PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Podobne dokumenty
1 Macierze i wyznaczniki

15. Macierze. Definicja Macierzy. Definicja Delty Kroneckera. Definicja Macierzy Kwadratowej. Definicja Macierzy Jednostkowej

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

Definicja macierzy Typy i właściwości macierzy Działania na macierzach Wyznacznik macierzy Macierz odwrotna Normy macierzy RACHUNEK MACIERZOWY

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

RACHUNEK MACIERZOWY. METODY OBLICZENIOWE Budownictwo, studia I stopnia, semestr 6. Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska

1 Zbiory i działania na zbiorach.

MACIERZE I WYZNACZNIKI

Treści programowe. Matematyka. Efekty kształcenia. Literatura. Terminy wykładów i ćwiczeń. Warunki zaliczenia. tnij.org/ktrabka

jest rozwiązaniem równania jednorodnego oraz dla pewnego to jest toŝsamościowo równe zeru.

Macierze i Wyznaczniki

Zadania egzaminacyjne

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 3.

Algebra WYKŁAD 3 ALGEBRA 1

det[a 1,..., A i,..., A j,..., A n ] + det[a 1,..., ka j,..., A j,..., A n ] Dowód Udowodniliśmy, że: det[a 1,..., A i + ka j,..., A j,...

Własności wyznacznika

Matematyka liczby zespolone. Wykład 1

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Przypomnij definicję grupy, które z podanych struktur są grupami:

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

1 Elementy logiki i teorii mnogości

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Rozdział 2. Liczby zespolone

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

ALGEBRA LINIOWA. Wykład 2. Analityka gospodarcza, sem. 1. Wydział Zarządzania i Ekonomii Politechnika Gdańska

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012


Krótkie wprowadzenie do macierzy i wyznaczników

Macierz o wymiarach m n. a 21. a 22. A =

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

O MACIERZACH I UKŁADACH RÓWNAŃ

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Wektory i wartości własne

Macierze - obliczanie wyznacznika macierzy z użyciem permutacji

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba godzin zajęć zorganizowanych w Uczelni 30 30

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

Wektory i wartości własne

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

, A T = A + B = [a ij + b ij ].

1. Liczby zespolone i

MATEMATYKA I SEMESTR ALK (PwZ) 1. Sumy i sumy podwójne : Σ i ΣΣ

Metody i analiza danych

Funkcje analityczne. Wykład 2. Płaszczyzna zespolona. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Wykład 4. Informatyka Stosowana. Magdalena Alama-Bućko. 25 marca Magdalena Alama-Bućko Wykład 4 25 marca / 25

D1. Algebra macierzy. D1.1. Definicje

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Wykład 12 i 13 Macierz w postaci kanonicznej Jordana , 0 A 2

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba godzin zajęć zorganizowanych w Uczelni ,5 1

A A A A A A A A A n n

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 3 Metody algebry liniowej I Wektory i macierze

Chcąc wyróżnić jedno z działań, piszemy np. (, ) i mówimy, że działanie wprowadza w STRUKTURĘ ALGEBRAICZNĄ lub, że (, ) jest SYSTEMEM ALGEBRAICZNYM.

Algebra z Geometrią Analityczną. { x + 2y = 5 x y = 9. 4x + 5y 3z = 9, 2x + 4y 3z = 1. { 2x + 3y + z = 5 4x + 5y 3z = 9 7 1,

Sylabus do programu kształcenia obowiązującego od roku akademickiego 2012/13

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba godzin zajęć zorganizowanych w Uczelni 30 30

Wielomiany podstawowe wiadomości

3. Wykład Układy równań liniowych.

Wartości i wektory własne

Dr Maciej Grzesiak, Instytut Matematyki

Zestaw 12- Macierz odwrotna, układy równań liniowych

Algebra liniowa i geometria analityczna. Autorzy: Agnieszka Kowalik Michał Góra

Wprowadzenie do Scilab: macierze

Przekształcenia całkowe. Wykład 1

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Rozdział 2. Liczby zespolone

1 Logika. 1. Udowodnij prawa logiczne: 3. (p q) (p q) 2. (p q) ( q p) 2. Sprawdź, czy wyrażenie ((p q) r) (p (q r)) jest tautologią.

