П р а
реклама
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Факультет Бизнес-информатики Отделение Программной Инженерии Программа дисциплины Алгебра Для направления 231000.62 «Программная инженерия» подготовки бакалавра (2012 – 2013 учебный год) Автор программы: к.ф.-м.н, доцент И.А. Чубаров Рекомендована секцией УМС По бизнес-информатике Одобрена на заседании кафедры Высшей математики на факультете Экономики Зав. кафедрой Ф.Т. Алескеров ________________________________ Председатель Ю.В. Таратухина __________________ «_____» __________________ 2012 г. «____»__________________ 2012 г Утверждена Ученым Советом Факультета Бизнес-информатики Ученый секретарь В.А. Фомичев _________________________________ « ____» ___________________2012 г. Москва 2012 Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы. 1. Область применения и нормативные ссылки Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления 231000.62 «Программная инженерия» подготовки бакалавра, изучающих дисциплину «Алгебра». Программа разработана в соответствии с: Образовательным стандартом государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет – Высшая школа экономики», в отношении которого установлена категория «Национальный исследовательский университет»; Образовательной программой 231000.62, направление «Программная инженерия» подготовки бакалавра; Рабочим учебным планом университета по направлению 231000.62 «Программная инженерия» подготовки бакалавра, утвержденным в 2011г. 2. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины «Алгебра» являются: • Развитие математического кругозора и алгебраического мышления студентов. • Обучение студентов важнейшим теоретическим положениям линейной алгебры, началам абстрактной алгебры, матричным методам. • Выработка у студентов навыков решения конкретных задач, требующих исследования систем линейных уравнений, применения матричных вычислений, многомерной геометрии, линейных операторов. 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины студент должен: • Знать точные формулировки основных понятий, относящихся к теории матриц и определителей, абстрактной алгебре, аналитической геометрии, линейной алгебре; основные теоремы о системах линейных уравнений, матрицах и определителях, прямых и плоскостях, линейных простанствах, линейных операторах, квадратичных формах, евклидовых пространствах, простейшие теоремы о группах, кольцах и полях. • Уметь решать системы линейных уравнений при помощи алгоритма Гаусса, вычислять ранги матриц, определители матриц, выполнять операции над матрицами; выяснять, является ли данное множество группой, кольцом или полем, устанавливать изоморфизмы между ними, исследовать строение групп; решать стандартные задачи векторной алгебры, геометрии прямых и плоскостей; находить базисы конечномерных линейных пространств и подпространств, координаты векторов, решать задачи о линейных операторах и собственных векторах при помощи матриц, простейшие задачи геометрии евклидовых пространств, приводить к каноническому виду квадратичные формы, исследовать их на знакоопределенность. • Владеть методами теории матриц, линейной алгебры, аналитической геометрии, класси ческой и абстрактной алгебры, основными алгоритмами: алгоритмом Гаусса и базирующимися на нем алгоритмами решения матричных задач и задач линейной алгебры, алгоритмом Лагранжа пр. В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие компетенции: Компетенция Общенаучная Общенаучная Общенаучная Общенаучная Общенаучная Общенаучная Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции Код по ФГОС / НИУ Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) ОНК-1 Способность