Преподаватель: Д.А.Тимашёв

Занятия проходят по понедельникам c 18:30 по 21:50 в ауд. 13-03.

1. Векторные пространства, базисы, размерность, координаты. Правило замены координат.
2. Подпространства, операции над ними, взаимное расположение подпространств.
3. Линейные функции, сопряжённое пространство.
4. Линейные отображения и линейные операторы.
5. Собственные векторы и собственные значения линейного оператора. Теория жордановой нормальной формы.
6. Билинейные функции (симметрические и кососимметрические). Квадратичные формы.
7. Евклидовы (и эрмитовы) векторные пространства, их геометрия.
8. Операторы в евклидовых (эрмитовых) пространствах: ортогональные (унитарные), симметрические (эрмитовы). Полярное разложение.
9. Аффинная геометрия.
10. Тензоры.

1. А.И.Кострикин. Введение в алгебру. Часть II. Линейная алгебра.
2. Э.Б.Винберг. Курс алгебры. Главы 5−8.
3. А.И.Кострикин, Ю.И.Манин. Линейная алгебра и геометрия.
4. Сборник задач по алгебре под ред. А.И.Кострикина. Часть II. Линейная алгебра и геометрия.

Нумерация задач даётся по «Сборнику задач по алгебре» под ред. А.И.Кострикина, 3-е изд., Москва, Физматлит, 2001. Дополнительные задачи помечены знаком ★.

Векторные пространства над произвольным полем K, скаляры и векторы, простейшие следствия аксиом векторного пространства, примеры: арифметическое пространство K^n, геометрические векторы, пространство матриц, пространство функций на множестве, пространство многочленов, расширения полей.

Линейные комбинации векторов, линейная зависимость, основная лемма о линейной зависимости.

Базис и размерность векторного пространства, координаты вектора в базисе. Конечномерные и бесконечномерные векторные пространства.

Изоморфизм векторных пространств. Любое векторное пространство размерности n<∞ над полем K изоморфно арифметическому пространству K^n.

Матрица перехода от одного базиса к другому, её свойства. Правило преобразования координат вектора при замене базиса.

Экзотический пример векторного пространства: множество всех подмножеств множества X с операцией симметрической разности подмножеств — векторное пространство над полем Z_2. Линейная независимость системы функций 1, cos(x), … , cos(nx) в пространстве функций на вещественной прямой (34.3г). Преобразование координат вектора при замене базиса (34.10а). Расширения конечных полей: связь между числом элементов поля и его подполя (34.8б).

• 34.7а, 34.4б, 34.10в, 34.11а, 34.8вд★;
• доказать, что множество R^+ положительных чисел с операциями u⊕v = u·v (u,v∈R^+) и λ⊗v = v^λ (λ∈R, v∈R^+) является векторным пространством над полем R, и найти его размерность.

Подпространства в векторном пространстве, примеры и конструкции подпространств: линейная оболочка множества векторов, пространство решений однородной системы линейных уравнений, пересечение подпространств. Объединение подпространств — вообще говоря, не подпространство. Сумма подпространств.

Подпространство конечномерного векторного пространства конечномерно, его размерность не превосходит размерности пространства и строго меньше для собственного подпространства. Базис пространства, согласованный с подпространством, задание подпространства уравнениями в согласованном базисе. Существование базиса конечномерного пространства, согласованного с парой подпространств, их суммой и пересечением. Формула Грассмана для размерности суммы двух подпространств. Нетривиальность пересечения двух подпространств, сумма размерностей которых больше размерности пространства.

Линейная независимость подпространств, прямая сумма подпространств, проекции вектора на прямые слагаемые. Примеры: разложение пространства геометрических векторов в прямую сумму плоскости и прямой, разложение конечномерного векторного пространства в прямую сумму координатных осей, разложение пространства квадратных матриц в прямую сумму подпространств симметрических и кососимметрических матриц. Размерность и базис прямой суммы подпространств.

Примеры подпространств (35.3ге). Векторные пространства над конечным полем (35.10абв). Применения формулы Грассмана: 7-мерное подпространство пространства матриц размера 4×4 содержит ненулевую треугольную матрицу. Прямая сумма подпространств: недостаточность условия нулевых попарных пересечений подпространств, разложение в прямую сумму (35.18).

• 35.3джз, 35.10где, 35.9, 35.19, 35.22;
• если матрица A размера n×n имеет ранг ≤n/2, то матричное уравнение AX=0 имеет решением ненулевую симметрическую матрицу X.

