Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
АЛГЕБРА
Направление подготовки
Компьютерная безопасность
Профиль подготовки
Информационная безопасность объектов информатизации
На базе компьютерных систем
Разработка защищенного программного обеспечения
Математические методы защиты информации
Квалификация специалиста
Математик
Форма обучения
очная
Ставрополь 2012
Цели освоения дисциплины
Дисциплина «Алгебра» реализует требования государственного образовательного стандарта по специальности 090301 «Компьютерная безопасность», содействует фундаментализации образования, формированию мировоззрения и развитию логического мышления.
Целью преподавания дисциплины является: обеспечение фундаментальной подготовки в одной из важнейших областей современной математики; ознакомление с основами классической и современной алгебры, а также с примыкающими к алгебре разделами теории чисел; обучение основным алгебраическим методам решения задач, возникающих в других математических дисциплинах и в практике; ознакомление с историей развития алгебры и с вкладом российских ученых в развитие современной алгебраической науки.
Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Алгебра» относится к числу дисциплин базовой части математического и естественнонаучного цикла.
Для успешного усвоения данной дисциплины необходимо, чтобы студент владел знаниями, умениями и навыками, сформированными в процессе изучения программы общеобразовательной школы.
Знания, полученные при изучении дисциплины «Алгебра», используются в нескольких дисциплинах математического и естественнонаучного цикла, а также являются базовыми для целого ряда профессиональных дисциплин:
− Математический анализ
− Теория вероятностей и математическая статистика
− Математическая логика и теория алгоритмов
− Дискретная математика
− Теоретико-числовые методы в криптографии
− Криптографические методы защиты информации
− Криптографические протоколы
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Алгебра»:
способность понимать социальную значимость своей будущей профессии, цели и смысл государственной службы, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности в области обеспечения информационной безопасности, защиты интересов личности, общества и государства, готовностью и способностью к активной состязательной деятельности в условиях информационного противоборства (ОК-5);
способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь на русском языке, готовить и редактировать тексты профессионального назначения, публично представлять собственные и известные научные результаты, вести дискуссии (ОК-7);
способность к логически-правильному мышлению, обобщению, анализу, критическому осмыслению информации, систематизации, прогнозированию, постановке исследовательских задач и выбору путей их решения на основании принципов научного познания (ОК-9);
способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и применять соответствующий физико-математический аппарат для их формализации, анализа и выработки решения (ПК-1);
способность применять математический аппарат, в том числе с использованием вычислительной техники, для решения профессиональных задач (ПК-2);
способностью применять методологию научных исследований в профессиональной деятельности, в том числе в работе над междисциплинарными и инновационными проектами (ПК-4);
способность применять современные методы и средства исследований для обеспечения информационной безопасности компьютерных систем (ПК-15);
способность готовить научно-технические отчеты, обзоры, публикации по результатам выполненных работ (ПК-17);
способность разрабатывать математические модели безопасности защищаемых компьютерных систем (ПК-18);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
− основные свойства важнейших алгебраических структур;
− основы линейной алгебры над произвольными полями,
− кольцо многочленов и его свойства,
− векторные пространства над полями и их свойства,
− основы теории групп и теории групп подстановок.
Уметь:
- оперировать с числовыми и конечными полями, кольцами, подстановками, многочленами, матрицами, в том числе с использованием компьютерных программ;
- решать системы линейных уравнений над полями;
- приводить матрицы и квадратичные формы к каноническому виду;
- производить оценку качества полученных решений прикладных задач.
Владеть:
- навыками решения алгебраических, матричных, подстановочных уравнений;
- навыками решения линейных уравнений над полем и кольцом вычетов;
- навыками решения стандартных задач в векторных пространствах;
- навыками нахождения канонических форм линейных преобразований;
- навыками пользования библиотеками прикладных программ для ЭВМ для решения прикладных задач.
4. Структура и содержание дисциплины «Алгебра»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 12 зачетных единиц, 432 часа.
Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
лекц. | практ. | лаб. | сам.раб. | ||||
Основные алгебраические структуры | 1-8 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 1, КР №1 | |||||
Кольцо матриц над кольцом. Матрицы над полем | 9-17 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 2, КР №2, экзамен | |||||
Итого за 1 семестр: | |||||||
Системы линейных уравнений над полем. Системы линейных неравенств | 1-8 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 1, КР №1 | |||||
Кольца и поля | 9-18 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 2, КР №2, экзамен | |||||
Итого за 2 семестр: | |||||||
Группы | 1-12 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 1, КР №1 | |||||
Векторные пространства | 13-17 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 2, КР №2, экзамен | |||||
Итого за 3 семестр: | |||||||
Линейные преобразования векторных пространств | 1-8 | Проверка домашних заданий, тестирование | |||||
Евклидовы и унитарные пространства | 9-14 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 1, КР №1 | |||||
Квадратичные формы | 15-18 | Проверка домашних заданий, коллоквиум 2, КР №2, экзамен | |||||
Итого за 4 семестр: | |||||||
Итого: |
Содержание курса
Задачи и программа курса. Место алгебры в ряду других математических дисциплин, применение в них методов алгебры.
Применение методов алгебры в профессиональных дисциплинах и в задачах практических подразделений.
Формы самостоятельной работы студентов по изучению курса. Литература по курсу.
Раздел 1. Основные алгебраические структуры
Подмножества конечного множества. Размещения и формула их числа. Перестановки элементов множества, их число. Сочетания и формула их числа. Формула разложения бинома. Число подмножеств конечного множества.
Четные и нечетные перестановки множества чисел. Изменение четности перестановок при транспозиции. Число четных и нечетных перестановок. Функция четности.
Внутренние бинарные операции на множестве и их свойства: коммутативность, ассоциативность, нейтральный элемент, симметричный элемент, дистрибутивность. Определение и простейшие свойства полугрупп и групп.
Определение кольца, основные тождества. Коммутативное кольцо, кольцо с единицей. Примеры: кольцо целых чисел, кольцо с нулевым умножением. Делители нуля. Обратимые элементы кольца с единицей.
Определение поля, отсутствие делителей нуля. Примеры: поле рациональных чисел, поле действительных чисел, поле из двух элементов.
Раздел 2. Кольцо матриц над кольцом. Матрицы над полем
Матрицы над кольцом, различные формы записи. Сложение матриц, умножение на элемент кольца. Умножение матриц. Кольцо квадратных матриц. Транспонированная матрица.
Определитель матрицы над коммутативным кольцом, каноническое разложение. Определитель верхне (нижне)-треугольной матрицы. Определитель матрицы с большим прямоугольником из нулей. Свойства определителя.
Миноры матрицы. Теорема Лапласа, следствия. Определитель произведения матриц.
Определение обратной матрицы для матрицы над кольцом с единицей. Критерий обратимости матрицы над коммутативным кольцом с единицей.
Элементарные преобразования матриц над кольцом с единицей. Элементарные матрицы. Эквивалентные матрицы.
Ранг матрицы. Строчная эквивалентность матрицы над полем ступенчатой матрице. Эквивалентность матрицы канонической матрице. Единственность канонической матрицы.
Свойства ранга матрицы: ранг обратимой матрицы, ранг транспонированной матрицы, ранг произведения матриц.
Линейная зависимость и независимость систем векторов над полем. Линейная выражаемость систем векторов. Критерии линейной независимости и линейной зависимости. Базис и ранг системы векторов. Совпадение ранга системы векторов с рангом составленной из них матрицы.
Раздел 3. Системы линейных уравнений над полем. Системы линейных неравенств
Основные понятия: решение, совместность. Критерии совместности, критерии единственности решения совместной системы уравнений. Равносильные системы уравнений.
Описание множества решений совместной системы уравнений. Метод Гаусса. Правило Крамера.