к анализу и синтезу на основе системного подхода Стандартные (лекционносеминарские) ОНК-2 Способность перейти от проблемной ситуации к проблемам, задачам и лежащим в их основе противоречиям Стандартные (лекционносеминарские) ОНК-3 Способность использовать методы критического анализа, развития научных теорий, опровержения и фальсификации, оценить качество исследований в некоторой предметной области Стандартные (лекционносеминарские) ОНК-4 Готовность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при работе в какойлибо предметной области Стандартные (лекционносеминарские) ОНК-5 Готовность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь их для решения соответствующий аппарат дисциплины Стандартные (лекционносеминарские) ОНК-6 Способность приобретать новые знания с использованием научной методологии и современных образовательных и информационных технологий Стандартные (лекционносеминарские) Компетенция Общенаучная Профессиональные Профессиональные Профессиональные Профессиональные Код по ФГОС / НИУ Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции Способность порождать новые идеи (креативность) Стандартные (лекционносеминарские) ПК-1 Способность демонстрации общенаучных базовых знаний естественных наук, математики и информатики, понимание основных фактов, концепций, принципов теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой Стандартные (лекционносеминарские) ПК-2 Способность понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат Стандартные (лекционносеминарские) ПК-4 способность критически оценивать собственную квалификацию и её востребованность, переосмысливать накопленный практический опыт, изменять при необходимости вид и характер своей профессиональной деятельности Стандартные (лекционносеминарские) ПК-8 Способность решать задачи производственной и технологической деятельности на профессиональном уровне, включая разработку математических моделей, алгоритмических и программных решений Стандартные (лекционносеминарские) ОНК-7 4. Место дисциплины в структуре образовательной программы Настоящая дисциплина является естественнонаучному циклу МЕ.00. обязательной и относится к математическому и Для освоения учебной дисциплины не требуются знания и компетенции, выходящие за пределы требованиям к поступающим на программу бакалавриата. Изучение данной дисциплины базируется на школьном курсе алгебры и начал анализа Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями и компетенциями: знание элементарной алгебры, знание простейших понятий теории множеств. Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин: Математический анализ; Дифференциальные уравнения; Теория вероятностей и математическая статистика; Современная прикладная алгебра; Эконометрика; • Исследование операций, •Методы и технологии искусственного интеллекта, •Теория систем и системный анализ, •Экономика 5. Тематический план учебной дисциплины № Название темы 1 1 модуль Системы линейных уравнений, матрицы 2 Элементы общей алгебры 3 4 5 5 2 модуль Определители Векторная алгебра. Координаты. Линейные пространства: арифметическое пространство, ранг матрицы, системы линейных уравнений 3 модуль Линейные пространства (окончание) : аксиомы, размерность, подпространства. Билинейные и квадратичные функции. Линейные отображения и операторы Евклидово пространство, линейные операторы и квадратичные формы в евклидовом пространстве. Итого Всего часов Аудиторные часы Лекции Семинары Самостоятельная работа 68 16 16 36 68 16 16 36 80 20 20 40 216 52 52 112 6. Формы контроля знаний студентов Тип контроля Форма контроля Текущий Контрольная (неделя в работа модуле) Домашнее задание Промежуточный Итоговый 1 год 1 7 Зачет 2 Параметры 3 4 Письменная работа на 80 минут 7 6 9 Экзамен 9 Выполнение домашних заданий. Письменная работа 80 минут Письменная работа 120 минут Письменная работа 120 минут 6.1. Критерии оценки знаний, навыков Для прохождения контроля студент должен, как минимум, продемонстрировать знания основных определений и формулировок теорем; умение решать типовые задачи, разобранные на семинарских занятиях. Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале. 7. Содержание программы 1. Системы линейных уравнений, матрицы 1. Системы линейных уравнений 2-го и 3-го порядков. Определители 2-го и 3-го порядков, правило Крамера решения системы линейных уравнений 2 и 3 порядков. 2. Системы линейных уравнений (общий случай). Алгоритм Гаусса. Главные и свободные неизвестные. Общее решение неоднородной системы. 3. Матрицы. Сложение матриц, умножение матрицы на число, свойства этих операций. 4. Умножение матриц и его свойства. Обратная матрица. Элементарные матрицы. Вычисление обратной матрицы с помощью элементарных преобразований. Матричные уравнения AX = B, XA = B. 2. Элементы общей алгебры 5. Множества, операции над ними, отображения множеств. Бинарные отношения, отношение эквивалентности. Подсчет числа элементов конечных множеств. 6. Бинарные алгебраические операции. Обзор алгебраических систем с одной и двумя бинарными алгебраическими операциями. Группоиды, полугруппы и моноиды. Примеры. 7. Группы, подгруппы, гомоморфизм и изоморфизм групп. Циклические группы и порядки элементов. Группы классов вычетов по модулю n. Примеры групп: группы вращений на плоскости, группы диэдра, группа кватернионов. 8. Перестановки и подстановки, их перемножение. Разложение подстановок в произведение транспозиций и независимых циклов. Четность подстановок. Симметрические и знакопеременные группы. 9. Кольца. Примеры: числовые кольца, кольцо вычетов целых чисел по модулю n. Делители нуля и обратимые элементы. Подкольца в кольцах. Кольцо квадратных матриц. 10. Кольцо многочленов от одной переменной. Деление многочленов с остатком. Алгоритм Евклида вычисления наибольшего общего делителя. Корни многочленов, разложение многочленов на неприводимые множители (в том числе над R и C). Теорема Виета. 11. Поля. Поле комплексных чисел. Алгебраическая и тригонометрическая запись комплексных чисел. Формула Муавра. Корни из комплексных чисел. Мультипликативная группа C* и ее подгруппы. Поле вычетов целых чисел по простому модулю. Рациональные дроби. 3. Определители 12. Определитель квадратной матрицы (формула полного разложения определителя). Свойства определителей. Миноры, алгебраические дополнения, разложение определителя по элементам строки и столбца. Фальшивое разложение. Способы вычисления определителей. 13. Решение и исследование квадратной системы линейных уравнений по правилу Крамера. 14. Вычисление определителя матрицы с углом нулей. Определитель произведения двух квадратных матриц. Критерий существования и формула обратной матрицы. Векторная алгебра. Координаты. 15. Векторы на плоскости и в трехмерном пространстве, линейные операции над ними. Базис, координаты вектора в базисе, запись операций над векторами в координатах. 16. Радиус-вектор точки. Декартова система координат. Полярная, сферическая и цилиндрическая системы координат*. Радиус-вектор точки, делящей отрезок в данном отношении. Применения: середина отрезка, медиана треугольника, биссектриса треугольника. 17. Скалярное, векторное и смешанное произведения векторов, их свойства и вычисление в координатах. Выражение ортогональной проекции одного вектора на другой. Критерий коллинеарности двух векторов. Объем ориентированного параллелепипеда. Критерий компланарности трех векторов. 