Rozšíření Matematiky A1 pro biochemiky LS 2024/25
Naděžda Krylová
PřF UK , Ústav aplikací matematiky a výpočetní techniky
Albertov 6, 2. poschodí, 209
Kontakt:
krylova@natur.cuni.cz
SOS linka : mobil 604 268 425
Sylabus a literatura - SIS
Jak se píše v anotaci k tomuto studenty "vytvořenému" předmětu, hlavním cílem "Rozšíření matematiky A1" je co nejjednodušší vysvětlení významu, vlastností a aplikací základních důležitých pojmů z diferenciálního a integrálního počtu funkcí více proměnných, což by mělo být po Matematice A1 další pomocí v pochopení užití matematiky jako jazyka ve fyzice i v chemii, zvláště, ale nejen, ve fyzikální chemii. Na začátku semestru se ještě navíc rozšiřuje i lineární algebra z MA1 a znalost diferenciálních rovnic o řešení a aplikace lineárních diferenciálních rovnic druhého řádu s konstantními koeficienty (užitečné ve fyzice, spec. v mechanice). A poslední část předmětu je věnována aspoň základním informacím o nevlastním integrálu a nekonečných řadách.
Pomoci pochopit tyto pojmy by mělo i řešení jednoduchých a "průhledných" příkladů na cvičeních, Rozšíření matematiky A1 má od loňského akademického roku k přednášce i dvě hodiny cvičení.
Některé vhodné studijní materiály, přístupné na internetu:
- A.Klíč a kol.: Matematika I ve strukturovaném studiu, VŠCHT zde
- D.Turzík a kol.: Matematika II ve strukturovaném studiu, VŠCHT zde
- FEL ČVUT: P.Olšák: Lineární algebra zde
- FEL ČVUT: J Hamhalter, J. Tišer: Diferenciální počet funkcí více proměnnných zde.
- FEL ČVUT: J Hamhalter, J. Tišer: Integrální počet funkcí více proměnnných zde
Příklady můžete čerpat zde:
- N.Krylová, M.Štědrý: Sbírka příkladů z matematiky.
- VUT Brno: MATEMATIKA online - Matematika II
- sbírka KAM MFF
A jak bude probíhat výuka"Rozšíření Matematiky A1" ?
První část semináře bude shrnutí a opakování látky, probrané v minulém semináři, pomocí řešení příkladů. Také bude výborné, když budete pomáhat naší výuce i svými dotazy a náměty, co byste potřebovali vysvětlit znovu a třeba i podrobněji. V druhé části pak probereme další " nové" věci.
Základní lliteraturou by mohla být skripta, přístupná i na internetu: D.Turzík a kol.: Matematika II ve strukturovaném studiu, VŠCHT zde .
A můžete si také přečíst k tomu přednášky, které jsem psala pro Matematiku A2 v prvním "on-line" semestru - viz stránka MA2 2020/21 a "opravené" přednášky na stránce MA2 2021/22 Snažila jsem se v "písemných přednáškách" vedle "přesných" formulací definic a vět i o jejich "lidovější" vysvětlení, tak by to mohlo být, doufám, čitelné i pro vás. Navíc, můžete sledovat i záznamy on-line přednášek MA2 z LS 2020/21.
K hlavním partiím látky budou domácí úkoly s jednoduchými, ale "základními" důležitými příklady, a za jejich řešení, které odevzdáte, získáte zápočet. K zadání domácích úkolů budete mít vždy i "moje" řešení, které jsem se snažila napsat podrobně, s návody a s výkladem - proč daný problém takto řešíme. Jako kdybychom příklady řešili spolu na cvičení, je to takové "písemné" cvičení. A ještě poznámka k domácím úkolům - jednak vy je tak podrobně psát nemusíte (jako já) a za druhé, i když bude podrobné řešení zadaného domácího úkolu na "dubu" , tak vaše úkoly budou uznány. Předpokládám, že v matematice pokračujete ne kvůli zápočtu, ale proto, že chcete ještě něco více z matematiky znát, že věříte tomu, že se tím usnadní i pochopení mnohých věcí z fyziky i fyzikální chemie, a tak si nemyslím, že byste opisovali moje řešení a pak mi ho posílali, to by nemělo žádnou cenu.. Nechť je pro vás "moje řešení" domácích úkolů další studijní pomůckou a pomocí, a když budete chtít, tak k vašemu řešení příkladů v úkolu můžete připsat, kde jste potřebovali pomoc a zda vám to moje řešení trošku pomohlo. Tím byste zase hodně pomohli v "učení" také mně. A děkuji vám napřed.