Однородные системы линейных уравнений. Фундаментальная система решений и ее свойства. Связь между решениями ассоциированных систем уравнений. Следствие из системы линейных уравнений. Опорные решения системы линейных уравнений.
Критерий того, чтобы совместная система линейных уравнений над полем действительных чисел имела неотрицательное решение.
Сведение системы линейных неравенств к системе линейных уравнений. Следствие из системы линейных неравенств. Теорема Минковского. Критерий совместности системы линейных неравенств.
Раздел 4. Кольца и поля
Отношение делимости в кольце целых чисел, его свойства. Деление с остатком. НОД чисел и алгоритм Евклида его вычисления. Свойства НОД. Взаимно простые числа. НОК чисел.
Простые числа и их свойства. Теорема Евклида. Основная теорема арифметики.
Построение поля комплексных чисел. Геометрическое представление и тригонометрическая форма записи комплексных чисел. Формула Муавра-Лапласа. Извлечение корня из комплексного числа. Корни из единицы. Сопряжение числа.
Отношение сравнимости целых чисел по модулю данного натурального числа и его свойства. Вычеты и операции над ними, кольцо вычетов. Обратимые элементы кольца вычетов. Критерий того, чтобы кольцо вычетов было полем.
Уравнения в кольце вычетов и сравнения. Решение сравнений первой степени с одним неизвестным.
Построение кольца многочленов от одного переменного над кольцом с единицей. Каноническая запись многочлена. Степень многочлена, степень суммы и произведения многочленов.
Отношение делимости в кольце многочленов, его свойства. Деление с остатком. Значение и корень многочлена. Теорема Безу. Многочлен как функция. Производная многочлена.
Кольцо многочленов над полем. НОД многочленов и алгоритм Евклида его вычисления. Свойства НОД. Взаимно простые многочлены и их свойства. НОК многочленов.
Неприводимые многочлены над полем и их свойства. Каноническое разложение многочлена. Критерий отсутствия кратных множителей в каноническом разложении. Число корней многочлена над полем. Простые и кратные корни. Понятие поля разложения.
Неприводимые многочлены над полями комплексных, действительных и рациональных чисел. Методы отыскания рациональных корней, признак Эйзенштейна. Степени неприводимых многочленов над конечным полем
Раздел 5. Группы
Определение группоида, примеры. Гомоморфизм и изоморфизм группоидов. Конгруэнция. Факторгруппоид. Теорема об эпиморфизме.
Определение и примеры групп: целые числа, аддитивная группа кольца, мультипликативная группа кольца с единицей, группа корней из
единицы, группа обратимых матриц. Группа биекций. Эквивалентные определения группы.
Группа подстановок. Теорема Кэли, следствия. Разложение подстановки в произведение циклов и транспозиций. Четные и нечетные подстановки, теорема о декременте.
Понятие и примеры подгрупп. Критерий того, чтобы подмножество группы было подгруппой, случай конечной группы. Подгруппа четных подстановок. Пересечение подгрупп. Произведение (сумма) подгрупп. Прямая сумма подгрупп абелевой группы.
Подгруппа, порожденная подмножеством. Системы образующих группы подстановок и группы четных подстановок. Понятие циклической группы.
Порядок элемента группы. Порядок подстановки. Экспонента группы.
Разложение группы в смежные классы. Теорема Лагранжа. Разложение группы в классы сопряженных элементов. Нормализатор подмножества и центр группы. Критерий сопряженности подстановок. Уравнение Коши.
Конгруэнции на группе и нормальные делители. Свойства нормальных делителей. Факторгруппы. Теорема об эпиморфизме.
Прямое произведение групп.
Орбиты и стабилизаторы элемента относительно группы подстановок.
Транзитивные и кратно транзитивные группы. Лемма Бернсайда. Линейные и аффинные группы над конечными полями.
Примитивные и импримитивные группы. Критерий примитивности. Некоторые условия совпадения группы подстановок с симметрической группой.
