Утверждаю
Вид материала | Рабочая программа |
- Утверждаю утверждаю, 21.26kb.
- «утверждаю» «утверждаю», 262.03kb.
- Утверждаю утверждаю, 393.06kb.
- «Утверждаю» «Утверждаю» Председатель Совета доу заведующий мдоу №25, 113.74kb.
- Кикбоксинг против наркомании и детской преступности «Утверждаю» «Утверждаю», 78.29kb.
- Утверждаю: утверждаю, 156.74kb.
- «утверждаю» «утверждаю» Председатель республиканского Директор маоудод «цдтт №5» совета, 42.86kb.
- Утверждаю» «Утверждаю», 163.81kb.
- «Динамо», 49.89kb.
- Утверждаю: утверждаю: Председатель Глава администрация оо «Гомельский рыболовный клуб», 78.23kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФПМК
___________А.М.Горцев
"_____"__________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Алгебра и геометрия
Направление подготовки
010400 Прикладная математика и информатика
Квалификация выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Томск
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины.
Целями освоения дисциплины алгебра и геометрия являются :
– обучение студентов методам алгебры и геометрии, необходимых им при изучении остальных курсов;
– привитие студентам навыков исследования с использованием методов алгебры;
– обучение студентов методам логически строгого построения доказательств;
– формирование навыков и умений, необходимых при практическом применении математических идей и методов для анализа и моделирования сложных систем, процессов, явлений, для поиска оптимальных решений и выбора наилучших способов еализации.
В результате освоения данной дисциплины обеспечивается достижение целей основной образовательной программы «Прикладная математика и информатика»; приобретенные знания, умения и навыки позволяют подготовить выпускника к научно-исследовательской деятельности в области прикладной математики и информатики, к проектной и производственно-технологической деятельности в области создания современных систем обработки информации, организацинно-управленческой и педагогической деятельности.
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Алгебра и геометрия» находится в цикле Б.2. Математический и естественнонаучный цикл.
Для изучения курса необходимо знание школьного курса математики.
Знания, полученные при изучении данного курса, используются при изучении всех дисциплин, для которых необходим аппарат матричного анализа, теории линейных пространств и теории линейных операторов. Сюда можно отнести, например, курсы «Дифференциальные уравнения», «Теория оптимального управления», «Исследование операций» и многие другие.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Алгебра и геометрия».
В результате освоения дисциплины бакалавр должен сформировать общекультурные компетенции:
– способностью владеть культурой мышления, умение аргументировано и ясно строить устную и писменную речь (ОК-1);
– способностью работы с информацией из различных источников, включая сетевые ресурсы сети Интернет, для решения профессиональных задач (ОК-14).
В результате освоения дисциплины бакалавр должен сформировать профессиональные компетенции:
– способностью понимать и применять в исследовательской деятельности современный математический аппарат (ПК-3);
– способностью приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ПК-2).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
– теорию матриц, определителей и систем линейных уравнений;
– векторную алгебру;
– аналитическую геометрию на плоскости и в пространстве;
– теорию линейных, точечно-векторных и унитарных пространств;
– теорию линейных операторов на конечномерных пространствах;
– теорию билинейных и квадратичных форм на конечномерных пространствах.
Уметь:
– решать задачи, связанные с вычислением матриц, определителей и решением систем линейных уравнений;
– решать задачи аналитической геометрии на плоскости и в пространстве;
– решать задачи, связанные с исследованием линейных операторов и квадратичных форм.
Владеть:
– математическим аппаратом алгебры и геометрии;
– навыками использования аппарата алгебры и геометрии при решении конкретных задач.
4. Структура и содержание дисциплины алгебра и геометрия
Общая трудоемкость дисциплины составляет 11.7 зачетных единиц, 420 часов.
Содержание курса
1. Матрицы и определители
Матрицы и действия над ними. Блочные матрицы. Определение определителя. Определители II и III порядков. Основные свойства определителей. Алгебраические дополнения, миноры. Связь миноров с алгебраическими дополнениями. Теорема Лапласа. Вычисление определителей. Обратная матрица и ее вычисление. Линейная зависимость
вектор-столбцов. Ранг матрицы. Теорема о базисном миноре. Способы вычисления ранга матрицы.
2. Системы линейных уравнений
Основные понятия. Теорема Кронекера-Копелли. Формулы Крамера. Общая теория. Число решений линейной системы. Метод Гаусса. Системы однородных линейных уравнений. Фундаментальная система решений. Общее решение неоднородной системы.