A prosím, máte-li jakékoliv dotazy nebo připomínky, ptejte se na přednáškách či cvičeních, nebo pište, budu se snažit vše číst a včas odpovídat a s matematikou vám pomáhat.. A můžete též využít po domluvě konzultace, a to i online pomocí Google Meet, kdykoliv budete potřebovat.
Záznamy online přednášek z MA2 i písemné materiály k přednáškám MA2 (LS 2020/21) jsou zde
Záznamy online seminářů z letního semestru 2020/21, kdy výuka nemohla být prezenční jsou zde .
Podmínky získání zápočtu:
1. účast na cvičeních (tři absence mohou být neomluveny);
2. vypracování aspoň pěti ze zadaných domácích cvičení (na "dubu" nazvaných "domácí úkoly"), jako splněný úkol se počítá i řešení nějakého problému během cvičení "u tabule";
vypracování domácích úkolů může být nahrazeno i závěrečným zápočtovým testem nebo pohovorem (zápočtem ústním), samozřejmě po dohodě.
3. získání aspoň poloviny možných bodů ze dvou zápočtových testů, psaných během semestru; při neúspěchu v testech lze napsat testy opravné, případně napsat testy "domácí",
které je pak nutné "obhájit" ústně.
Matematika "po částech" - plán pro Rozšíření MA1:
1. Lineární algebra - rozšíření lineární algebry z MA1:
- Vektorové (lineární) prostory, zvláště pak Rn
- definice vektorového (lineárního) prostoru, příklady vektorových prostorů;
- báze a dimenze vektorového prostoru, souřadnice vektoru vzhledem k dané bázi a užití maticového počtu při nalezení souřadnic vektoru v Rn.
- Lineární zobrazení
- definice lineárního zobrazení vektorového prostoru, příklady nám známých lineárních zobrazení;
- lineární zobrazení prostoru Rn do Rm, matice lineárního zobrazení prostoru Rn do Rm, vlastní čísla a vlastní vektory čtvercové matice;
- lineární rovnice - obecný návod pro řešení lineárních rovnic, příklady řešení nám již známých lineárních rovnic.
Příklady k promyšlení a ke cvičení LA příklady
Domácí úkol 1.a z lineární algebry: Dú 1a - LA 1 a řešení je zde.
Domácí úkol 1.b z lineární algebry: Dú 1b - LA 2 a řešení je zde.
Přednášky a cvičení:
- Cvičení 17.2.2025:
Úvod - "co" a "jak" budeme studovat v Rozšíření MA1 a návrh podmínek pro získání zápočtu (upřesnění příště) - účast na cvičeních a přednáškách, domácí cvičení pomocí zadaných domácích úkolů, a případně místo domácích úkolů tři testy, nebo, domácí úkol může být nahražen "referátem" na cvičení, kde bude ukázáno řešení zadaných příkladů či problémů.
Dále shrnutí a pomocí řešení příkladů připomenutí toho, co bylo probráno z maticového počtu v matematice A1.
Příklady k opakování a procvičení: LA - příklady 1 - větší soubor příkladů z lineární algebry ( LA ), i pro další cvičení.
