}_{64} = \left[\begin{smallmatrix} -1 \\ 1 \\ 2 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{202} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 & 2 \\ 2 & 1 & -2 \\ 2 & -2 & 1 \end{smallmatrix}\right].

(3)

ϰ=c66T,S=A203\varkappa = \mathbf{c}_{66}^{T}, \quad S = \mathbf{A}_{203}. c66=[111],A203=[22−12−12−122]\mathbf{c}_{66} = \left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{203} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 2 & -1 \\ 2 & -1 & 2 \\ -1 & 2 & 2 \end{smallmatrix}\right].

(4)

ϰ=c51T,S=A204\varkappa = \mathbf{c}_{51}^{T}, \quad S = \mathbf{A}_{204}. c51=[11−1],A204=[−231362121]\mathbf{c}_{51} = \left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{204} = \left[\begin{smallmatrix} -2 & 3 & 1 \\ 3 & 6 & 2 \\ 1 & 2 & 1 \end{smallmatrix}\right].

Задача 31.32

Функции φ1,φ2,φ3\varphi_{1}, \varphi_{2}, \varphi_{3}, определенные в задаче 31. 23, а также функции δ0,δ1,δ2\delta_{0}, \delta_{1}, \delta_{2}, определенные с помощью формул

δk(p)=dk(p)dtk∣t=2,k=0,1,2, \delta _{k}(p) = \left. \frac{d^{k}(p)}{dt^{k}}\right|_{t = 2}, \quad k = 0, 1, 2,

образуют пару базисов в пространстве P(2)∗\mathcal{P}^{(2) * }. Выписать формулы перехода от первого базиса ко второму.

?