3. Векторная алгебра
Скалярные и векторные величины. Действия над векторами. Базис и координаты вектора. Линейная зависимость векторов. Признаки линейной зависимости. Понятие векторного пространства. Размерность и базис векторного пространства. Координаты вектора. Условие коллинеарности векторов. Аффинные и декартовы координаты точки.
Ортогональная проекция вектора. Скалярное произведение векторов. Ориентация тройки векторов. Векторное произведение. Двойное векторное произведение. Простейшие задачи аналитической геометрии. Преобразование базиса и системы координат.
4. Уравнения линий и поверхностей
Уравнения линий и поверхностей. Алгебраические линии и поверхности Параметрические уравнения линий и поверхностей. Сфера. Конусы. Цилиндры.
5. Линейные образы на плоскости и в пространстве
Уравнения прямых и плоскостей. Поверхности и линии I-го порядка. Неполные уравнения плоскости и прямой на плоскости. Уравнения плоскости и прямой в отрезках. Нормальные уравнения плоскости и прямой. Приведение общих уравнений к нормальному виду. Расстояние от точки до прямой (плоскости).Условия ортогональности и параллельности прямых и плоскостей. Параметрические уравнения прямой. Уравнение прямой на плоскости с угловым коэффициентом. Угол между прямыми в пространстве. Угол между прямой и плоскостью. Параметрические уравнения плоскости. Пучок и связка прямых. Пучок плоскостей. Связка плоскостей.
6. Линии II-го порядка
Каноническое уравнение эллипса. Гипербола. Парабола. Уравнения линий второго порядка в полярных координатах. Касательные к линиям II-го порядка. Приведение уравнения линии II-го порядка к каноническому виду .Инварианты линии II-го порядка.
7. Поверхности II-го порядка
Эллипсоид. Гиперболоиды. Параболоиды. Цилиндры и конусы II-го порядка.
Поверхности вращения. Прямолинейные образующие однополостного гиперболоида и гиперболического параболоида. Касательные к поверхностям II-го порядка. Касательная плоскость.
8. Алгебраические структуры
Множества и подмножества. Операции над множествами. Бинарные отношения. Отношения порядка и эквивалентности. Отображения. Композиция отображений. Алгебраические операции. Обратная операция. Группа. Кольцо. Поле. Поле комплексных чисел. Основная теорема алгебры. Кольцо многочленов. Делимость многочленов. Основная теорема алгебры и следствия из нее
9. Линейные пространства
Линейные пространства. Определение. Базис и координаты. Размерность. Изоморфизм конечномерных линейных пространств. Преобразование базисов и координат и векторов. Подпространства линейного пространства. Линейная оболочка. Пересечение и сумма линейных подпространств. Прямая сумма. Размерность суммы и пересечения линейных подпространств. Линейные многообразия.
10 .Элементы аналитической геометрии в n – мерном пространстве
Точечно-векторное аффинное пространство. Система координат и ее преобразование. К-мерные плоскости. Прямая и отрезок прямой. Гиперплоскость. Выпуклые множества. Полупространства. Выпуклые оболочки. Симплексы.
11.Евклидовы и унитарные пространства
Евклидовы пространства. Определение. Неравенства Шварца. Длина вектора. Расстояние. Ортонормированный базис конечномерного евклидова пространства. Ортогональное дополнение. Проектирование вектора на подпространство. Изоморфизм евклидовых пространств. Унитарные пространства.
12. Линейные операторы
Линейные операторы. Определение. Сложение и умножение на число. Произведение операторов. Ранг и дефект линейного оператора. Невырожденные операторы. Обратный оператор. Матрица линейного оператора. Преобразование матрицы линейного оператора при переходе к новому базису.
13.Канонические формы матрицы линейного оператора
Собственные векторы и собственные значения линейного оператора. Определение и основные свойства. Характеристический многочлен оператора. Нахождение собственных значений и векторов. Операторы простой структуры. Инвариантные подпространства. Индуцированный оператор. Операторный многочлен. Теорема Кэли-Гамильтона. Треугольная форма матрицы оператора. Нильпотентные операторы. Канонический базис нильпотентного оператора. Приведение матрицы оператора к канонической жордановой форме.
14. Линейные, билинейные и квадратичные формы
Линейные и билинейные формы. Квадратичные формы. Приведение квадратичной формы к каноническому виду. Метод Лагранжа. Метод Якоби. Закон инерции квадратичных форм. Знакоопределенные квадратичные формы. Матрица Грама. Критерий Сильвестра.