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Zadania z algebry liniowej - sem. I Przestrzenie liniowe, bazy, rząd macierzy

Podstawowe struktury algebraiczne

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

OPIS MODUŁ KSZTAŁCENIA (SYLABUS)

Spis treści Wstęp Liczby zespolone Funkcje elementarne zmiennej zespolonej Wielomiany Macierze i wyznaczniki

Zaawansowane metody numeryczne

Treść wykładu. Układy równań i ich macierze. Rząd macierzy. Twierdzenie Kroneckera-Capellego.

Algebra liniowa II. Lista 1. 1 u w 0 1 v 0 0 1

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Zapisz za pomocą spójników logicznych i kwantyfikatorów: x jest większe niż 6 lub mniejsze niż 4

Wyk lad 5 W lasności wyznaczników. Macierz odwrotna

Algebra. macierzy brzegowych z zastosowaniami. Micha Kolupa Zbigniew Âleszyƒski

2.1. Postać algebraiczna liczb zespolonych Postać trygonometryczna liczb zespolonych... 26

Układy równań liniowych

Podstawy Automatyki ćwiczenia Cz.1. Środowisko Matlab

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Wyznaczniki. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 6. Wykład z algebry liniowej Warszawa, listopad 2013

1 Działania na macierzach

Z-0085z Algebra Liniowa Linear Algebra. Stacjonarne wszystkie Katedra Matematyki Dr Beata Maciejewska. Podstawowy Obowiązkowy Polski Semestr pierwszy

LICZBY ZESPOLONE. 1. Wiadomości ogólne. 2. Płaszczyzna zespolona. z nazywamy liczbę. z = a + bi (1) i = 1 lub i 2 = 1

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Algebra liniowa Linear algebra

Zaawansowane metody numeryczne

Projekt Informatyka przepustką do kariery współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Algebra liniowa z geometria

Algebra liniowa Linear algebra

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Technologie informatyczne

MATEMATYKA I SEMESTR ALK (PwZ) 1. Sumy i sumy podwójne : Σ i ΣΣ

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

= Zapiszemy poniższy układ w postaci macierzy. 8+$+ 2&=4 " 5 3$ 7&=0 5$+7&=4

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Transkrypt:

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI Katedra Inżynierii Systemów Sterowania PODSTAWY AUTOMATYKI MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach. Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych - część III - termin T1 Opracowanie: Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Michał Grochowski, dr inż. Robert Piotrowski, dr inż. Tomasz Rutkowski, dr inż. Rafał Łangowski, dr inż. Gdańsk

1. Macierze - podstawowe informacje Macierzą nazywamy funkcję dwóch zmiennych, która każdej parze liczb naturalnych przyporządkowuje dokładnie jeden element, który może być liczbą rzeczywistą lub zespoloną, operatorem (np. różniczkowania, całkowania) lub wielomianem. Ogólna postać macierzy dana jest wzorem: (1) Element nazywamy współczynnikiem macierzy; elementy nazywamy i-tym wierszem macierzy; elementy nazywamy j-tą kolumną macierzy. Wymiarami macierzy (1) nazywamy uporządkowaną parę liczby wierszy i kolumn i oznaczamy przez. Macierz, w której liczba wierszy jest różna od liczby kolumn nazywamy macierzą prostokątną. W przypadku, gdy liczba wierszy jest równa liczbie kolumn to mamy do czynienia z macierzą kwadratową. Macierz kwadratową, której wszystkie elementy leżące poza główną przekątną są równe zero nazywamy macierzą diagonalną: (2) Macierz diagonalna może być zapisana w następujący sposób: Szczególnym przypadkiem macierzy diagonalnej jest macierz skalarna, której elementy na głównej przekątnej mają tą samą wartość : (3) (4) Szczególnym przypadkiem macierzy skalarnej jest macierz jednostkowa, w której wszystkie elementy na głównej przekątnej są jednościami: (5) - 2 -