Линейные функции на векторном пространстве V: определение, примеры (след матрицы, вычисление значения функции в точке множества), запись в координатах на конечномерном пространстве (линейные формы). Сопряжённое (двойственное, дуальное) пространство V*, его размерность. Сопряжённый (двойственный, дуальный) базис пространства V*. Канонический изоморфизм пространств V и V** в конечномерном случае. Двойственность между векторам и линейными функциями (ковекторами).

Аннулятор подмножества в векторном пространстве, его свойства. Размерность аннулятора, совпадение второго аннулятора подпространства с этим подпространством в конечномерном случае. Любое подпространство в конечномерном векторном пространстве задаётся однородной системой линейных уравнений (ОСЛУ). Критерий базисности набора линейных функций: задаваемая ими квадратная ОСЛУ имеет только нулевое решение. Интерполяционная формула Лагранжа как разложение многочлена по базису в терминах сопряжённого базиса.

Ядро линейной функции (36.13). Формула Тейлора как разложение многочлена по базису в терминах сопряжённого базиса. Задание подпространства однородной системой линейных уравнений ⇔ нахождение аннулятора подпространства (35.16а).

• 36.14, 36.9в, 35.16б, 36.17в.

Линейные отображения векторных пространств: определение, примеры (линейные функции, поворот плоскости, проекция пространства на плоскость, транспонирование матриц, дифференцирование функций). Матрица линейного отображения: определение, примеры (матрицы поворота плоскости и проекции пространства на плоскость), запись линейного отображения в координатах. Взаимно однозначное соответствие между линейными отображениями и матрицами (при выборе базисов). Преобразование матрицы линейного отображения при замене базисов. Операции над линейными отображениями и соответствующие операции над матрицами (сложение, умножение на скаляр, произведение).

Образ и ядро линейного отображения. Критерии инъективности/сюръективности/биективности линейного отображения в терминах ядра и образа. Размерность ядра и образа, ранг линейного отображения. Новое доказательство теоремы о размерности пространства решений ОСЛУ. Геометрическая структура линейного отображения: подпространство, дополнительное к ядру, изоморфно отображается на образ.

Нахождение суммы и пересечения подпространств (35.15г).

• 35.15в, 36.3, 36.8;
• Задать системой однородных линейных уравнений сумму подпространств U+W в 4-мерном пространстве V при условии, что подпространства U и W заданы с помощью ОСЛУ:
• 

Линейные операторы на векторном пространстве (пример: единичный оператор). Матрица линейного оператора, её преобразование при замене базиса. Алгебра линейных операторов, её изоморфизм с алгеброй квадратных матриц.

Определитель и след линейного оператора, их независимость от выбора базиса. Невырожденные линейные операторы, эквивалентные условия невырожденности.

Инвариантные подпространства для линейного оператора, вид матрицы оператора в базисе, согласованном с инвариантными подпространствами.

Собственные векторы и собственные значения линейного оператора. Характеристический многочлен. Наличие собственных векторов у линейного оператора в комплексном векторном пространстве. Собственные подпространства, их линейная независимость. Алгебраическая и геометрическая кратности собственного значения. Диагонализуемые операторы, эквивалентные условия диагонализуемости. Операторы с простым спектром диагонализуемы.

Нахождение матрицы линейного оператора (39.15вл), её преобразование при замене базиса (39.20). Вычисление коэффициентов характеристического многочлена (40.10). Вычисление собственных значений и нахождение собственных векторов (40.15е)

• 39.15ен, 39.19, 40.15бг, 40.5, 40.7, 40.9.

Подстановка линейного оператора или матрицы в многочлен. Теорема Гамильтона–Кэли (для линейных операторов в конечномерном комплексном векторном пространстве). Существование инвариантного подпространства размерности ≤2 для линейного оператора в конечномерном вещественном векторном пространстве.

Корневые векторы линейного оператора (пример: собственные и корневые векторы оператора дифференцирования в пространстве функций на прямой). Корневые подпространства, их свойства: инвариантность, размерность равна алгебраической кратности собственного значения, ограничение оператора на корневое подпространство. Линейная независимость корневых подпространств, разложение векторного пространства в прямую сумму корневых подпространств.

Диагонализумость линейных операторов (40.16а). Нахождение корневых подпространств (40.35а).

• 40.16вг, 40.27, 40.35бг, 40.38, 41.8.