I dette kapitel vil vi introducere tal helt fra de naturlige tal
, komme ind på negative tal
og brøker for til sidst at berøre de reelle tal og vektorer i planen.
Alt dette for at lede frem til de komplekse tal i næste kapitel.
De komplekse tal er fantastiske, men for at komme i dybden med dem kræves
at man er fortrolig med lidt trigonometri og vektorer i planen.
Noget af det første man lærer som et lille barn er at tælle:
Det at tælle er fundamentalt for mennesket og arkæologiske kilder
nævner at mennesket har gjort det i mindst 50.000 år. Man
må formode at tællesymbolerne dengang har været primitive uden
avancerede symboler som . Måske har man symboliseret
som nedenfor
Tallenes historie er fascinerende.
1.1 Det mirakuløse tal nul
Notationen med pinde er ikke specielt økonomisk. Vores titalssystem er
i dag så indgroet i vores kultur at vi synes det er spild af blæk at
skrive tallet som
Man må ikke
glemme at notationen indeholder visdom gemt i årtusinders ophobet
menneskelig erfaring. Ved at indføre tallet kan man tælle i
grupper af . Således dækker notationen over at
man tæller grupper af og grupper af . I det hele taget
er symbolet et mirakel, som har bragt menneskeheden betydeligt
videre efter det blev indført at den indiske matematiker
Brahmagupta i 628. At
have et specielt symbol for ingenting er en smuk abstraktion.
Omkring computerens opfindelse kom der mere fokus på at man nødvendigvis
ikke behøver at tælle med hensyn til grupper af størrelser . Man
kan også tælle binært det vil sige med hensyn til grupper af størrelser . I
det binære talsystem kan de pinde skrives
Måske er dette mere elegant - enten er en gruppe der () eller også er den der ikke ().
Læg mærke til at tallet er central lige meget hvilket talsystem man vælger.
Brahmagupta opfandt tallet i år . Hvad gælder om tallet ?
Det skrives i det binære talsystem.
Det skrives i det binære talsystem.
I det oktale talsystem det vil sige med hensyn til grupper af størrelse skrives
som .
Det skrives DCXXVIII som romertal.
1.2 De naturlige tal
Rent matematisk har de naturlige tal egentlig ikke noget at gøre med i
hvilket talsystem de bliver skrevet op. I den abstrakte matematiske
verden giver det god mening at bruge pinde til at repræsentere
naturlige tal. Faktisk er det sådan man indfører de
naturlige tal med den aksiomatiske metode under navnet
Peanos aksiomer.
For nemheds skyld vil vi definere de naturlige tal
til at starte med og være
hvor vi allerede ved hvordan man adderer og multiplicerer naturlige tal.
Mængden af naturlige tal
betegnes med . Årsagen til denne notation skyldes at man i
århundreder har brugt tavle og kridt som kommunikationsmiddel. På en
tavle er det svært at skrive et boldface N. Det er nemmere at dekorere
et N til et blackboard bold N som ovenfor.
1.3 De hele tal
Vi ved godt at der findes negative tal, men hvordan vil vi egentlig
forklare dem? Skru tiden nogle hundrede år tilbage og forestil dig
hvor svært det har været at komme fra at man har kroner i sin pung
og skylder kroner væk til at abstrahere og sige at man har
kroner i sin pung. Måske er det også svært at forestille sig i dag.
I matematikkens verden drejer det sig om at kunne løse ligninger. Indenfor
de naturlige tal kan man
ikke løse de enkleste ligninger, hvor man kun har lov at benytte naturlige tal,
og indenfor de naturlige tal. For eksempel har ligningen
ikke løsninger i de naturlige tal. Mere formelt skriver vi at der ikke
findes noget , som opfylder at . For at kunne løse
denne ligning bliver nødt til at udvide de naturlige tal til de
hele tal
som betegnes (for Zahlen på tysk). I mængden af heltal har
ligningen (1.1) løsningen .
1.4 De rationale tal
Der er stadig ret enkle ligninger som for eksempel
som vi ikke
kan løse med et heltal . Det er grunden til at vi
indfører mængden af brøker eller rationale tal, som betegnes
. Brøker er som bekendt tal af formen , hvor
og med betingelsen at . Ligningen
(1.2) kan løses med brøken .
Der er kun en løsning, som er et rationalt tal mellem og .
