Algebra 3 (MA 0011) RNDr. Břetislav Fajmon, Ph.D. Katedra matematiky Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity v Brně — verze 2024 3 Obsah 1 Otázka 01: Logika a teorie množin 5 2 Otázka 02: Relace, ekvivalence, uspořádání, zobrazení 6 3 Otázka 03: Struktury s jednou a se dvěma operacemi 7 4 Otázka 06: Polynomy 8 5 Otázka 04: Vektorové prostory a lineární zobrazení 9 6 Otázka 05: Soustavy lineárních rovnic, matice a determinanty 11 7 Některé části otázky číslo 4 z geometrie 13 8 K Otázkám 01, 02, 03 (logika a teorie množin, relace na množině, operace na množině): Booleho algebra 14 9 Otázka 07: Číselné obory a jejich konstrukce 15 Algebra 3 (MA 0011) 4 Úvod Tento textík je zčásti seznamem otázek k opakování algebraických předmětů na pedagogické fakultě MUNI, zčásti by mohl být textem krátce uvádějícím do pojmu Booleho algebra, a také možná někdy (aspoň v mírné formě prezentované v knize Pinter: The Book of Abstract Algebra) pokusem o prezentaci důkazu, že existují polynomické rovnice stupně pátého a vyššího, které nelze řešit přesným vzorcem. Břetislav Fajmon, verze textu únor 2025, text bude během výuky doplňován 5 1 Otázka 01: Logika a teorie množin • Uveďte negaci výroku: Vn £ N : (6|n & (2\n A 3|n)) (pozor, kvantifikátor patří k celé ekvivalenci, není součástí jen levé části ekvivalence, ale náleží celému výroku a neguje se nejprve ... pak až pokračujeme a negujeme danou ekvivalenci). • Napište vlastnost neutrálního prvku algebraické operace (vlastnost 3) a vlastnost existence inverzí u algebraické operace (vlastnost 4) ... pečlivě i s kvantifikátory; a ve druhé fázi proveďte negaci těchto výroků. Pojďme dále na témata a označení teorie množin: • Pod pojmem vztahy mezi množinami si představte relaci C, nebo rovnost výrazů s množinami a množinovými operacemi (binárními a unárními). Typický množinový vztah je distributivní zákon: Vi,ľ,ze2i:in(ľuz) = (inľ)u(in z), který dokazujeme Vennovými diagramy nebo pomocí univerzálního prvku x. K množinám se vrátíme ještě u tématu Booleho algebry. Algebra 3 (MA 0011) 6 2 Otázka 02: Relace, ekvivalence, uspořádání, zobrazení • Co je to binární relace? Uveďte nějaké její vlastnosti a příklad relace, která má danou vlastnost. • Jak binární relace reprezentujeme? a) výčtem jejích prvků jako množinu uspořádaných dvojic; b) pomocí orientovaného diskrétního grafu; c) pomocí matice; d) pomocí kartézského grafu. • Co je to relace reflexivní? Co je to relace antireflexivní? Co je to relace symetrická? Co je to relace antisymetrická? Co je to relace tranzitivní? Co je to relace úplná? • Co je to relace ekvivalence? Jak relaci ekvivalence reprezentujeme (pomocí určitého rozkladu množiny na podmnožiny, který vždy existuje: v jedné podmnožině rozkladu jsou právě ty prvky, které jsou navzájem v relačním vztahu. • Co je to relace uspořádání? Jak relaci uspořádání reprezentujeme? (speciálně pomocí Hasseho diagramu - vysvětlete, jak v Hasseho diagramu značíme reflexivitu, antisymetrii a tranzitivitu). Uveďte dvě nebo tři velmi typické relace uspořádání. • Co je to zobrazení? Jaké typy zobrazení známe?1 U každého typu uveďte nějaký příklad nejlépe reálné funkce, tj. zobrazení R —> R s danou vlastností. • Některé základní funkce: u elementárních funkcí byste měli být schopni řešit úlohy následujících typů: a) nakreslete pro zadaný vzorec graf (základní funkce lineárně lomené, mocninné-odmocninné, exponenciální, logaritmické, goniometrické, cyklometrické), a určete její definiční obor a obor hodnot; b) vypočtěte