% -- LaTeX Template for Homework (S. Venkatraman) -- \documentclass[11pt]{article} \usepackage[T2A]{fontenc} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[russian]{babel} \usepackage{ amsmath, amsthm, amssymb, mathtools, graphicx, subfig, float, listings, color, inconsolata, fancyhdr, sectsty, hyperref, enumerate, framed } \usepackage[shortlabels]{enumitem} \flushbottom % Uncomment to make text fill the entire page \usepackage[bottom]{footmisc} % Anchor footnotes to bottom of page \renewcommand{\baselinestretch}{1.06} % Adjust line spacing %\setlength\parindent{0pt} % Remove paragraph indentation \usepackage{geometry}\geometry{letterpaper, % Set page margins left=1.35in, right=1.35in, top=1.1in, bottom=1in, headsep=.2in } % -- Frame settings (for problem statement) -- \setlength\FrameSep{0.55em} \setlength\OuterFrameSep{\partopsep} % -- 'question' is a custom command for writing the statement of a problem; first argument % is the question number, second argument is the statement -- \newcommand{\question}[2]{\begin{framed}\noindent \textbf{#1} #2\end{framed}} \newcommand{\withbraces}[1]{\left( #1 \right)} \DeclarePairedDelimiter\ceil{\lceil}{\rceil} \DeclarePairedDelimiter\floor{\lfloor}{\rfloor} % -- Flush left for 'enumerate' numbers %\setlist[enumerate]{wide=0pt, leftmargin=21pt, labelwidth=0pt, align=left} \hypersetup{colorlinks=true, linkcolor=magenta} % -- Make reference section title font smaller -- %\renewcommand{\refname}{\normalsize\bf{References}} % -- Uncomment these lines to set font to 'Charter', with math support -- % \usepackage[bitstream-charter]{mathdesign} % \usepackage[T1]{fontenc} % -- Left/right header text and footer (to appear on every page) -- \pagestyle{fancy} \renewcommand{\footrulewidth}{0.4pt} \renewcommand{\headrulewidth}{0.4pt} \lhead{ИДЗ-1} \rhead{Шарафатдинов Камиль БПМИ192} % -- Document starts here -- \begin{document} \url{https://fcked.net/la} - тут должны валяться все скрипты, на которые я ссылаюсь \question{1.}{ Решить СЛУ для любого $t \in \mathbb{R}$: $$ \begin{bmatrix} -1 && -t - 1 && 5 && 4 + t\\ -1 && -t - 2 && 6 && 6 - t\\ 2 && 2t + 1 && -9 && -6 -3t\\ \end{bmatrix} x = \begin{bmatrix} -4\\ -4\\ 6\\ \end{bmatrix} $$ } Заведем матрицу $$ \begin{bmatrix} -1 && -t - 1 && 5 && 4 + t && -4\\ -1 && -t - 2 && 6 && 6 - t && -4\\ 2 && 2t + 1 && -9 && -6 -3t && 6\\ \end{bmatrix} $$ и будем приводить ее к ступенчатому виду. С помощью элементарных преобразований, описанных в \url{scr_1.py} получаем $$ \begin{bmatrix} 1 && t + \frac{1}{2} && -\frac{9}{2} && -3 && 0\\ 0 && 1 && -1 && -2 && 4\\ 0 && 0 && 0 && t && -2\\ \end{bmatrix} $$ Очевидно, что если $t = 0$, то система не имеет решений, иначе \begin{align*} x_4 &= \frac{-2}{t}\\\\ x_3 &= k, k \in \mathbb{R}\\\\ x_2 &= 4 + 2x_4 + x_3 = 4 - \frac{4}{t} + x_3\\\\ x_1 &= 3x_4 + \frac{9}{2}x_3 - \left(t + \frac{1}{2}\right)x_2 = \\ &= -\frac{6}{t} + \frac{9}{2}x_3 - \left(tx_3 + 4t - \frac{2}{t} + \frac{x}{2} - 2\right) =\\ &= -\frac{2 (2 t^2 - t + 2)}{t} - (t - 4)x_3 \\\\ x &= \begin{bmatrix} -\frac{2 (2 t^2 - t + 2)}{t} - (t - 4)k \\ 4 - \frac{4}{t} + x_3 \\ k \\ -\frac{2}{t} \\ \end{bmatrix}, \forall k \in \mathbb{R} \\\\ \end{align*} \clearpage \question{2.