18. Уравнения прямых на плоскости. Уравнения прямых и плоскостей в пространстве. Вычисление расстояний и углов. 4. Линейные пространства и их преобразования. Билинейные функции. 19. Арифметическое (координатное) пространство (столбцов или строк): его размерность, примеры базисов. Ранг матрицы. Теорема о ранге матрицы. Вычисление ранга с помощью элементарных преобразований. Базисный минор. Вычисление ранга методом окаймления миноров. Критерий равенства определителя нулю. 20. Фундаментальная система решений и общее решение однородной и неоднородной систем линейных уравнений. Теорема Кронекера – Капели. 21. Линейное (векторное) пространство: аксиомы, их простейшие следствия. Примеры. Базис, размерность, координаты вектора в базисе, запись операций над векторами в координатах. Матрица перехода от старого базиса к новому. Изменение координат вектора при изменении базиса. 22. Подпространства в линейном пространстве. Линейная оболочка конечного набора векторов и ее размерность. Задание подпространства системой линейных уравнений. Сумма и прямая сумма подпространств. 23. Билинейные функции, их матрицы. Изменение матрицы билинейной функции при замене базиса. Симметрические билинейные и квадратичные формы. Приведение квадратичной формы к каноническому (нормальному) виду методом выделения квадратов (алгоритм Лагранжа). Закон инерции квадратичных форм (формулировка). Положительно определенная квадратичная форма, критерий Сильвестра. 24. Линейные отображения и преобразования (операторы) линейных пространств. Ядро и образ (множество значений) линейного отображения. Матрица линейного оператора и ее изменение при замене базиса. Действия над линейными отображениями. 25. Собственный вектор и собственное значение линейного оператора и матрицы. Линейная независимость собственных векторов, отвечающих различным собственным значениям. Характеристическое уравнение и характеристический многочлен квадратной матрицы. Приведение матрицы линейного оператора к диагональному виду путем перехода к базису из собственных векторов, условия диагонализируемости. 26. Евклидово пространство. Неравенство Коши-Буняковского. Ортонормированный базис, алгоритм ортогонализации (Грама-Шмидта). Ортогональное дополнение. Ортогональная проекция вектора на подпространство, расстояние и угол между вектором и подпространством. 27. Линейные операторы в евклидовом пространстве: самосопряженные (симметрические) и ортогональные, их свойства и свойства их матриц. Приведение квадратичных форм к диагональному виду (к главным осям) при помощи собственных значений и ортогональной замены координат. 8. Образовательные технологии Проводятся стандартные лекционно-семинарские занятия и регулярные консультации с ответами на вопросы студентов. Применяются индивидуальные домашние задания, на коллоквиумах проводятся устные опросы и задаются теоретические задачи. 9. Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента Образцы задач для контрольных, зачетных и экзаменационных работ по алгебре Типовые задачи для подготовки к контрольной работе за 1 модуль 0 2 5 1 1. Выполнить действия: (3B)2 2( BA1 E )T , A , B . 1 3 1 0 2. Решить систему линейных уравнений с помощью обратной матрицы: x1 x2 x3 0 3x1 2 x2 2 x3 1 . 3x 4 x x 1 2 3 1 x1 x2 4 x3 3x4 0 3. Найти все решения системы линейных уравнений 3x1 2 x2 x3 2 x5 1 . 2 x x 3x 3x 2 x 1 2 3 4 5 1 2 x1 x2 3x3 4 x4 x5 2 4. Исследовать и решить систему уравнений 3x1 2 x2 5 x3 x4 x5 2 . x2 x3 2 x4 x5 5 2 2 1 5 5 2 5. Решить матричное уравнение X 2 1 2 . 5 8 1 1 2 2 6. Вычислить все значения 4 18 . 