15. Линейные операторы в унитарном пространстве
Линейные операторы в унитарном пространстве. Сопряженные операторы. Нормальные операторы. Унитарный оператор. Самосопряженный оператор. Положительно определенные операторы. Полярное разложение оператора. Линейные операторы в вещественном евклидовом пространстве. Вариационное описание собственных значений самосопряженного оператора. Норма оператора.
16. Билинейные и квадратичные формы на унитарном пространстве. Гиперповерхности второго порядка
Билинейные и квадратичные формы на евклидовом пространстве. Связь между билинейными формами и линейными операторами. Приведение квадратичной формы в ортонормированном базисе. Одновременное приведение двух квадратичных форм
Темы практических занятий
По курсу предусмотрены следующие практические занятия:
1.Операции над матрицами - 2 час.
2.Вычисление определителей 2-го и 3-го порядка - 2 час.
3.Вычисление определителей - 2 час.
4.Вычисление определителей - 2 час.
5.Вычисление определителей - 2 час.
6.Теорема Лапласа - 2 час.
7.Обратная матрица - 2 час.
8.Ранг матрицы - 2 час.
9.Решение систем линейных уравнений. Формулы Крамера - 2 час.
10.Решение систем линейных уравнений. Метод Гаусса - 2 час.
11.Решение однородных систем линейных уравнений - 2 час.
12.Решение однородных систем линейных уравнений . Общее решение неоднородной системы.- 2 час.
13.Операции над векторами - 2 час.
14.Линейная зависимость векторов. Базис и координаты вектора - 2 час.
15.Скалярное произведение. Ортогональное проектирование вектора - 2 час.
16.Векторное произведение -2 час.
17.Смешанное и двойное векторное произведение - 2 час.
18.Решение простейших задач аналитической геометрии - 2 час.
19.Прямая на плоскости - 2 час.
20.Прямая на плоскости - 2 час.
21.Плоскость - 2 час.
22.Плоскость - 2 час.
23.Прямая в пространстве – 2 час.
24.Прямая и плоскость в пространстве - 2 час.
25.Прямая и плоскость в пространстве - 2 час.
26.Эллипс. Окружность - 2 час.
27.Гипербола - 2 час.
28.Парабола - 2 час.
29.Кривые 2-го порядка в полярных координатах - 2 час.
30.Приведение кривых 2-го порядка к каноническому виду - 2 час.
31.Сфера - 2 час.
32.Конус и цилиндр - 2 час.
33.Алгебраические структуры - 2 час.
34.Линейные пространства. Базис и координаты вектора - 2 час.
35.Линейные подпространства - 2 час.
36.Прямая и плоскость - 2 час.
37.Евклидовы пространства - 2 час.
38.Евклидовы пространства - 2 час.
39.Матрица линейного оператора - 2 час.
40.Образ и ядро линейного оператора - 2 час.
41.Собственные векторы и собственные значения линейного оператора - 2 час.
42.Инвариантные подпространства - 2 час.
43.Каноническая форма Жордана - 2 час.
44.Метод Лагранжа. Метод Якоби – 2 час.
45.Линейные операторы в унитарных и евклидовых пространствах - 2 час.
46.Самосопряжекнные операторы – 2 час.
47.Приведение квадратичной формы к каноническому виду в ортонормированном базисе - 2 час.
48.Гиперповерхности II-го порядка - 2 час.
№ п/п | Раздел Дисциплины | Семестр | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | ||
лек-ции | прак-ти- чес- кие заня-тия | само-стоя-тельная работа | | |||
1 | Матрицы и определители | 1 | 14 | 16 | 24 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, контрольная работа |
2 | Системы линейных уравнений | 1 | 6 | 8 | 18 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, контрольная работа |
3 | Векторная алгебра | 1 | 12 | 12 | 16 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ |
4 | Уравнения линий и поверхностей | 1 | 4 | - | - | - |
5 | Линейные образы на плоскости и в пространстве | 1 | 9 | 14 | 20 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, контрольная работа |
6 | Линии второго порядка | 1 | 8 | 10 | 10 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ |
7 | Поверхности второго порядка | 1 | 6 | 4 | 4 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ |
8 | Алгебраические структуры | 1 | 7 | 2 | - | Опрос на занятиях, проверка дом. работ |
| | | | | | Зачет, экзамен |
9 | Линейные пространства | 2 | 7 | 2 | 6 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ |
10 | Элементы аналитической геометрии в n-мерном пространстве | 2 | 5 | 2 | 2 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ |
11 | Евклидовы и унитарные пространства | 2 | 6 | 4 | 8 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, контрольная работа |
12 | Линейные операторы | 2 | 5 | 4 | 6 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, |
13 | Канонические формы матрицы линейного оператора | 2 | 15 | 6 | 10 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, контрольная работа |
14 | Линеные, билинейные и квадратичные формы | 2 | 8 | 2 | 4 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, |
15 | Линейные операторы в унитарном пространстве | 2 | 8 | 4 | 8 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, |
16 | Билинейные и квадратичные форимы на унитарных пространствах. Гиперповерхности второго порядка | 2 | 6 | 4 | 4 | Опрос на занятиях, проверка дом. работ, контрольная работа |
| | | | | | Зачет, экзамен |
| ИТОГО | | 126 | 96 | 140 | 58 |
5. Образовательные технологии
В процессе обучения для достижения планируемых результатов освоения дисциплины используются следующие методы образовательных технологий:
– работа в команде;
– опережающая самостоятельная работа;
– междисциплинарное обучение;
– проблемное обучение;
– обучение на основе опыта.