Описание циклических групп и их подгрупп. Сумма и пересечение подгрупп циклической группы. Разложение конечной циклической группы в прямую сумму примарных циклических подгрупп. Функция Эйлера и ее вычисление. Обращение теоремы Лагранжа для циклических групп.
Критерий цикличности абелевой группы. Теорема о строении конечной абелевой группы.
Тип конечной абелевой группы и ее подгруппы. Обращение теоремы Лагранжа для конечной абелевой группы.
Раздел 6. Векторные пространства
Понятие и примеры векторных пространств. Основные тождества. Линейно зависимые и независимые системы векторов. Линейная выражаемость систем векторов. Эквивалентные системы векторов. Базис и ранг системы векторов.
Конечномерные векторные пространства, основные свойства, базис и размерность. Координаты вектора. Формула преобразования координат. Число линейно независимых систем векторов в конечном пространстве.
Изоморфизм пространств одинаковой размерности над одним полем.
Понятие и примеры подпространств. Критерий того, чтобы подмножество пространства было подпространством. Операции над подпространствами; подпространство, порожденное подмножеством.
Размерность и базис подпространства конечномерного пространства. Соотношение между размерностями суммы и пересечения подпространств. Число подпространств в конечном пространстве.
Раздел 7. Линейные преобразования векторных пространств
Линейные отображение и преобразования векторных пространств. Линейные преобразования конечномерных пространств. Матрица линейного преобразования. Кольцо и векторное пространство линейных преобразований. Обратимые преобразования. Число обратимых преобразований конечного пространства.
Собственные векторы и собственные значения линейного преобразования. Характеристическая матрица и характеристический многочлен матрицы и преобразования. Отыскание собственных векторов преобразования. Критерий подобия матрицы над полем диагональной матрице.
Подпространство, инвариантное относительно преобразования. Ограничение преобразования на инвариантном подпространстве. Приводимые и разложимые матрицы преобразования.
Многочлены, аннулирующие преобразование. Теорема Гамильтона-Кэли. Разложение пространства в прямую сумму инвариантных подпространств с помощью аннулирующего многочлена. Корневые подпространства.
Минимальный многочлен матрицы и преобразования. Минимальный многочлен вектора.
Матрицы над кольцом многочленов, элементарные преобразования. Каноническая форма матрицы и ее единственность. Инвариантные делители и множители.
Критерий подобия матриц над полем.
Жордановы матрицы, их свойства. Критерий подобия матрицы жордановой матрице. Единственность жордановой формы матрицы.
Раздел 8.Евклидовы и унитарные пространства
Скалярное произведение и евклидово пространство. Процесс ортогонализации. Матрица Грама.
Унитарное пространство. Изометрия евклидовых и унитарных пространств одинаковой размерности.
Геометрия евклидовых и унитарных пространств: ортогональное дополнение, норма вектора, ортонормированные системы векторов, основные неравенства, расстояние и угол между векторами
Преобразование, сопряженное к данному преобразованию, его свойства. Нормальные преобразования и их свойства. Нормальная матрица.
Самосопряженные и ортогональные (унитарные) преобразования: вид матрицы, определяющие свойства. Матрица перехода от одного ортонормированного базиса к другому.
Геометрические свойства ортогональных преобразований, ортогональная группа. Критерий существования ортогонального преобразования, переводящего одну систему векторов в другую
Раздел 9. Квадратичные формы
Квадратичная форма и ее матрица. Эквивалентные квадратичные формы. Канонический вид квадратичной формы.
Нормальные виды квадратичной формы над полями комплексных и действительных чисел. Закон инерции Сильвестра. Критерии эквивалентности квадратичных форм над полями комплексных и действительных чисел.
Положительно и отрицательно определенные квадратичные формы над полем действительных чисел. Критерий Сильвестра. Ортогональная эквивалентность квадратичных форм. Пара форм