A ještě řešené příklady z domácího úkolu v MA1 dú9 - lineární algebra - a zde je "moje" řešení dú9 - LA . - Přednáška 18.2.2025:
Definice vektorového prostoru a podprostoru, specielně Rn jako vektorový prostor, definici báze a dimenze vektorového prostoru Rn, souřadnice vektoru vzhledem k dané bázi. Dále definice lineárního zobrazení z Rn do Rm, "co je" matice lineárního zobrazení z Rn do Rm a jak tuto matici daného zobrazení "najít"; příklady - transformace souřadnic v Rn jako lineární zobrazení; souvislost vlastností zobrazení a vlastností matic těchto zobrazení ( zobrazení prosté, zobrazení na, inverzní zobrazení ).Příklady dalších "pro nás" užitečných vektorových prostorů a příklady lineárních zobrazení v těchto prostorech. Obecný "návod" pro řešení lineární rovnice ve vektorových prostorech.Stručně o vlastních číslech a vlastních vektorech matice - vlastní čísla a vlastní vektory matice - definice; "návod" pro výpočet vlastních čísel matice; příklady - jen reálná vlastní čísla a navzájem různá. - Cvičení 19.2.2024:
Stejně jako ve cvičení 17.2. - "co" a "jak" budeme studovat v Rozšíření MA1 a návrh podmínek pro získání zápočtu (upřesnění příště).
Dále shrnutí a připomenutí toho, co bylo probráno z maticového počtu v matematice A1.
Příklady k opakování a procvičení viz cvičení 17.2.2025 a navíc třeba i další příklady k opakování LA z domácího testu Domácí test z LA - Cvičení 24.2.2025:
Ještě opakování maticového počtu, řešení soustav lineárních rovnic, existence inverzní marice k matici regulární s "pokus" s nalezením inverzní matice a pak výpočet inverzní matice Gauss - Jordanovou metodou. Zopakování návodů k výpočtu determinantů.
A stejně jako ve cvičení19.2. :
Příklady k opakování a procvičení viz cvičení 17.2.2025 a navíc třeba i další příklady k opakování LA z domácího testu Domácí test z LA - Přednáška 25.2.2025:
Definice vektorového prostoru a podprostoru, příklady "pro nás" užitečných vektorových prostorů, specielně Rn jako vektorový prostor. Definice báze a dimenze vektorového prostoru Rn, příklady báze prostoru Rn (n=2,3,4). Souřadnice vektoru vzhledem k dané bázi, transformace souřadnic vektoru v Rn při změně báze. Dále definice lineárního zobrazení z Rn do Rm, "co je" matice lineárního zobrazení z Rn do Rm . Pak obecně lineární zobrazení vektorových prostorů - definice a vlastností lineárního zobrazení, příklady lineárních zobrazení.
Dále lineární rovnice ve vektorových prostorech a obecný "návod" pro řešení lineárních rovnic.
Problémky pro cvičení - jak matici daného lineárního zobrazení z Rn do Rm "najít"; transformace souřadnic v Rn jako lineární zobrazení; souvislost vlastností zobrazení a vlastností matic těchto zobrazení ( zobrazení prosté, zobrazení na, inverzní zobrazení ).
Dále příklady dalších "pro nás" užitečných vektorových prostorů Dále lineární zobrazení vektorových prostorů - definice a vlastností lineárního zobrazení, příklady lineárních zobrazení.
Dále příklady dalších "pro nás" užitečných vektorových prostorů a příklady lineárních zobrazení v těchto prostorech. Obecný "návod" pro řešení lineární rovnice ve vektorových prostorech. - Cvičení 26.2.2025 a 3.3.2025 - plán:
K prostorům Rn : příklady báze prostoru Rn (n=2,3,4), souřadnice vektoru vzhledem k dané bázi v těchto prostorech, transformace souřadnic vektoru při změně báze v Rn .
Lineární zobrazení vektorových prostorů - opakování definice a vlastností lineárního zobrazení, příklady lineárních zobrazení.
Lineární zobrazení Rn do Rm - určení matice zobrazení, souvislost vlastností zobrazení s vlastnostmi matic těchto zobrazení (zobrazení prosté, zobrazení na, inverzní zobrazení).
Transformace souřadnic vektoru při změně báze v Rn jako příklad lineárního zobrazení. Řešení soustav lineárních rovnic z pohledu obecného návodu pro řešení lineárních rovnic.
