LINEAR ALGEBRA AND GEOMETRY A - E

Academic Year 2023/2024 - Teacher: Giuseppe ZAPPALA'

Expected Learning Outcomes

Knowledge: being able to compute the rank of a matrix, with or without a parameter, to study a vector space, to study a linear application, to determine eigenvalues and eigenspaces of an endomorphism, to diagonalize a matrix, to solve problems of linear geometry, to classify conics and quadrics and to study conics bundles in the plane.

Understanding: fundamental definitions and theorems about vector spaces, linear applications and endomorphisms, constructions and theorems about lines and planes in the space and conics in the plane, definitions and theorems about the classifications of quadrics.

Course Structure

During the lessons topics and concepts will be proposed in a formal way, together with meaningful examples, applications and exercises. A tutor will carry classroom exercises. The student will be sollicited to carry out exercises autonomously, even during the lessons.

Should teaching be carried out in mixed mode or remotely, it may be necessary to introduce changes with respect to previous statements, in line with the programme planned and outlined in the syllabus.

Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it.

Detailed Course Content

Linear Algebra:

  1. Generalities on set theory and operations. Maps between sets, image and inverse image, injective and surjective maps, bijective maps. Sets with operation, gropus, rings, fields.
  2. Vectors in the ordinary space. Sum of vectors, product of a number and a vector. Scalar product, vector product. Components of vectors and operations with components.
  3. Complex numbers, operations and properties. Algebraic and trigonometric form of complex numbers. De Moivre formula. nth root of complex numbers.
  4. Vector spaces and properties. Examples. Subspaces. Intersection, union and sum of subspaces. Linear independence. Generators. Base of a vector space, completion of a base. Steinitz Lemma*, dimension of a vector space. Grassmann formula*. Direct sum.
  5. Generalities on matrices. Rank. Reduced matrix and reduction of a matrix. Elementary matrices. Product of matrices. Linear systems. Rouchè-Capelli theorem. Solutions of linear systems. Homogeneous systems and space of solutions.
  6. Determinants and properties. Laplace theorems*. Inverse of a square matrix. Binet theorem*. Cramer thoerem. Kronecker theorem*.
  7. Linear maps and properties. Kernel and image. Injective and surjcetive maps. Isomorphisms. L(V,W) and isomomorphism with k^{m,n}. Study of a linear map. Base change.
  8. Eigenvalues, eigenvectors and eigenspaces of an endomorphism. Characteristic polynomial. Dimension of eigenspaces. Independence of eigenvectors. Simple endomorphisms and diagonalization of matrices.

Geometry

  1. Linear geometry on the plane. Cartesian coordinates and homogeneous coordinates. Lines and their equations. Intersection of lines. Angular coefficient. Distances. Pencils of lines.
  2. Linear geometry in the space. Cartesian coordinates and homogeneous coordinates. Planes and their equation. Lines and their representation. Ideal elements. Angular properties of lines and planes. Distances. Pencils of planes.
  3. Change of coordinates in the plane, rotations and translations. Conics and associated matrices, orthogonal invariants. Reduced equations, reduction of a conic in canonic form. Classification of irreducible conics. Study of equations in canonic form. Circle. Tangent lines. Pencils of conics.
  4. Quadrics in the space and associated matrices. Irreducible quadrics. Vertices and dengerate quadrics. Cones and cylinders. Reduced equations, reduction in canonic form. Classification of non degenerate quadrics. Sections of quadrics with lines and planes. Lines and tangent planes.

The proofs of the theorem signed with * can be ometted.