1 i 3 4 3 2 7. Найти корни многочлена 3x 3x 6 x 18 x 12 и разложить его на множители над R и C . a 0 0 8. Образуют ли группу матрицы вида b a 1 0 относительно умножения c 0 d (a,b,c,d из некоторого поля К, ad≠0)? Найти число элементов группы, если K Z3 . 9. В циклической группе G порядка 288 найти: а) все элементы g такие, что g90 =1; б) элементы g такие, что g 48 , и в каждом случае подсчитать их количество. 10. Образуют ли кольцо/ поле числа вида x y 3 3 z 3 9 (x,y,z Q)? Типовые задачи для подготовки к контрольной и зачетной работам за 2 модуль x 2 3 1 4 1 2 2 1. Решить неравенство 50 1 1 1 2 3 4 1 2 2. Найти ранг матрицы при всевозможных значениях параметра : 3 1 5 3 3 1 2 1 4 5 2 7 8 1 7 3. В ортонормированном базисе даны векторы a 1, 4,1 , b 2,1,3 , c 2,0,3 . Найти вектор y, y a , ( y, c ) 2, ( y, b ) 9 . 4. Даны вершины треугольника A(–5,3), B(7,8), C(–2,–1). Составить уравнения медианы, биссектрисы и высоты треугольника, проведенных из вершины А. (Система координат ортонормированная) 5. Найти точку М ' , симметричную точке М (1, 2, 0) относительно прямой x 0,5 y 0, 7 z 2 . 1 0, 2 2 или 5a. Найти точку М ' , симметричную точке М (3,3,3) относительно плоскости 8 x 6 y 8 z 25 0. 6. Даны точки E (2,1, 0), F (0, 2,1), G(1, 2, 0), H (1, 0, 2) . Найти: (а) объем пирамиды EFGH; (б) расстояние между прямыми (EF) и (GH); 7. Найти общее решение системы линейных уравнений (представить его как сумму частного решения и линейной комбинации линейно независимых решений соответствующей однородной системы) 4 x5 1 x1 2 x2 3x3 3 4 x1 7 x2 2 x3 x4 . 3 x 5 x x x 4 x 2 2 3 4 5 1 5 x1 8 x2 5 x3 2 x4 12 x5 3 8. Проверить, что данные векторы a1 (1, 0,1,1)T , a2 (1,3,1, 2)T , a3 (2, 0,1, 2)T , a4 (1, 1, 1, 0)T образуют базис в пространстве столбцов. Найти координаты вектора b (3, 10, 4, 3)T в этом базисе. 9. Найти размерность и базис линейной оболочки векторов a1 (1, 1, 2,1)T , a2 (1, 2,1, 1)T , a3 (0,3, 1, 2)T , a4 (3,3, 4, 1)T , a5 (1, 4,3,3)T в R 4 , выразить небазисные векторы через базисные. 10. Найти размерность и базис (т.е. фундаментальную систему решений) подпространства решений системы линейных уравнений 2 x1 x2 x3 x4 x5 0 x1 2 x2 x3 x4 x5 0 3x2 x3 3x4 3x5 0 5 x1 4 x2 3x3 x4 x5 0 Типовые задачи для подготовки к контрольной и экзаменационной работам за 3 модуль 1. Найти базис и размерность линейного подпространства L в R4, заданного 3x5 0 x1 4 x2 2 x3 системой уравнений 2 x1 7 x2 4 x3 x4 0 x 3x 2 x x 3x 0 2 3 4 5 1 2. Вычислить все значения 4 18 . 1 i 3 3. Найти комплексные корни уравнения z 2 (3 7i) z (20 21i) 0 . 4. Вычислить матрицу перехода Cee ' от базиса e1 (2,1, 1)T , e2 (1, 1,3)T , e3 (1, 2, 1)T к базису e1 (1, 2,3)T , e2 (2,1, 2)T , e3 (0, 2,1)T в линейном пространстве R3 и определить координаты вектора x e1 3e2 e3 в базисе e1 , e2 , e3 . 5. Доказать, что пространство является прямой суммой подпространств L1 a1 , a2 , L2 b1 , b2 и разложить вектор x (0, 2, 2,0)t на сумму проекций на эти подпространства, где a1 (1,1,1,0)t , a2 (1,1,0,1)t , b1 (1,0,1,1)t , b2 (1,1, 1, 1) t . 6. Найти матрицу линейного оператора, переводящего векторы a1 (2,5)T , a2 (1,3)T соответственно в векторы b1 (7, 4)T , b2 (2, 1)T в базисе, в котором даны координаты векторов. 3 1 1 2 7. В базисе e1 , e2 линейный оператор имеет матрицу A . 3 4 1 1 4 1 Найти матрицу оператора в базисе e1 , e2 . 3 1 8. Найти собственные векторы и собственные значения линейного оператора, 1 2 , привести ее к 5 4 заданного в некотором базисе матрицей A диагональному виду. 9. Вычислить матрицу A2011 , где A 3 1 . 1 1 10.