}{ Найти $f_{min}$ для $A = \begin{bmatrix} -3 & 0 & -t \\ -5 & -3 & t - 5 \\ 0 & 0 & t - 3 \end{bmatrix}$ } Пусть \begin{gather*} F_A = f_{min} (A)\\ F_1 = f_{min}\left(\begin{bmatrix} -3 & 0 \\ -5 & -3 \end{bmatrix}\right)\\ F_2 = f_{min}\left(\begin{bmatrix} t - 3 \end{bmatrix}\right)\\ \end{gather*} По блочным формулам $F_A$ делит $F_1 \cdot F_2$. $F_1$ делит $(x + 3)^2$, потому что матрица - нижнетреугольная, но $$ \begin{bmatrix} -3 & 0 \\ -5 & -3 \end{bmatrix} + 3id_2 = \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ -5 & 0 \end{bmatrix} \neq 0 $$ Поэтому $F_1 = (x + 3)^2$. $F_2$ очевидно равен $x - t + 3$ \newline Рассмотрим два случая: $t = 0 \Rightarrow F_2 = x + 3$ и $t \neq 0 \Rightarrow F_2 \neq x + 3$. \begingroup \leftskip2em \rightskip\leftskip Во втором случае $F_A$ делит $(x + 3)^2(x - t + 3)$, но так как степень записанного многочлена равна 3, то это и есть минимальный многочлен. \par \endgroup \begingroup \leftskip2em \rightskip\leftskip В первом случае $F_A$ делит $(x + 3)^3$, но для \par \endgroup $$ A = \begin{bmatrix} -3 & 0 & 0 \\ -5 & -3 & -5 \\ 0 & 0 & -3 \end{bmatrix} $$ \begingroup \leftskip2em \rightskip\leftskip можно уже в лоб проверить, что $(x + 3)$ недостаточно, чтобы занулить $A$, а $(x + 3)^2$ -- уже достаточно, поэтому $(x + 3)^2$ и есть минимальный многочлен. \par \endgroup \vspace{5mm} Поэтому если $t = 0$, то $f_{min} (A) = (x + 3)^2$, если $t \neq 0$, то $f_{min} (A) = (x + 3)^2(x - t + 3)$ \clearpage \question{3.}{ Существует ли матрица $A \in M_{2,3} (\mathbb{R})$, такая, что $Ax = 0$ для $$ x \in \left\{ \begin{bmatrix} -5 \\ -5 \\ -3 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 7 \\ -5 \\ -4 \end{bmatrix} \right\} $$ и существует такой $y \in M_{1,3} (\mathbb{R})$, что $$ Ay = \begin{bmatrix} 3 \\ 4 \end{bmatrix} $$ } Пусть $$ A = \begin{bmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ a_4 & a_5 & a_6 \end{bmatrix},\ \ \ \ y = \begin{bmatrix} y_1 \\ y_2 \\ y_3 \end{bmatrix} $$ Переформулируем условие (перемножим то, что нужно и поэлементно приравняем): $$ \begin{bmatrix} -5 & -5 & -3 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -5 & -5 & -3 \\ 7 & -5 & -4 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 7 & -5 & -4 \\ y_1 & y_2 & y_3 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & y_1 & y_2 & y_3 \\ \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \\ a_4 \\ a_5 \\ a_6 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 3 \\ 4 \end{bmatrix} \text{ - имеет решение} $$ Заметим, что нечетные и четные уравнения (строки) - независимы. Поэтому можно сначала решить четные, а потом нечетные, а потом "склеить"\ результаты. Решим нечетные уравнения. Для этого решим сначала первое и третье, а потом подгоним