86009 (Высшая математика для менеджеров)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие “Высшая математика для менеджеров” включает такие разделы высшей математики, изучение которых дает математический аппарат, наиболее активно применяемый для решения прикладных экономических и управленческих задач. Это аналитическая геометрия, линейная алгебра и математический анализ.

Знание аналитической геометрии необходимо современному менеджеру, чтобы грамотно толковать экономическую информацию, представляемую в виде различных графиков - это кривые и поверхности безразличия, кривые потребительского бюджета, инвестиционного спроса, кривые Филлипса, Лаффера, Лоренца и т. д.; выводить интерполяционные формулы по методу наименьших квадратов; находить наилучший план производства при заданных ресурсах.

В разделе “Линейная алгебра” основное внимание уделяется матрицам, определителям и системам линейных уравнений, поскольку в экономических исследованиях широко используются различные матричные модели - межотраслевого баланса, в плановых расчетах, при расчетах фонда заработной платы и т.д. Линейные модели, сводящиеся к системам алгебраических линейных уравнений или неравенств, c достаточно высокой точностью соответствуют описываемым ими явлениям; с их помощью решаются многие управленческие задачи.

Математический анализ дает ряд фундаментальных понятий, которыми оперирует экономист, - это функция, предел, производная, интеграл, дифференциальное уравнение. Например, второй замечательный предел применяется при решении задач о росте банковского вклада по закону сложных процентов; использование понятия производной приводит к такой специальной дисциплине, как предельный анализ в экономике и т.д.

В начале каждого параграфа приводятся краткие сведения из теории, носящие справочный характер. Основное внимание уделяется практическому освоению студентами изучаемого материала. Для достижения этой цели приводится большое число упражнений. Их выполнение будет способствовать выработке навыков рационального решения типовых примеров и задач, а также задач экономического и производственного содержания, развивающих навыки применения изученного математического инструментария. Задания для самостоятельных индивидуальных работ предлагаются в книге: Корсакова Л.Г. Математика для экономистов в примерах и задачах: Учеб. пособие/ Калинингр. ун-т. - Калининград, 1994.

В конце пособия приводится список литературы, в который вошли все источники, использованные в той или иной мере при его написании.

Автор выражает глубокую благодарность рецензентам - профессорам Афинского университета экономики и бизнеса Танасу Скурасу и Анике Харламбиду, а также доценту кафедры вычислительной математики Л.В. Зинину, коллегам по математическому факультету за ценные замечания и помощь при подготовке пособия.

I. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ

1. Векторы

Упорядоченную совокупность ( x₁, x₂, ... , x _n ) n вещественных чисел называют n-мерным вектором, а числа x_i ( i = ) - компонентами, или координатами, вектора.

Если, например, некоторый автомобильный завод должен выпустить в смену 50 легковых автомобилей, 100 грузовых, 10 автобусов, 50 комплектов запчастей для легковых автомобилей и 150 комплектов для грузовых автомобилей и автобусов, то производственную программу этого завода можно записать в виде вектора (50, 100, 10, 50, 150), имеющего пять компонент. Векторы обозначают жирными строчными буквами или буквами с чертой или стрелкой наверху, например, a или a. Два вектора называются равными, если они имеют одинаковое число компонент и их соответствующие компоненты равны.

Компоненты вектора нельзя менять местами, например, (3, 2, 5, 0, 1) (2, 3, 5, 0, 1).

Произведением вектора x = (x₁, x₂ , ... ,x_n) на действительное число называется вектор x = ( x₁, x₂, ... , x_n).

Суммой векторов x = (x₁, x₂, ... ,x_n) и y = (y₁, y₂ , ... ,y_n) называется вектор x + y = (x₁ + y₁, x₂ + y₂, ... , x _n + y_n).

N-мерное векторное пространство Rⁿ определяется как множество всех n-мерных векторов, для которых определены операции умножения на действительные числа и сложение.

Экономическая иллюстрация n-мерного векторного пространства: пространство благ (товаров). Под товаром мы будем понимать некоторое благо или услугу, поступившие в продажу в определенное время в определенном месте. Предположим, что существует конечное число наличных товаров n; количества каждого из них, приобретенные потребителем, характеризуются набором товаров x = (x₁, x₂, ..., x_n), где через x_i обозначается количество i-го блага, приобретенного потребителем. Будем считать, что все товары обладают свойством произвольной делимости, так что может быть куплено любое неотрицательное количество каждого из них. Тогда все возможные наборы товаров являются векторами пространства товаров C = { x = (x₁, x₂, ... , x_n) x_i 0, i = }.

Система e₁, e₂, ... , e_m n-мерных векторов называется линейно зависимой, если найдутся такие числа ₁, ₂, ... , _m, из которых хотя бы одно отлично от нуля, что выполняется равенство ₁ e₁ + ₂ e₂ +... + _m e_m = 0; в противном случае данная система векторов называется линейно независимой, то есть указанное равенство возможно лишь в случае, когда все ₁ = ₂ = ... = _m = 0. Геометрический смысл линейной зависимости векторов в R³, интерпретируемых как направленные отрезки, поясняют следующие теоремы.

Теорема 1. Система, состоящая из одного вектора, линейно зависима тогда и только тогда, когда этот вектор нулевой.

Теорема 2. Для того, чтобы два вектора были линейно зависимы, необходимо и достаточно, чтобы они были коллинеарны.

Теорема 3. Для того, чтобы три вектора были линейно зависимы, необходимо и достаточно, чтобы они были компланарны.