Der er kun en løsning, som er et rationalt tal mellem og .
1.4.1 Eksempel
Det er ikke svært at lægge heltal sammen eller gange to brøker sammen,
men forestil dig nu at du har glemt hvordan man lægger brøker
sammen. Kunne du benytte hjernekraft til at finde ud af det, blot ud
fra indfaldsvinklen med at man skal kunne løse ligninger? Lad os
tage eksemplet
Vi er godt klar over at bestemt ikke er lig med
i og med at må være større end .
Men hvordan finder vi som brøk? Her hjælper ligninger os. Vi
ved at og er løsninger til ligningerne
Hvis vi nu ganger første ligning med og anden ligning med får vi ligningerne
Disse to ligninger kan vi nu lægge sammen og få ligningen
Derfor er
Et alternativ til ligningerne kunne være at gange ligningen (1.3) igennem med
og få
Indrømmet, matematisk har vi snydt en smule her. Faktisk har vi også brug for at sige
hvornår to brøker er ens, som for eksempel
men det er en anden historie.
Efter præcis samme metode som i eksemplet kan vi finde (med bogstaver)
formlen
for addition af de to brøker og . Prøv
langsomt at gå igennem metoden, som følger:
og er løsninger til
ligningerne
Ved at gange første ligning med og anden ligning med og
addere ligningerne fremkommer formlen (1.4).
Diofants ungdom varede af hans liv. Han fik skæg efter mere. Efter mere blev han gift. Fem år senere fik han en søn. Sønnen levede halvt så længe som faderen og Diofant døde fire år efter sønnen. Hvor gammel blev Diofant?
1.5 De reelle tal
Vi begyndte med de naturlige tal og kunne
ikke løse enkle ligninger. Så udbyggede vi til de hele tal , men
kunne her stadig ikke løse helt simple ligninger som . Det
gjorde at vi ``opfandt'' brøker eller de rationale tal . Her har
vi at gøre med tal, hvor man kan addere, subtrahere, multiplicere og
dividere (med alle tal undtagen ). Med symboler har vi
lavet kæden
Til hverdag omgiver vi os
praktisk taget kun med rationale tal. Computere kan strengt taget kun
håndtere rationale tal. Men rationale tal kan sagtens være
overordentligt komplicerede med store tællere og nævnere som for eksempel
Findes der andre tal end de rationale?
Her støder vi på et af de mest overraskende elementer i matematikkens
historie. Svaret er ja og skal findes i Pythagoras' læresætning om
længden af hypotenusen i en retvinklet trekant. Som du helt givet husker,
siger Pythagoras for en retvinklet trekant med hypotenuselængde
og med katetelængder og at
Vi kan illustrere det med vektorer i et koordinatsystem:
Her siger Pythagoras at længden af vektoren med koordinaterne er
eller i mere dagligdags sprog: Længden af diagonalen
i et rektangel med sidelængder og er .
Den totale overraskelse er at længden af diagonalen i et rektangel,
hvor begge sidelængder er (det vil sige et kvadrat med sidelængde ) ikke
er et rationalt tal. Tænk lige over det. Noget så naturligt som
længden af diagonalen nedenfor er ikke en brøk!
Et af de mest berømte matematiske argumenter, flere tusinde år gammelt, er netop et
bevis for at længden af diagonalen ovenfor ikke kan skrives som en brøk. Det er
ren matematik, når den er allerbedst.
Hovedingrediensen i det matematiske bevis for at kvadratroden af ikke er et rational tal er følgende udsagn om naturlige tal: Kvadratet at et ulige tal er
ulige f.eks., .
Kan du lave et bevis for at udsagnet gælder for alle ulige tal?
Kommentarer/spørgsmål?
Selvom man til daglig egentlig ikke har brug for irrationale tal, er
det i matematikken ekstremt vigtigt at kunne håndtere tal som
. I abstrakt matematik kan man vise at der faktisk er langt
flere irrationale tal end rationale. Disse udgør tilsammen de reelle
tal, som betegnes . Det er en anelse teknisk at konstruere de
reelle tal matematisk, men vi vil alligevel benytte dem, når vi regner
med vektorer i planen.
1.6 Vektorer i planen
En vektor i planen er givet ved dens koordinater , som er ordnede par af reelle tal . Af typografiske hensyn skrives vektoren også som .