vzorec funkce inverzní ze zadaného vzorce; c) uveďte definici minima-maxima xq funkce fix)] funkce f(x) klesající-rostoucí na intervalu; funkce fix) ohraničené zdola, shora, zcela; funkce f(x) periodické; funkce f(x) je sudá-lichá. A poslední příklad z funkcí, který byste měli zvládnout, se týká následující tabulky nebo její části: Vyplňte ji tak že v každém sloupci je nějaký jiný úhel; tam, kde existují dvě možnosti, si vyberte jen jednu. *(•) 0° -30° x (rad) 7T 2 2 sin x V3 2 1 2 tg a; 1 není def. Opakování typů zobrazení, viz Základy matematiky, zaktualizovaný text, str. 69-71 včetně obrázku 7 3 Otázka 03: Struktury s jednou a se dvěma operacemi • A = {1; 2; 3} je tříprvková množina. Co za vlastnosti splňuje algebraická struktura s jednou operací, a sice a) (2A,U); b) (2A,n); c) (2A,\); d) (2A,-^). Nazvěte tyto struktury z hlediska algebry. Uveďte u každé z nich, jaký konkrétně je neutrálni prvek. Jestliže neexistují některé inverzní prvky, najděte příklad prvku, který nemá inverzi. • Dalšími zajímavými vlastnostmi jsou zákon krácení v grupě (vlastnost 7), zákon idempotence (vlastnost 8) a zákon absorbce (vlastnost 9) ... zejména vlastnosti 8 a 9 jsou pak důležitými při studiu Booleho algebry. • Co je to polookruh (M, y,*)? Uveďte typický příklad (tedy příklad polookruhu, který není okruhem). • Co je to okruh (M, Ví*)? Uveďte typický příklad (tedy příklad okruhu, který není oborem integrity). • Co je to obor integrity (M, v, *)? Uveďte typický příklad (tj. příklad oboru integrity, který není tělesem). Jaký vztah splňují netriviální (či: nenuloví) dělitelé nuly? • Co je to těleso (M, Ví*)? Uveďte typický příklad. • Jakými strukturami jsou z algebraického hlediska následující množiny se dvěma operacemi? a) (No,+,-); b) (Z,+,-); c) (Q,+,-); d) (R,+,-); e) (c,+,-y f) (Ze,+,-y g) (z7,+,-y h) (^8,+,-); i) (2A, U, n) pro A = {1; 2; 3}; j) (2^,-,n)proA = {l;2;3}. • Co je to homomorfismus grup? Co je to homomorfismus okruhů? Uveďte příklady tohoto homomorfismu. • K čemu je ten homomorfismus dobrý? a) surjektivní homomorfismus ... měli byste znát; b) injektivní homomorfismus ... bude ještě vysvětlen v otázce 7. Algebra 3 (MA 0011) 8 4 Otázka 06: Polynomy • Co je to polynom? Jakou algebraickou strukturu tvoří množina všech polynomů s reálnymi koeficienty (R[x], +, •)? • Co je to kořen polynomu? Co říká základní věta algebry?2 Co je to násobnost kořene? • Formulujte pomocí rovnic Eukleidův algoritmus hledání NSD dvou polynomů. • Uveďte význam Hornerova schématu na příkladu: a) najde kořen polynomu, a současně provede dělení (čeho čím? jaký je výsledek?); b) provede i dělení polynomu se zbytkem ... napište přesně rovnici, ve které jsou obsaženy oba polynomy, jejich podíl i zbytek.3 • Co říká věta o racionálních kořenech polynomu z (Q[x], +, ■)? • Co říká věta o komplexně sdružených kořenech polynomu z (R[x], +, •)? • Jak se odstraní z polynomu pix) vícenásobné kořeny? (nemusíte příklad, jen vysvětlení při dobrém označení) • Co je to algebraický a goniometrický tvar komplexního čísla? Vysvětlete včetně označení a obrázku. • Co říká Moivreho věta? • Jakým způsobem vypočteme n—tou odmocninu z komplexního čísla c 6 Cl Uveďte vzorec, vyřešte binomickou rovnici z6 = 64 a binomickou rovnici zA = — 1 a vyznačte vždy všechna řešení dané rovnice v Gaussově rovině. • Uveďte, jakým způsobem řešíme reciprokou rovnici x5 - 2x4 + 3x3 + 3x2 - 2x + 1 = 0 (nemusíte vyřešit úplně, jen popište metodu řešení až do chvíle, kdy nám zbývá vyřešit rovnici kvadratickou ... tu už řešit nemusíte). • Metodou půlení intervalu najděte řešení rovnice x3 — x — 2 = 0 na intervalu (1; 2). Nemusíte řešit moc podrobně, protože nemáte kalkulačku - proveďte jen dva kroky, z nichž bude jasné, jak se postupuje. • Metodou Newtonovou (tečen) najděte řešení rovnice x3 —x—2 = 0 na intervalu (1; 2). Nemusíte řešit moc podrobně, protože nemáte kalkulačku - jeden krok vypočtěte a do druhého dosaďte, aby bylo jasné, jak se postupuje. • odvoďte podrobně vzorec Newtonovy metody. 