Příklady k promyšlení a ke cvičení (i pro další cvičení) LA příklady
Domácí úkol 1.a z lineární algebry: Dú 1a - LA 1 a řešení je zde (stačí řešení úkolu přinést nebo poslat emailem za týden po cvičení)
Domácí úkol 1.b z lineární algebry: Dú 1b - LA 2 a řešení je zde (zatím jsme probrali jen látku k příkladům z 1. stránky, pokud si tento úkol vyberete, stačí jej vypracovat až po příští přednášce). - Přednáška 4.3.2025:
Ještě trošku k lineární algebře:
Shrnutí toho, co jsme si říkali o lineárních zobrazeních vektorových prostorů, další příklady lineárních zobrazení - isomorfismus n-dimenzionálních vektorových prostorů a Rn , transformace souřadnic vekroru při změně báza v prostorech Rn . Lineární zobrazení Rn do Rm - určení matice zobrazení, souvislost vlastností zobrazení s vlastnostmi matic těchto zobrazení (zobrazení prosté, zobrazení na, inverzní zobrazení). Dále stručně o vlastních číslech a vlastních vektorech matice - vlastní čísla a vlastní vektory matice - definice; "návod" pro výpočet vlastních čísel matice; příklady - jen reálná vlastní čísla a navzájem různá. A speciálně - má-li čvercová matice A řádu n vlastní čísla λi , i = 1,....n, reálná a navzájem různá, pak vlastní vektory vi , příslušné k λi , i = 1,....n, tvoří bázi Rn a diagonální matice Λ , kde diagonální prvky jsou vlastní čísla této matice, je matice zobrazení L(x) = A x vzhledem k této bázi.
A jako "studijní materiál" k přednášce můžete použít i z MA2 dodatek k přednášce 24.2.
Pak ještě úvod k obyčejným lineárním diferenciálním rovnicím 2. řádu: dva příklady - pohybové rovnice rovnoměrně zrychleného pohybu a harmonických kmitů hmotného bodu a odtud obecná formulace počáteční úlohy a okrajové úlohy pro OLDR 2.řádu; dále pak, jak budeme aplikovat "obecný návod" z lineární algebry pro řešení lineární rovnice na řešení OLDR 2.řádu a formulace věty o existenci a jednoznačnosti řešení počáteční úlohy pro OLDR 2.řádu. - Cvičení 5.3.2025 a 10.3.2025 - plán:
Ještě k lineární algebře: lineární zobrazení vektorových prostorů - opakování definice a vlastností lineárního zobrazení, příklady lineárních zobrazení. Lineární zobrazení Rn do Rm - určení matice zobrazení, souvislost vlastností zobrazení s vlastnostmi matic těchto zobrazení (zobrazení prosté, zobrazení na, inverzní zobrazení). Vlastní čísla a vlastní vektory matice - jednoduchý příklad, kdy vlastní čísla matice jsou reálná a navzájem různá.
A třeba se hodí i příklady k přednášce z 24.2.2020 .
2. Lineární diferenciální rovnice 2.řádu a soustavy lineárních diferenciálních rovnic 1.řádu (s konstantními koeficienty):
- lineární diferenciální rovnice 2. řádu
- řešení OLDR 2.řádu "obecně";
- OLDR 2.řádu s konstantními koeficienty - shrnutí viz OLDR 2.řádu - poznámky z předloňského roku;
- řešené příklady (cvičení)
Příklady k promyšlení a ke cvičení: OLDR 2.řádu příklady (zadání);
Domácí úkol 2.: dú 2 OLDR 2.řádu - opět prosím, přečtěte si zadání a můžete psát dotazy. A zde je "moje" řešení 2. domácího úkolu
A můžete se i podívat na zápisy přednášek z MA2 - OLDR 2.řádu : poznámky k přednášce 2.3.20 a i k přenášce 4.3.20 zde ;
poznámky k přednášce 9.3.20 zde . A snad se hodí i "písemná" přednáška - přednáška 11.3.20. - 1.část - o komplexní exponenciele a jejím užití.
Materiály pro MA2, ale i pro vás (jednodušší a vysvětlující):
OLDR 2.řádu - poznámky; zadání příkladů lineárních diferenciálních rovnic 2.řádu a řešení 1.část , řešení 2.část .