Тройка некомпланарных векторов a, b, c называется правой, если наблюдателю из их общего начала обход концов векторов a, b, c в указанном порядке кажется совершающимся по часовой стрелке. B противном случае a, b, c - левая тройка. Все правые (или левые) тройки векторов называются одинаково ориентированными.

Тройка e_1, e₂, e₃ некомпланарных векторов в R³ называется базисом, а сами векторы e_1, e₂, e₃ - базисными. Любой вектор a может быть единственным образом разложен по базисным векторам, то есть представлен в виде

а = x₁ e₁ + x₂ e₂ + x₃ e_3, (1.1)

числа x₁, x₂, x₃ в разложении (1.1) называются координатами вектора a в базисе e_1, e₂, e₃ и обозначаются a(x₁, x₂, x₃). Если векторы e_1, e₂, e₃ попарно перпендикулярны и длина каждого из них равна единице, то базис называется ортонормированным, а координаты x₁, x₂, x₃ - прямоугольными. Базисные векторы ортонормированного базиса будем обозначать i, j, k.

Будем предполагать, что в пространстве R³ выбрана правая система декартовых прямоугольных координат {0, i, j, k}.

Векторным произведением вектора а на вектор b называется вектор c, который определяется следующими тремя условиями:

1. Длина вектора c численно равна площади параллелограмма, построенного на векторах a и b, т. е. c = a b sin (a^b).

2. Вектор c перпендикулярен к каждому из векторов a и b.

3. Векторы a, b и c, взятые в указанном порядке, образуют правую тройку.

Для векторного произведения c вводится обозначение c = [ab] или c = a b.

Если векторы a и b коллинеарны, то sin(a^b) = 0 и [ab] = 0, в частности, [aa] = 0. Векторные произведения ортов: [ij] = k, [jk] = i, [ki] = j.

Если векторы a и b заданы в базисе i, j, k координатами a(a₁, a₂, a₃), b(b₁, b₂, b₃), то

[ab] = =i (a₂b₃ - a₃b₂) - j (a₁b₃ - a₃b₁) + k (a₁b₂ - a₂b₁).

Если векторное произведение двух векторов а и b скалярно умножается на третий вектор c, то такое произведение трех векторов называется смешанным произведением и обозначается символом a b c.

Если векторы a, b и c в базисе i, j, k заданы своими координатами a(a₁, a₂, a₃), b(b₁, b₂, b₃), c(c₁, c₂, c₃), то

abc = .

Смешанное произведение имеет простое геометрическое толкование - это скаляр, по абсолютной величине равный объему параллелепипеда, построенного на трех данных векторах.

Если векторы образуют правую тройку, то их смешанное произведение есть число положительное, равное указанному объему; если же тройка a, b, c - левая, то a b c<0 и V = - a b c, следовательно V = a b c.

Координаты векторов, встречающиеся в задачах первой главы, предполагаются заданными относительно правого ортонормированного базиса. Единичный вектор, сонаправленный вектору а, обозначается символом а^о. Символом r=ОМ обозначается радиус-вектор точки М, символами а, АВ или а , АВ обозначаются модули векторов а и АВ.

Пример 1.1. Зная векторы a и b, на которых построен параллелограмм, выразить через них вектор, совпадающий с высотой параллелограмма, перпендикулярной к стороне a.

Решение. Обозначим AB=a, AC=b, CD=h, где CDa, D-основание перпендикуляра, опущенного из точки C на сторону a. По правилу сложения векторов имеем: b + h = AD, h = AD - b. Поскольку AD a, то AD = a.

Найдем значение , используя ортогональность векторов a и h: ah=0 или a( a-b)=0, откуда = ab /a². Следовательно, h = (ab /a²) a - b.

А B

b h a

C D

Рис. 1

Пример 1.2. Найдите угол между векторами a = 2m+4n и b = m-n, где m и n - единичные векторы и угол между m и n равен 120^о.

Решение. Имеем: cos = ab/ab, ab = (2m+4n) (m-n) = 2 m² - 4n² +2mn = = 2 - 4+2cos120^o = - 2 + 2(-0.5) = -3; a = ; a² = (2m+4n) (2m+4n) = = 4 m² +16mn+16 n² = 4+16(-0.5)+16=12, значит a = . b = ; b² = = (m-n)(m-n) = m² -2mn+ n² = 1-2(-0.5)+1 = 3, значит b = . Окончательно имеем: cos = = -1/2, = 120^o.

Пример 1.3. Зная векторы AB(-3,-2,6) и BC(-2,4,4),вычислите длину высоты AD треугольника ABC.

Решение. Обозначая площадь треугольника ABC через S, получим: S = 1/2 BC AD. Тогда AD=2S/BC, BC= = = 6, S = 1/2 AB AC. AC=AB+BC, значит, вектор AC имеет координаты AC(-5,2,10). ABAC = = i (-20 -12) - j (30 -30) + k (- 6 - 10) = = -16(2i +k ). ABAC = = 16 ; S = 8 , откуда AD = = .

Пример 1.4. Даны два вектора a(11,10,2) и b(4,0,3). Найдите единичный вектор c, ортогональный векторам a и b и направленный так, чтобы упорядоченная тройка векторов a, b, c была правой.

Решение. Обозначим координаты вектора c относительно данного правого ортонормированного базиса через x, y, z.

Поскольку c a, c b, то ca = 0, cb = 0. По условию задачи требуется, чтобы c = 1 и a b c >0.