решение под пятое (все равно решений будет либо $0$, либо $\infty$, причем если решений $0$, то нужной матрицы не существует) $$ \begin{bmatrix} -5 & -5 & -3 \\ 7 & -5 & -4 \\ \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \end{bmatrix} = 0 $$ \begin{gather*} \begin{bmatrix} -5 & -5 & -3 & 0 \\ 7 & -5 & -4 & 0 \\ \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 1 & \frac{3}{5} & 0 \\ 7 & -5 & -4 & 0 \\ \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 1 & \frac{3}{5} & 0 \\ 0 & -12 & -8\frac{1}{5} & 0 \\ \end{bmatrix} \\ \begin{bmatrix} 1 & 1 & \frac{3}{5} & 0 \\ 0 & 12 & 8\frac{1}{5} & 0 \\ \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 1 & \frac{3}{5} & 0 \\ 0 & 1 & \frac{41}{60} & 0 \\ \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 0 & -\frac{1}{12} & 0 \\ 0 & 1 & \frac{41}{60} & 0 \\ \end{bmatrix}\\\\ a_3 = k, k \in \mathbb{R}, \ \ \ \ \ \ a_2 = -\frac{41}{60}k, \ \ \ \ \ \ a_1 = \frac{1}{12}k \end{gather*} Теперь подгоним для оставшегося уравнения \begin{gather*} y_1 a_1 + y_2 a_2 + y_3 a_3 = 3\\ k\left(\frac{y_1}{12} - \frac{41}{y_2} + y_3\right) = 3 \end{gather*} Пусть $k = 3, y_1 = 1, y_2 = 1, y_3 = 1.6$. Тогда равенство, очевидно, выполняется. \\ Сделаем то же самое для четных уравнений. Решение второго и четвертого абсолютно такое же, осталось подогнать под последнее. \begin{gather*} y_1 a_4 + y_2 a_5 + y_3 a_6 = 4\\ k\left(\frac{y_1}{12} - \frac{41}{y_2} + y_3\right) = 4 \end{gather*} Пусть $k = 4, y_1 = 1, y_2 = 1, y_3 = 1.6$. Тогда равенство, очевидно, выполняется. Запишем саму $A$ $$ \renewcommand\arraystretch{1.7} A = \begin{bmatrix} \frac{1}{12} \cdot 3 & -\frac{41}{60} \cdot 3 & 3 \\ \frac{1}{12} \cdot 4 & -\frac{41}{60} \cdot 4 & 4 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \frac{1}{4} & -\frac{41}{20} & 3 \\ \frac{1}{3} & -\frac{41}{15} & 4 \\ \end{bmatrix} $$ \begin{gather*} A \times \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1.6 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 3 \\ 4 \end{bmatrix}, \ \ \ \ A \times \begin{bmatrix} -5 \\ -5 \\ -3 \end{bmatrix} = 0, \ \ \ \ A \times \begin{bmatrix} 7 \\ -5 \\ -4 \end{bmatrix} = 0, \ \ \ \ \end{gather*} \clearpage \question{4.}{ Найти все матрицы $3 \times 3$, коммутирующие с $ \begin{bmatrix} -3 & 0 & 8 \\ 1 & -3 & -1 \\ 0 & 0 & 5 \\ \end{bmatrix} $ } Пусть $A = \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & x_3 \\ x_4 & x_5 & x_6 \\ x_7 & x_8 & x_9 \\ \end{bmatrix}$ Тогда $$ \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & x_3 \\ x_4 & x_5 & x_6 \\ x_7 & x_8 & x_9 \\ \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} -3 & 0 & 8 \\ 1 & -3 & -1 \\ 0 & 0 & 5 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x_2 - 3 x_1 && -3 x_2 && 8 x_1 - x_2 + 5 x_3 \\ x_5 - 3 x_4 && -3 x_5 && 8 x_4 - x_5 + 5 x_6 \\ x_8 - 3 x_7 && -3 x_8 && 8 x_7 - x_8 + 5 x_9 \\ \end{bmatrix} $$ $$ \begin{bmatrix} -3 & 0 & 8 \\ 1 & -3 & -1 \\ 0 & 0 & 5 \\ \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & x_3 \\ x_4 & x_5 & x_6 \\ x_7 & x_8 & x_9 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 8 x_7 - 3 x_1 && 8 x_8 - 3 x_2 && 8 x_9 - 3 x_3 \\ x_1 - 3 x_4 - x_7 && x_2 - 3 x_5 - x_8 && x_3 - 3 x_6 - x_9 \\ 5 x_7 && 5 x_8 && 5 x_9 \\ \end{bmatrix} $$ Оба произведения должны быть поэлементно равны, поэтому должна выполняться система \begin{gather} 8x_7 - 3x_1 = x_2 - 3x_1\\ 8x_8 - 3x_2 = -3x_2\\ 8x_9 - 3x_3 = 8x_1 - x_2 + 5x_3\\ x_1 - 3x_4 - x_7 = x_5 - 3x_4\\ x_2 - 3x_5 - x_8 = -3x_5\\ x_3 - 3x_6 - x_9 = 8x_4 - x_5 + 5x_6\\ 5x_7 = x_8 - 3x_7\\ 5x_8 = -3x_8\\ 5x_9 = 8x_7 - x_8 + 5x_9 \end{gather} Из (1), (2), (5), (7), (8), (9) следует, что $x_2 = x_7 = x_8 = 0$. Остальные можно записать как уравнение $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & -8 & 1 & -8 & -1 \\ \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} x_1 \\ x_3 \\ x_4 \\ x_5 \\ x_6 \\ x_9 \end{bmatrix} = 0 $$ С помощью \url{scr_2.py} переходим к $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} x_1 \\ x_3 \\ x_4 \\ x_5 \\ x_6 \\ x_9 \end{bmatrix} = 0 $$ $x_9, x_6, x_5$ - свободные, $x_4 = -x_6$, $x_3 = x_9 - x_5$, $x_1 = x_5$. Тогда вид матрицы, коммутирующей с нужной: $$ \begin{bmatrix} x_5 & 0 & x_9 - x_5 \\ -x_6 & x_5 & x_6 \\ 0 & 0 & x_9 \\ \end{bmatrix} \text{ для любых } x_5, x_6, x_9 \in \mathbb{R} $$ \clearpage \question{5.}{ Сколько главных переменных у $ \begin{bmatrix} 7 & -8 \\ -1 & -9 \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} 5 & -4 \\ -2 & t \end{bmatrix} = 0 $ } Перемножим в лоб матрицы. Получим $$ \begin{bmatrix} 35 & -40 & -14 & 16 \\ -5 & -45 & 2 & 18 \\ -28 & 32 & 7t & -8t \\ 4 & 36 & -t & -9t \\ \end{bmatrix} x = 0 $$ С помошью \url{scr_3} Получим $$ \renewcommand\arraystretch{1.5} \begin{bmatrix} 1 & 0 & -2/5 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -2/5 \\ 0 & 0 & 7t - 56/5 & -8t + 64/5 \\ 0 & 0 & 0 & -71/7t + 568/35 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & -2/5 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -2/5 \\ 0 & 0 & 7(t - 8/5) & -8(t - 8/5) \\ 0 & 0 & 0 & -71/7(t - 8/5) \\ \end{bmatrix} $$ Отсюда следует, что если $t = 8/5$, то у системы ровно две свободные переменные ($x_3, x_4$) и, соответственно, две главные ($x_1, x_2$) а если $t \neq 8/5$, то мы можем последние строки разделить на $t - 8/5$ и получить ступенчатый вид. $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & -2/5 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -2/5 \\ 0 & 0 & 7 & -8 \\ 0 & 0 & 0 & -71/7 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & -2/5 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -2/5 \\ 0 & 0 & 7 & -8 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & -2/5 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -2/5 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} $$ Тогда все переменные будут главными. Поэтому $t = 8/5 \Rightarrow $ 2 главные переменные, $t \neq 8/5 \Rightarrow $ 4 главные переменные. \clearpage \end{document}