2Základní věta algebry je jakousi obdobou rozkladu přirozeného nebo celého čísla na součin prvočísel. 3V otázkách a) i b) nestačí jen projet Hornerovo schéma - musíte ještě v rovnici ukázat, co je důsledkem-výstupem Hornerova schématu. 9 5 Otázka 04: Vektorové prostory a lineární zobrazení Jde převážně o zopakování pojmů, příklady těchto pojmů a jejich význam. Otázka sestává ze dvou celků. Prvním celkem je pojem vektorového prostoru a podprostoru. • Co je to vektorový prostor V nad tělesem T? • Uveďte příklad vektorového prostoru (prostor aritmetický, prostor polynomů stupně nejvýše 4, prostor polynomů jakéhokoli stupně, prostor spojitých reálných funkcí): jak se na daném VP definuje sčítání vektorů a jak se definuje násobení vektorů skalárem? • Co je to vektorový podprostor vektorového prostoru? • Uveďte příklad vektorového podprostoru nějakého vektorového prostoru. • Co je to lineární kombinace vektorů? • Co je to lineární závislá množina vektorů? • Co je to báze (dimenze) vektorového prostoru? • Co jsou to souřadnice vektoru vzhledem k zadané bázi vektorového prostoru? • Co je to součet vektorových podprostoru a jak se definuje? • Co říká věta o dimenzi součtu a průniku vektorových podprostoru? Právě uvedená část otázky směřuje na zkoumání vlastností afinních podprostoru a studiu jejich vzájemné polohy (vlastnosti a vztahy afinních podprostoru jsou už ovšem jinou státnicovou otázkou z geometrie). Druhá polovina otázky se věnuje technické podpoře pojmu lineární zobrazení mezi vektorovými prostory a podpoře pojmů vlastní čísla a vlastní vektory lineární transformace: • Co je to lineární zobrazení ip mezi vektorovými prostory? • Jak lze lineární zobrazení zadat (vysvětlete tři způsoby zadání na příkladu)? • Uveďte příklad lineárního zobrazení geometricky, tj. nalezněte jeho matici, jestliže se jedná o osovou souměrnost v rovině nebo o rotaci v rovině se středem v počátku (například pro osovou souměrnost v rovině vzhledem k ose y = |). • Co je to lineární transformace? • Co jsou to vlastní čísla a vlastní vektory lineární transformace? • Uveďte příklad vlastních čísel a vlastních vektorů geometricky, například u osové souměrnosti vzhledem k ose y = |. Algebra 3 (MA 0011) 10 • Jak nalezneme vlastní čísla a vektory lineární transformace zadané maticí Al Vysvětlete algebraickou metodu (stačí postup bez příkladů, ale v postupu musí vše být dobře označeno). • Příklad osové souměrnosti v rovině vzhledem k ose y = | ... nalezněte matici této lineární transformace a) vzhledem ke standardní bázi, b) vzhledem k ortonormální bázi vlastních vektorů. • Jak se nazývají matice téže lineární transformace (viz a,b v předchozí odrážce) zadané pouze v různých bázích? Tolik druhá část otázky - ta se tedy věnuje práci s lineárními zobrazeními (s využitím vlastních čísel, jestliže jsou vlastní čísla reálná různá, pak totiž je zaručeno, že příslušné vlastní vektory jsou navzájem ortogonální). 