Для изучения дисциплины предусмотрены следующие формы организации учебного процесса: лекции, практические занятия, самостоятельная работа студентов, индивидуальные и групповые консультации.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа студентов является наиболее продуктивной формой образовательной и познавательной деятельности студента в период обучения. Текущая самостоятельная работа направлена на углубление и закрепление знаний студентов, развитие практических умений. Текущая самостоятельная работа включает в себя : работу с лекционным материалом, опережающую самостоятельную работу, подготовку к зачету и экзамену.
Контроль самостоятельной работы студентов и качество освоения дисциплины осуществляется посредством:
– опроса студентов при проведении практических занятий;
– проведения контрольных работ;
– выполнения студентами самостоятельных домашних работ по вариантам;
– проверки выполнения домашних заданий.
При изучении данной дисциплины студентам предлагается следующий перечень контрольных вопросов для самостоятельной работы.
Перечень контрольных вопросов
МАТРИЦЫ, ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ
1.Понятие матрицы. Равенство матриц. Транспонирование матриц.
2.Сложение матриц. Умножение матрицы на число. Свойства.
3.Умножение матрицы на матрицу. Свойства
4.Понятие определителя матрицы n-го порядка. Член определителя. Определение знака члена определителя путем подсчета инверсий.
5.Основные свойства определителя.
6.Алгебраические дополнения. Формулы разложения определителя
по столбцу и строке.
7.Понятие миноров и дополнительных миноров матрицы. Связь миноров с алгебраическими дополнениями. Формулы разложения определителя по столбцу и строке.
8.Теорема Лапласа.
9.Понятие обратной матрицы. Необходимое и достаточное условие
существования. Формулы вычисления. Основные свойства.
10.Понятие линейной зависимости. Необходимое и достаточное условие.
11.Понятие ранга матрицы. Основные свойства.
12.Теорема о базисном миноре. Второе определение ранга матрицы.
13.Вычисление ранга матрицы сведением ее к канонической.
14.Понятие системы линейных уравнений. Однородные и неоднородные
системы. Матричная запись. Совместность и определенность.
15.Условие совместности системы (Теорема Кронекера-Копелли).
16.Квадратные системы. Формулы Крамера.
17.Теорема о числе решений. Базисная система уравнений. Главные и свободные неизвестные.
18.Метод Гаусса.
19.Однородные системы. Условие нетривиальной совместности.
20.Фундаментальная система решений. Связь числа фундаментальных
решений с рангом системы.
21.Структура общего решения однородной и неоднородной систем.
ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА.
1.Определение вектора. Длина вектора. Равенство векторов.
2.Сложение векторов. Свойства.
3.Умножение вектора на число. Свойства.
4.Понятие линейной зависимости векторов. Признаки линейной зависимости.
5.Понятие векторного пространства (V1,V2,V3).Размерность.
6.Базис и координаты вектора (V1,V2,V3).Связь между операциями над векторами и их координатами.
7.Условие коллинеарности векторов.
8.Аффинные и декартовы координаты точек на прямой, плоскости и в пространстве.
9.Ортогональная проекция вектора. Свойства. Связь с координатами вектора.
10.Скалярное произведение и его свойства.
11.Векторное произведение и его свойства.
12.Смешанное произведение и его свойства.
13.Формулы преобразования базиса на плоскости и в пространстве.
14.Формулы преобразования системы координат на плоскости и в пространстве.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ
1. Понятия об уравнении линии на плоскости.
2. Понятия об уравнении поверхности и линии в пространстве.