Textbook Information

1. S. Giuffrida, A. Ragusa: Corso di Algebra Lineare. Il Cigno Galileo Galilei, Roma, 1998.

2. Lezioni di Geometria. Spazio Libri, Catania, 2000.

3. P. Bonacini, M. G. Cinquegrani, L. Marino. Algebra lineare: esercizi svolti. Cavallotto Edizioni, Catania, 2012.

4. P. Bonacini, M. G. Cinquegrani, L. Marino. Geometria analitica: esercizi svolti. Cavallotto Edizioni, Catania, 2012.

5. E. Sernesi. Geometria 1. Bollati Boringhieri, 2000.

Course Planning

 SubjectsText References
1Prodotto cartesiano. Relazioni. Funzioni. Immagine e controimmagine. Funzioni iniettive, suriettive e biiettive. Restrizioni ed estensioni. Composizione di funzioni. Tempo richiesto previsto: 2 ore1 - Pagine 1-17
2Proprietà della composizione. Funzioni invertibili. Relazioni di equivalenza. Partizioni. Classi di equivalenza. Insieme quoziente. Tempo richiesto previsto: 2 ore1 - Pagine 14-17
3Strutture algebriche. Semigruppi. Elemento neutro. Monoidi. Elementi invertibili in un monoide. Gruppi. Gruppi abeliani. Esempi di gruppi. Gruppi di permutazioni. Tempo richiesto previsto: 4 ore1 - Pagine 17-26
4Anelli. Anelli con unità. Anello dei numeri interi. Divisori dello zero. Corpi. Campi. Anelli commutativi con unità. Domini di integrità. Anello dei polinomi. Anelli delle classi di resto. Grado di un polinomio. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 36-51
5Equazioni algebriche. Algoritmo di divisione. Teorema di Ruffini. Regola di Ruffini. Molteplicità delle radici. Tempo richiesto previsto: 2 ore1 - Pagine 36-51
6Matrici. Somma tra matrici. Prodotto di uno scalare per una matrice. Prodotto tra matrici. Matrici triangolari, diagonali. Anello delle matrici quadrate. Matrice identica. Campo delle metrici scalari. Matrici trasposte. Traccia. Tempo richiesto previsto: 4 ore1 - Pagine 51-59
7Classe di una permutazione. Determinante di una matrice quadrata. Proprietà dei determinanti. Multilinearità ed alternanza. Tempo richiesto previsto: 4 ore1 - Pagine 141-153
8Teorema di Binet. Cofattori. Teoremi di Laplace. Calcolo di determinanti. Matrice dei cofattori. Matrice aggiunta. Formula della matrice inversa. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 153-158
9Sistemi lineari. Sistemi di Cramer. Regola di Cramer. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 167-171
10Definizione di spazio vettoriale. Legge di annullamento del prodotto. Sottospazi. Esempi di sottospazi. Intersezione e somma di sottospazi. Somma diretta. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 87-103
11Generatori. Vettori linearmente dipendenti. Criterio di indipendenza lineare. Basi. Metodo degli scarti successivi. Estensione ad una base. Tempo richiesto previsto: 4 ore1 - Pagine 103-113
12Lemma di Steinitz. Dimensione di uno spazio vettoriale. Calcolo di dimensioni. Dimensione di sottospazi. Componenti. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 113-119
13Sottomatrici. Minori. Rango di una matrice. Matrici ridotte. Metodo di riduzione. Teorema di Kronecker. Sistemi lineari. Teorema di Rouché-Capelli. Risoluzione di un sistema lineare. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 141-153
14Sottomatrici. Minori. Rango di una matrice. Matrici ridotte. Metodo di riduzione. Teorema di Kronecker. Sistemi lineari. Teorema di Rouché-Capelli. Risoluzione di un sistema lineare. Tempo richiesto previsto: 4 ore1 - Pagine 158-182
15Teorema degli orlati. Sistemi lineari omogenei. Sistemi omogenei di n equazioni in n+1 incognite. Tempo richiesto previsto: 2 ore1 - Pagine 182-187
16Applicazioni lineari. Immagine e controimmagine di sottospazi. Nucleo e iniettività. Dimensione dell'immagine di un sottospazio. Teorema sulle dimensioni del nucleo e dell'immagine. Isomorfismi ed endomorfismi. Spazi vettoriali isomorfi. Tempo richiesto previsto: 4 ore1 - Pagine 201-219
17Composizione di applicazioni lineari. Isomorfismi. Prodotto cartesiano di spazi vettoriali. Formula di Grassmann. Composizione di applicazioni lineari. Matrici associate alle applicazioni lineari. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 219-235
18Rango della matrice associata. Matrici del cambio di base. Relazione tra matrici associate alla stessa applicazione. Matrici simili. Tempo richiesto previsto: 2 ore1 - Pagine 235-239
19Endomorfismi diagonalizzabili. Autovalori ed autovettori. Polinomio caratteristico. Coefficienti del polinomio caratteristico. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 263-265; 271-279
20Autospazi. Molteplicità algebrica e geometrica degli autovalori. Somma diretta di sottospazi. Indipendenza degli autospazi. Endomorfismi diagonalizzabili e loro caratterizzazione. Tempo richiesto previsto: 3 ore1 - Pagine 279-293
21Spazi affini. Vettori geometrici. Angolo tra due vettori. Spazi proiettivi. Punti impropri. Omogeneizzazione di polinomi. Tempo richiesto previsto: 2 ore2 - Pagine 1-21
22Curve algebriche. Rette nel piano proiettivo. Retta per due punti. Superfici algebriche. Piani e rette nello spazio proiettivo. Rette complanari, incidenti e sghembe. Tempo richiesto previsto: 2 ore2 - Pagine 31-45; 51-62
23Fasci di piani. Equazione della retta in forma vettoriale e parametrica. Distanze. Punto medio e asse di un segmento. Luoghi geometrici. Bisettrici. Circonferenze. Sfere. Simmetrie. Tempo richiesto previsto: 3 ore2 - Pagine 62-72
24Cambiamenti del sistema di riferimento. Trasformazioni ortogonali. Tempo richiesto previsto: 1 ora2 - Pagine 73-79
VERSIONE IN ITALIANO