11 6 Otázka 05: Soustavy lineárních rovnic, matice a determinanty Jde převážně o otázku, která se věnuje různým metodám řešení systému lineárních rovnic (dále zkratka: SLR), a pojmům které s tím souvisejí, tj. zejména maticovým operacím a výpočtu determinantu. Metody A,B,C lze vysvětlit na příkladu x — z = 0, 3x + y =1, —x + y + z = 4. A) Gaussova eliminační metoda: • Slovně stručně vysvětlete, v čem spočívá Gaussova metoda (popřípadě Gaussova-Jordánova metoda) ... můžete i bez příkladu. • Co jsou to elementární řádkové úpravy? • Co je to schodový tvar matice? • Jak se liší Gaussova a Gaussova-Jordánova metoda? • Co říká Frobeniova věta o řešitelnosti a počtu řešení SLR? (jaké jsou různé případy počtu řešení a ve kterých situacích nastanou?) B) Maticová metoda: • Kdy lze matice sčítat a jaké algebraické vlastnosti má ope- race sčítání matic? (neutrální prvek a inverzní prvky vysvětlete podrobně, na příkladu) • Kdy lze matice násobit a jaké algebraické vlastnosti má operace násobení matic? (neutrální prvek a inverzní prvky vysvětlete podrobně, na příkladu) • Otázka nenulových dělitelů nuly v okruhu čtvercových matic: vysvětlete podrobně na příkladu. • Co je to hodnost matice? Definujte a) pomocí schodového tvaru získaného z matice A pomocí ERU; b) pomocí vektorového podprostoru generovaného řádky matice. • Vysvětlete maticovou metodu řešení SLR - jen vysvětlete postup, nemusíte řešit konkrétní příklad. Pozor, tato metoda není Gaussova eliminace, to byla ta předchozí. Maticová metoda souvisí s násobením matic!!! • Co je to matice singulární a matice regulární a jak souvisí a) s řešením SLR, b) s výpočtem determinantu, c) s výpočtem inverzní matice, d) s výpočtem hodnosti matice? Algebra 3 (MA 0011) 12 C) Cramerovo pravidlo: • Uveďte definici determinantu, vysvětlete označení, které s tím souvisí. • Vypočtěte determinant 12 0 2 2 4 10 0 0-13 3-1 14 a) z definice (aspoň naznačte, vyčíslete jeden až dva členy součtu); b) Lapiaceho rozvojem pomocí řádku-sloupce (uvedený rozvoj proveďte, ale nemusíte ho dále vyčíslovat). • Jaké jsou vlastnosti singulární-regulární matice vzhledem k pojmům a) determinant; b) hodnost matice; c) počet řešení SLR A ■ x = b; d) inverzní matice? • Vysvětlete využití determinatů v matodě Cramerovo pravidlo na příkladu z úvodu této otázky. • Jaké jsou vlastnosti determinantu? Zejména se soustřeďte na rozdíl mezi řádkovými úpravami matice a úpravami determinantu - které úpravy jsou stejné a které se liší a jak? • Lze chápat determinant jako zobrazení? Jestliže ano, tak mezi kterými množinami („odkud kam")? • Jestliže determinant lze chápat jako lineární zobrazení (což lze), tak z linearity zobrazení plyne i vlastnost linearity determinantu - vysvětlete vlastnost linearity determinantu na matici rozměru 2x2. D) Pripcip superpozice: • Ad nehomogenní SLR: Co říká Frobeniova věta o řešitelnosti a počtu řešení SLR? (jaké jsou různé případy počtu řešení a ve kterých situacích nastanou?) • Ad homogenní SLR: Jaké jsou různé případy počtu řešení a ve kterých situacích nastanou? • Vysvětlete na konkrétním příkladu metodu principu superpozice: x + y + 2z — 5w = 1, 2x + 5y — z — 9w = 4. 