3. Алгебраические линии и поверхности.
4. Параметрические уравнения линий и поверхностей.
5. Типы уравнений прямой на плоскости.
6. Типы уравнений плоскости.
7. Типы уравнений прямой в пространстве.
8. Уравнения линий второго порядка на плоскости: эллипс, гипербола, парабола.
9. Виды поверхностей второго порядка.
10. Метод приведения уравнения линии второго порядка к каноническому виду.
ЛИНЕЙНЫЕ ПРОСТРАНСТВА.
1.Множества.Отображения.Алгебраические операции.
2.Понятие линейного пространства. Линейная зависимость.
Размерность. Базис и координаты вектора. Линейные
подпространства. Пересечение и сумма. Линейная оболочка.
3.Точечно-векторное аффинное пространство. Система координат.
Прямая и плоскость в Vn.
4.Понятие евклидова пространства. Скалярное произведение. Длина
вектора. Ортогональность. Ортонормированный базис.
ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ.
1.Понятие линейного оператора. Действия над линейными операторами.
Матрица линейного оператора. Преобразование матрицы оператора при изменении базиса.
2.Собственные векторы и собственные значения линейного оператора.
Характеристическое уравнение и характеристический многочлен.
Операторы простой структуры.
3.Нормальные операторы. Самосопряженный оператор.
БИЛИНЕЙНЫЕ И КВАДРАТИЧНЫЕ ФОРМЫ.
1.Понятие билинейной и квадратичной формы. Матрица квадратичной
формы.
2.Метод Лагранжа приведения квадратичной формы к каноническому виду.
3.Метод Якоби.
4.Приведение квадратичной формы к каноническому виду в ортонормированном базисе.
Итоговая аттестация предусматривает сдачу зачета по темам практических занятий и экзамена по теоретическому курсу. Для итоговой аттестации подготовлены билеты – 30 шт. Билеты содержат два теоретических вопроса и задачу.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Лившиц К.И. Линейная алгебра и аналитическая геометрия, ч.I. – Томск: Изд. НТЛ, 2008.
2. Лившиц К.И. Линейная алгебра и аналитическая геометрия, ч.II. – Томск: Изд. НТЛ, 2008.
3.Ильин В.А., Позняк Э.Г. Аналитическая геометрия .-М.: Наука,1971.
4.Ильин В.А., Позняк Э.Г. Линейная алгебра. -М.: Физматлит, 2004.
5.Рублев А.Н. Курс линейной алгебры и аналитической геометрии. -М.: Наука,1972.
6.Всеводин В.В. Линейная алгебра. -М.: Наука,1974.
7.Ефимов Н.В., Розендорн Э.Р. Линейная алгебра и многомерная геометрия. - М.: Наука,1974.
8.Проскуряков И.В. Сборник задач по линейной алгебре. -М.: Наука,1970
9.Цубербиллер О.Н. Задачи и упражнения по аналитической геометрии. - М.: Наука,1970.
10.Клетеник Д.В. Сборник задач по аналитической геометрии. - М.: Наука,1975.
б) дополнительная литература:
1.Александров П.С. Лекции по аналитической геометрии. М.: Наука,1970.
2.Скорняков Л.А. Элементы алгебры. М.: Наука,1986.
3.Ланкастер П. Теория матриц. М.: Наука,1978.
4.Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ. М.: Наука,1989.
5.Икрамов Х.Д. Задачник по линейной алгебре. М.: Наука, 1975.
6.Лившиц К.И., Сухотина Л.Ю. Матрицы. Учебно-методическое пособие. ТГУ. Томск, 2002.
7.Лившиц К.И., Сухотина Л.Ю. Системы линейных уравнений. Учебно-методическое пособие. ТГУ. Томск,2002.
8.Лившиц К.И., Сухотина Л.Ю. Линейные пространства. Учебно-методическое пособие. ТГУ. Томск, 2004.
9.Лившиц К.И., Сухотина Л.Ю. Линейные операторы. Квадратичные формы. Учебно-методическое пособие. ТГУ. Томск,2005.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы не предусмотрены.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
В Научной библиотеке ТГУ имеется достаточное колическтво необходимой учебной литературы по дисциплине.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки прикладная математика и информатика .
Автор : доктор техн. наук, профессор кафедры ПМ ФПМК Лившиц К.И.
Рецензент : доктор техн. наук, зав. кафедрой ИО ФПМК Горцев А.М.
Программа одобрена на заседании Ученого совета ФПМК ТГУ
от «____»___________ 2011 года, протокол № ________.