В евклидовом пространстве R4 (со стандартным скалярным произведением) дано подпространство L a1 (1, 1,1,1)T , a2 (1, 4, 1,0)T . Разложить вектор x (2,1, 2,0)T на сумму ортогональной проекции на L и ортогональной составляющей; найти расстояние от вектора x до L и угол между x и L. 11.Построить при помощи процесса ортогонализации ортонормированный базис линейной оболочки векторов a1 (1, 2,1)T , a2 (3, 4,1)T , a3 (1, 3, 1)T . 12.Найти ортонормированный базис из собственных векторов симметричной 2 1 1 матрицы 1 2 1 1 1 2 13.Привести квадратичную форму k x12 6 x1 x2 2 x1 x3 x22 2 x2 x3 5x32 а) к каноническому виду; б) к главным осям посредством ортогональной замены координат. Определить ранг и индексы инерции. 14.Исследовать квадратичную форму k x12 2 x1 x2 4 x1 x3 x22 2 x2 x3 2 x32 на положительную или отрицательную определенность в зависимости от параметра α. 10. Порядок формирования оценок по дисциплине Предусмотрены контрольная работа (в первом модуле) и 2 домашних задания (для оценки выполнения домашнего задания проводятся письменные работы во втором и третьем модулях). Во втором модуле проводится зачет, в третьем модуле – экзамен. Оценки выводятся по следующим формулам. Накопленная оценка за 1 – 2 модули: «НО1» = 0,4 «ОКр1мод» + 0,4 «ОДз1-2мод» + 0,2· «Осем». («Осем » - оценка за участие в семинарах и выполнение текущих домашних работ). Результирующая оценка за зачет (2 модуль) «ОЗач» = 0,4 «НО1» + 0,6 «ОЗач.раб.». Накопленная оценка за 3 модуль: «НО2» = 0,2 «ОЗач » + 0,6 «ОДз3 мод» + 0,2· «Осем». Результирующая оценка за экзамен «ОЭкз» = 0,4 «НО2» + 0,6 «ОЭкз.раб.» по десятибалльной шкале. В зачетную (экзаменационную) ведомость выставляются три оценки: накопленная, зачетная (экзаменационная) и результирующая (неудовлетворительная оценка за зачет (экзамен) является блокирующей и выставляется как результирующая без учета накопленной оценки). В экзаменационную (зачетную) ведомость выставляется также и оценка по данной дисциплине по пятибалльной шкале, получаемая из оценки по десятибалльной шкале в соответствии с приведенной ниже таблицей соответствия (см. Приложение № 2 к приказу Ректора ГУ-ВШЭ № 1002 от 17.06.2002) Таблица соответствия оценок по десятибалльной и пятибалльной системам. По десятибалльной шкале 1 неудовлетворительно 2 очень плохо 3 плохо 4 удовлетворительно 5 весьма удовлетворительно 6 хорошо 7 очень хорошо 8 почти отлично 9 отлично По пятибалльной шкале неудовлетворительно 2 удовлетворительно 3 хорошо 4 отлично 5 10 блестяще Образцы типовых задач приводятся после программы. 11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Список литературы 11.1 Базовый учебник 1. Умнов А.Е. Аналитическая геометрия и линейная алгебра. – М.: МФТИ, 2006. 11.2. Основная литература 2. Кострикин А.И. Введение в алгебру. Ч. I. Основы алгебры. Ч. II. Линейная алгебра. Ч. III. Основные структуры алгебры. – М.: Физматлит, 2000 – 2005 или МЦНМО, 2009 2010. 3. Беклемишева Л.А., Беклемишев Д.В., Петрович А.Ю., Чубаров И.А. Сборник задач по аналитической геометрии и линейной алгебре.– 3-е изд. СПб.: Лань, 2008 (2-е изд.: М.: Физматлит, 2003, имеется в библиотеке). 4. Сборник задач по алгебре под редакцией А.И. Кострикина. – М.: Физматлит или МЦНМО, 2009. 11.3. Дополнительная литература 5. Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры.– М.: Наука, Физматлит, 2000. 6. Бурмистрова Е. Б., Лобанов С. Г., Линейная алгебра с элементами аналитической геометрии, М., ГУ ВШЭ, 1998 7. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я., Данко С.П. Высшая математика в упражнениях и задачах. 7-е изд. Ч.I. – М.: Оникс, 2009 (или более ранние издания). 8. Курош А.Г. Курс высшей алгебры. – М.: Наука или СПб.: Лань, 2007. 9. Шевцов Г.С. Линейная алгебра: теория и прикладные аспекты. М.: Финансы и статистика, 2003.