13 7 Některé části otázky číslo 4 z geometrie Měli byste znát definici a příklad skalárního součinu vektorů: • Skalární součin na vektorovém prostoru V nad tělesem T je symetrická pozitivně definitní bilineární forma ... vysvětlete každý z těchto čtyř termínů přesně matematicky. • Jak se definuje skalární součin na aritmetickém vektorovém prostoru (Rn, +)? • Jak se definuje skalární součin na vektorovém prostoru spojitých funkcí na intervalu (0;1)? Také musíte znát definici velikosti vektoru a některé vlastnosti velikosti: • Jak se definuje velikost vektoru pomocí skalárního součinu vektorů? (obecně pomocí vektorového součinu) • Uveďte vlastnost pozitivní definitnosti velikosti. • Uveďte vlastnost homogenity velikosti. • Uveďte trojúhelníkovou nerovnost. • Každý nenulový vektor lze normovat ... co to znamená? • Jak se definuje velikost na vektorovém prostoru spojitých funkcí na intervalu (0; 1)? Otázku vektorového součinu vám řeknu (zopakuji) na začátku čtvrté výuky já sám: • Jaký je geometrický význam skalárního součinu dvou vektorů? • Jak se definuje vektorový součin vektorů (obecně, v dimenzi 2, v dimenzi 3)? Algebra 3 (MA 0011) 14 8 K Otázkám 01, 02, 03 (logika a teorie množin, relace na množině, operace na množině): Booleho algebra • Co je to svaz? Nakreslete svaz všech dělitelů přirozeného čísla 60, uspořádaný relací dělitelnosti. • Nakreslete svaz všech dělitelů přirozeného čísla 72, uspořádaný relací dělitelnosti. • Nakreslete svaz všech podmnožin pětiprvkové množiny (uspořádaný podle relace 9- • Uveďte vlastnosti operací V, A ve svazu (nově: vlastnost idempotence, vlastnost absorbce). • Poznámka: vlastnost neutrálního prvku nemusí u daných operací platit, protože v nekonečných svazech nemusí nej větší (nej menší) prvek existovat. • Musí operace V, A splňovat distributivní zákon? Operace průniku a sjednocení distributivní zákon splňují, ale obecně ve svazu nemusí platit - příkladem jsou svazy M5 a N5. • Naštěstí platí krásná matematická věta: Svaz je distributivní, právě když neobsahuje podsvaz M5 nebo N5. • Definice komplementu, definice komplementárního svazu. Měli byste být schopni najít komplement prvku ve svazu, nebo říct, že neexistuje. • Věta: Jestliže je komplementární svaz současně distributivní, tak všechny komple-menty jsou určeny jednoznačně. • Příklad: Komplement v množinovém svazu (2A, U, n) je doplněk množiny, jak jsme zvyklí na unární operaci doplňku. • Definice: Booleho algebra je každý komplementární distributivní svaz. • Příklad: (2A, U, n) je Booleho algebra. • Využití Booleho algebry: Zákonitosti v Booleho algebře dovolují modelovat a zjednodušovat logické výrazy nebo množinové výrazy. • Co jsou to de Morganova pravidla a) v teorii množin, b) v logice, c) v Booleho algebře? 15 9 Otázka 07: Číselné obory a jejich konstrukce Tato otázka vysvětluje vlastnosti jednotlivých množin čísel ve školské matematice, ale také uvádí algebraické konstrukce každé následné množiny v posloupnosti množin N, Z, Q, R, C pomoci množiny předchozí. Peanova množina P, množina N přirozených čísel. • uveďte nedůležité čtyři Peanovy axiomy, které se týkají rovnosti; • uveďte důležitých čtyři až pět Peanových axiomů, které se týkají pojmu následníka; • uveďte definici předchůdce, úseku a uspořádání na P; • uveďte čtyři vlastnosti, které splňují operace sčítání a násobení, jež lze definovat na množině P; • uvedte, jak lze strukturu (No, +, •) vystihnout algebraicky. Algebraický popis, jak z N zkonstruujeme Z. Studenti by měli umět nakreslit obrázek a celou konstrukci popsat. Bude též zkoušeno na následujících dílčích otázkách: • Co provedeme s množinou N nejdříve? Vytvoříme kartézský součin N x N. • Jak definujeme relaci ekvivalence ~? • Co je to N x N/^1 Popište tuto strukturu - jaké jsou její prvky? • Jak na struktuře N x N/^ definujeme operaci sčítání? Jaké má tato operace vlastnosti? Uveďte minimálně, který prvek je neutrální a jak se najde inverze pro nějaký prvek různý od