- soustavy lineárních diferenciálních rovnic 1.řádu
- soustavy dvou lineárních diferenciálních rovnic 1.řádu - základní informace jsou ve druhé části přednášky přednáška 11.3.20. - 2.část a s příklady v přednášce přednáška 16.3.20
- řešené příklady (cvičení) příloha k přednášce 16.3.20. a "písemné" Repetitorium MA2 - soustavy OLDR 1.řádu
Přednášky a cvičení:
- Přednáška 11.3.2025 - plán:
Obyčejné lineární diferencální rovnice druhého řádu - dva příklady (rovnice rovnoměrně zrychleného pohybu a rovnice harmonických kmitů), odtud obecná formulace počáteční úlohy a okrajové úlohy pro OLDR 2.řádu; dále aplikace "obecného návodu" z lineární algebry pro řešení lineární rovnice na řešení OLDR 2.řádu - věta o existenci a jednoznačnosti řešení počáteční úlohy pro OLDR 2.řádu ( bez důkazu), a odtud - množina řešení homogenní rovnice je lineární prostor dimenze 2 a fundamentální systém řešení homogenní rovnice; návod k hledání fundamentálního systému pro OLDR 2.řádu s konstantními koeficienty (v případě dvou různých reálných kořenů charakteristické rovnice, resp. dvojnásobného kořene , resp. kořenů komplexních) a jednoduché příklady řešení homogenní OLDR 2.řádu s konstantními koeficienty; řešení nehomogenní OLDR 2.řádu metodou variace konstant a metoda odhadu pro výpočet partikulárního řešení rovnice se speciálními pravými stranami, jednoduché příklady.
K této přednášce se snad hodí shrnutí v OLDR 2.řádu - poznámky a dále
Řešené příklady zadání příkladů lineárních diferenciálních rovnic 2.řádu a řešení 1.část , řešení 2.část .
Dále ještě stručné zopakování komplexních čísel a jejich vlastností, zavedení komplexní exponenciely a pak užití komplexní exponenciely při řešení OLDR 2.řádu s konstantními koeficienty v případě komplexních kořenů charakteristické rovnice.
A k tomu se snad hodí i "písemná" přednáška z MA2 - přednáška 11.3.20. - 1.část - o komplexní exponenciele a jejím užití. - Cvičení 12.3.2025 a 17.3.2025 - plán:
Řešení obyčejných diferenciálních rovnic 2. řádu s konstantními koeficienty - fundamentální systém, obecné řešení homogenní rovnice, řešení počáteční úlohy pro homogenní rovnici. Řešení nehomogenní rovnice metodou variace konstant, řešení počáteční úlohy. A podle toho, co probereme na přednášce, možná i odhad partikulárního řešení.
Příklady k promyšlení a ke cvičení: OLDR 2.řádu příklady
Domácí úkol 2.: dú 2 OLDR 2.řádu a zde je "moje" řešení 2. domácího úkolu
3. Diferenciální počet vektorových funkce jedné proměnné a funkcí (i vektorových) dvou a tří proměnných.
Co bychom měli probrat:
- vektorové funkce jedné reálné proměnné
- shrnutí - definice, limita, spojitost, derivace;
- příklady řešené (cvičení);
- další příklady a domácí cvičení dú3 - opakování analytické geometrie , vektorové funkce jedné proměnné;
a zde je "moje" řešení 3. domácího úkolu (opět jsem se snažila i o návody a vysvětlení). - reálné funkce více (dvou a tří) proměnných - přehled základních "věcí", co je "dobré" znát
- definice, definiční obory, limita (jen velmi stručně);
- parciální derivace, diferencovatelnost funkce a příklady k procvičení - zadání zde ;
- derivace složené funkce a příklady k procvičení - zadání zde;
- funkce definované implicitně a příklady k procvičení (i extémů funkcí) - zadání zde;
- extrémy funkce dvou proměnných.
Domácí úkoly (domácí cvičení) (pro procvičení a kontrolu, snad i jako zdroj dotazů):
dú4 - diferenciální počet 1 (základní pojmy diferenciálního počtu funkcí více proměnných;
a zde je řešení 4. domácího úkolu - první část; a řešení 4. domácího úkolu - druhá část;
dú5 - diferencovatelnost funkce, totální diferenciál, derivace složené funkce více proměnných;
a zde je řešení 5. domácího úkolu - první část a řešení 5. domácího úkolu - druhá část
dú6 - funkce, definované implicitně; extrémy funkcí dvou proměnných
a "moje" dú 6 - řešení 1.část (implicitní funkce); dú 6 - řešení 2.část (extrémy).