Det er meget
naturligt at lægge to vektorer sammen og gange en vektor med et tal på følgende måde: Betragt
vektorerne, og bemærk at vektorer er fede!
samt tallet . Så er summen lig med
og skalarmultiplikationen lig med
Vi betegner mængden af vektorer givet ved deres koordinater som .
Fra din baggrund i matematik ved du at prikproduktet mellem og
er givet ved formlen
Prikproduktet har en masse gode egenskaber, herunder
Længden af vektoren er givet ved formlen
En vektor siges at være en enhedsvektor, hvis den har længde det vil sige .
Vektorerne og siges at være vinkelrette på hinanden hvis .
Vi repeterer cosinus og sinus af vinkler.
Enhedscirklen nedenfor er netop defineret som mængden af enhedsvektorer det vil sige
vektorer med længde .
Enhedsvektoren på tegningen er entydigt givet ud fra dens vinkel
med -aksen. Cosinus, , til vinklen
er defineret som -koordinaten og sinus, , som
-koordinaten til enhedsvektoren. Denne definition giver omgående den
velkendte formel
Ud fra tegningen ovenfor kan man også aflæse følgende ligninger:
Findes en retvinklet trekant med sidelængder , og ? I givet fald,
bestem vinklerne i denne trekant.
1.8 Projektionen af en vektor på en anden vektor
Givet to vektorer og som nedenfor, hvor meget () skal vi forkorte eller
forlænge med for at afstanden mellem og bliver mindst mulig?
Der er her tale et minimeringsproblem. Vi kender vektorerne og og skal finde tallet så længden
af vektoren bliver minimal. Det er præcis det samme som at finde , som minimerer funktionen
Faktisk er en parabel (i ), som vender benene opad og med
bundpunkt for
Med denne værdi for gælder
det vil sige vektorerne og er vinkelrette. Måske ikke så overraskende ud fra tegningen ovenfor. Vektoren kaldes for projektionen af
på .
Lad betegne afstanden fra punktet til linjen gennem og . Hvad gælder om ?
Ud fra formlerne for retvinklede trekanter får vi
og dermed den smukke formel for cosinus til vinklen mellem vektorerne og :
1.9 Cosinus og sinus for summen af to vinkler
Man kan ret nemt overbevise sig om at ikke er lig med
for to vinkler og .
For eksempel er ikke lig med . Men
findes der en formel, som udtrykker ved hjælp af
cosinus og sinus til og ?
Ud fra tegningen ovenfor kan vi udlede en formel for cosinus til
differencen mellem de to vinkler og . Da de to vektorer er
enhedsvektorer er deres prikprodukt ud fra den smukke formel (1.6) netop lig med cosinus
til forskellen mellem deres vinkler dvs.
Hvad med additionsformler for sinus? Her benyttes igen de trigonometriske formler til at slutte
det vil sige
og dermed
Nu overlades det som en opgave til læseren at overbevise sig om at den sidste formel
gælder.
1.10 Matricer
Nu kommer vi til et af de centrale begreber i dette kursus: Matricer. Vi begynder helt stille med matricer. Sådan en fyr er et skema der ser ud på denne måde:
Vi kan multiplicere en vektor med en matrix ifølge denne opskrift:
Der er nu en meget speciel vektor, nemlig .
Hvorfor er den så speciel? Jo, det er den fordi den næsten ikke bliver forandret af multiplicationen.
Den forandrer altså ikke sin retning, men kun sin størrelse. En sådan vektor kaldes egenvektor for , og den faktor man skal multiplicere på egenvektoren kaldes dens egenværdi. I dette eksempel har altså egenvktoren
med tilhørende egenværdi 4.
Det vil vise sig at det er meget nyttigt at kunne bestemme egenvektorer og egenværdier. I dette kursus er det vigtige at forstå hvad en egenvektor er, og hvorfor de er så afgørende. Vi vil også give metoder til at finde dem, men i praksis vil dette være en opgave for en maskine.
Lad betegne afstanden fra punktet til linjen gennem og . Hvad gælder om ?
Kommentarer/spørgsmål?
1.11.2
Giv et præcist argument for at
Kommentarer/spørgsmål?
1.11.3
Lommeregneren siger at cirka er . Giv et geometrisk argument for at
ved hjælp af en retvinklet trekant, hvor de to ikke rette vinkler er
og (det vil sige henholdsvis og grader).