neutrálního. • Jak se definuje zobrazení N —>■ N x N/ ^, jaké má vlastnosti a co zaručuje? • Jakým pojmem lze výslednou strukturu s operacemi sčítání a násobení vystihnout algebraicky? Algebraický popis, jak ze Z zkonstruujeme Q. Studenti by měli umět nakreslit obrázek a celou konstrukci popsat. Bude též zkoušeno na následujících dílčích otázkách: • Co provedeme s množinou Z nejdříve? Vytvoříme kartézský součin Z x Z*. • Jak definujeme relaci ekvivalence ~? • Co je to Z x Z* jrJl Popište tuto strukturu - jaké jsou její prvky? • Jak na struktuře Z x Z*/^ definujeme operaci sčítání a operaci násobení? Jaké má tato operace vlastnosti? Uveďte u obou operací minimálně to, který prvek je neutrální a jak se najde inverze pro nějaký prvek různý od neutrálního. Algebra 3 (MA 0011) 16 • Jak se definuje zobrazení Z-)2x Z*jaké má vlastnosti a co zaručuje? • Jakým pojmem lze výslednou strukturu s operacemi sčítání a násobení vystihnout algebraicky? Algebraický popis, jak z Q zkonstruujeme R pomocí řezů množiny Q. • Co je to řez množiny M? • Jaké čtyři typy řezů existují (a na jakých množinách)? Vysvětlete i graficky; • Jak se „zkonstruuje" R z množiny Ql Čemu odpovídají řezy Q prvního druhu, čemu odpovídají řezy Q třetího druhu? Algebraický popis, jak z R zkonstruujeme C. Studenti by měli umět nakreslit obrázek a celou konstrukci popsat. Bude též zkoušeno na následujících dílčích otázkách: • Co provedeme s množinou R nejdříve? Vytvoříme kartézský součin R x R. • Jak na struktuře R x R definujeme operaci sčítání a operaci násobení? Jaké má tato operace vlastnosti? Uveďte u obou operací minimálně to, který prvek je neutrální a jak se najde inverze pro nějaký prvek různý od neutrálního (a že tato inverze je opět komplexním číslem!!). • Jak se definuje zobrazení R —>■ R x R, jaké má vlastnosti a co zaručuje? • Jakým pojmem lze výslednou strukturu s operacemi sčítání a násobení vystihnout algebraicky? 17 Seznam literatury: Beránek, 2011 Jaroslav Beránek: Vybrané kapitoly z algebry. Skriptum Pdf, počet stran 70. Doplnění obsahu předmětů Algebra 1 a Algebra 3 na PdF pro budoucí učitele 2.stupně. Brno 2011. Budínová, I., 2013 Irena Budínová: Polynomy. Text určený studentům učitelství matematiky, Brno 2013. Počet stran 56. Horák, 2002 P. Horák: Cvičení z algebry a teoretické aritmetiky I, Brno 2002. Sbírka příkladů na Přírodovědecké fakultě MU. Cvičení pokrývá zhruba látku v předmětech Základy matematiky, Algebra 1, Algebra 2 vyučovaných na Pedagogické fakultě. Fajmon, 2022 B.Fajmon: Algebra 1. Doplnění přednášek, elektronický text. Fajmon, 2023 B.Fajmon: Základy matematiky - verze 2023. Doplnění přednášek v předmětu MA0001, počet stran 153. Fajmon, 2024 B.Fajmon: Algebra 2. Doplnění přednášek, elektronický text. Kopka, J., 1991 Jan Kopka: Svazy a Booleovy algebry (Ústí nad Labem 1991, zejména str. 19-82). Pan profesor Kopka napsal svůj text z té pozice, že by rád přehledně a srozumitelně podal přehled pojmů algebry a diskrétní matematiky, aby byla vidět její krása. Kniha je hlubším rozvedením pojmu uspořádaná množina uvedeným v předmětu Základy matematiky. Pinter, 2010 Charles Pinter: A book of Abstract Algebra, 2010. Jedná se o reprint druhého vydání z roku 1990. Neobyčejně čtivý text, napsaný z té pozice, že algebra je důležitá a má důležitá uplatnění. Rosický, J., 2000 Jiří Rosický: Algebra - grupy a okruhy 2000, reprint textu z roku 1985. Tento text se hodně shoduje s osnovou předmětu Algebra 1 na PdF, nicméně jen až jako doplnění čtivější knihy (Pinter, 2010).