A můžete se podívat na zápisy přednášek pro MA2 na tato témata:
- úvod, vzdálenost v Rn , příklady funkcí dvou proměnných vektorové funkce jedné proměnné - přednáška 18.3.20 (první část) , přednáška 18.3.20 (druhá část) ;
- limita, spojitost a parciální derivace funkce více proměnných - přednáška 23.3.20. ;
- funkce diferencovatelná, totální diferenciál - přednáška 25.3.20.; derivace složené funkce více proměnných - přednáška 30.3.20.;
- vektorové funkce více proměnných - přednáška 1.4.20. ;
- funkce implicitně definované - přednáška 6.4.20 a přednáška 8.4.20. ;
- extrémy funkcí dvou proměnných - přednáška 15.4.20.
4. Dvojný a trojný integrál:
- připomenutí definice, existence a vlastností Riemannova integrálu funkce jedné proměnné
- dvojný integrál Riemannův
- dvojný integrálu "přes" obdélník - definice, aplikace, existence, vlastnosti, výpočet - Fubiniova věta;
- dvojný integrál přes měřitelnou oblast a opět - definice, aplikace, existence, vlastnosti, výpočet - Fubiniova věta; substituce do polárních souřadnic;
a výběr příkladů k procvičení zde
- trojný integrál Riemannův
- trojný integrál - definice, aplikace, vlastnosti, výpočet - Fubiniova věta pro integrál trojný;
- substituce - souřadnice válcové a sferické;soubor ukázkových řešených příkladů "místo" cvičení;
a výběr příkladů k procvičení zde
Domácí úkol (domácí cvičení): (opět pro procvičení a kontrolu, a i jako zdroj dotazů):
dú7 - integrál dvojný (výpočet a aplikace) a zde je "moje" řešení (prosím, napište, najdete-li chyby) dú 7 - řešení
dú8 - integrál trojný (výpočet a aplikace) a "moje" řešení dú 8 - řešení
A přednášky pro MA2 - snažila jsem se zde o "srozumitelnost", tak snad mohou pomoci i v RMA1:
- opakování R - integrálu funkce jedné proměnné a dvojný integrál přes obdélník - přednáška 20.4.20 ; a dodatek k přednášce - ještě několik příkladů zde ;
- dvojný integrál přes měřitelnou oblast - přednáška 22.4.20. a substituce do polárních souřadnic - přednáška 27.4.20.
- trojný integrál - přednáška 29.4.20. a substituce do válcových, resp. sférických souřadnic - přednáška 4.5.20 - 1.část
5. Křivkový integrál:
- křivkový integrál skalární funkce
- definice křivky v R3(R2), délka křivky;
- definice křivkového integrálu skalární funkce, vlastnosti a výpočet křivkového integrálu skalární funkce;
- příklady aplikací a výpočtu křivkového integrálu skalární funkce;
- křivkový integrál vektorové funkce
- definice, vlastnosti a výpočet křivkového integrálu vektorové funkce;
- nezávislost křivkového integrálu vektoru na cestě, potenciální pole, poteciál;
- nutná podmínka a postačující podmínky potenciálnosti pole; operátor rotace;
- výpočet potenciálu vektorového pole;
- výběr příkladů k procvičení křivkových integrálů zde
Domácí úkol (domácí cvičení):
dú9 - křivkový integrál a "moje" řešení dú 9 - řešení
A přednášky pro MA2 - snad se hodí i pro RMA1:
- úvod ke křivkovému integrálu přednáška 4.5.20 - 2.část; definice křivky, křivkového integrálu skalární funkce;
- křivkový integrál funkce vektorové - přednáška 6.5.20. ; potenciální vektorová pole, potenciál - přednáška 11.5.20.
6. Nevlastní Riemannův integrál.
7. Nekonečné řady.