2. Podstawowe operacje na macierzach Niech macierze i są postaci: (6) Sumą (różnicą) macierzy i (macierze muszą być jednakowych wymiarów) nazywamy macierz, której elementy są sumą (różnicą) odpowiednich elementów macierzy dodawanych lub odejmowanych: Zadanie 1 Wyznaczyć sumę następujących macierzy: Dokonując obliczeń uzyskujemy: (7) (8) (9) Suma macierzy jest operacją łączną i przemienną: oraz istnieje macierz zerowa Iloczynem macierzy i nazywamy macierz równą:, która jest elementem neutralnym dodawania: (10) której elementy są określone zależnością: (11) Mnożenie macierzy przez macierz jest wykonalne wtedy i tylko wtedy, gdy liczba kolumn macierzy (mnożonej) jest równa liczbie wierszy macierzy (mnożnika). Dlatego też w ogólności mnożenie macierzy nie jest przemienne. - 3 -

Zadanie 2 Znaleźć iloczyn liczby p przez macierz : (12) Po obliczeniach otrzymujemy: (13) Zadanie 3 Wyznaczyć iloczyn następujących macierzy: (14) Dokonując obliczeń mamy: (15) Macierzą transponowaną (lub ) macierzy o wymiarach nazywamy macierz o wymiarach otrzymaną w wyniku zamiany wierszy na kolumny, czyli przez zastąpienie elementu macierzy elementem : (16) (17) Obowiązują następujące prawa: Wyznacznik macierzy kwadratowej oznaczamy jako (lub jako ) i obliczamy na podstawie następującego wzoru: rozwinięcie względem i-tego wiersza: (18a) - 4 -

lub rozwinięcie względem j-tej kolumny: (18b) gdzie jest wyznacznikiem macierzy powstałej przez wykreślenie i-tego wiersza i j-tej kolumny. W ogólnym przypadku obliczenie wyznacznika może odbywać się poprzez wykreślenie dowolnego wiersza i dowolnej kolumny. Zadanie 4 Obliczyć wyznacznik następujących macierzy: (19) Wyznacznik macierzy : Wyznacznik macierzy : Wyznacznik macierzy : Skreślając np. pierwszy wiersz i kolejno pierwszą, drugą, trzecią i czwartą kolumnę obliczamy poszczególne wyznaczniki: (20) (21) (22) Rozwijając macierz według elementów pierwszego wiersza mamy: (23) Macierz kwadratową nazywamy macierzą nieosobliwą (regularną) wtedy i tylko wtedy, gdy jej wyznacznik jest niezerowy. W przypadku, gdy wyznacznik macierzy jest równy zero to taką macierz kwadratową nazywamy macierzą osobliwą. - 5 -

Macierz dołączona macierzy kwadratowej jest to macierz powstała przez zastąpienie każdego elementu macierzy transponowanej odpowiadającym temu elementowi jego dopełnieniem algebraicznym opisanym wzorem: gdzie jest minorem macierzy tzn. wyznacznikiem macierzy powstałej przez wykreślenie z macierzy i-tego wiersza i j-tej kolumny. Minorem stopnia macierzy kwadratowej stopnia nazywamy wyznacznik macierzy powstałej z macierzy przez usunięcie i-tego wiersza oraz j-tej kolumny. Zadanie 5 Wyznaczyć macierz dołączoną następującej macierzy: (24) Dokonując obliczeń mamy: (25) (26) Macierzą odwrotną macierzy kwadratowej stopnia nazywamy macierz postaci: (27) UWAGA Przypadek szczególny, dla macierzy kwadratowej wymiaru 2 zachodzi: (28) - 6 -

Zadanie 6 Obliczyć macierz odwrotną dla następujących macierzy: (29) Dla macierzy mamy: (30) Dla macierzy uzyskujemy: (31) Rzędem macierzy nazywamy najwyższy stopień niezerowego minora tej macierzy. Jeżeli macierz wymiar rząd tej macierzy spełnia warunek: Zadanie 7 Znaleźć rząd następujących macierzy: ma (32) (33) Dla macierzy otrzymujemy: Dla macierzy mamy: (34) (35) Macierzą sprzężoną macierzy o wymiarach nazywamy macierz o wymiarach otrzymaną w wyniku zastąpienia elementu macierzy elementem, gdzie jest elementem sprzężonym względem. Algorytm wyznaczania macierzy sprzężonej jest następujący: 1. Wyznaczyć macierz transponowaną. 2. Zastąpić każdy element macierzy transponowanej elementem sprzężonym. (36) - 7 -

Zadanie 8 Wyznaczyć macierz sprzężoną dla następującej macierzy: (37) Krok 1 Wyznaczamy macierz transponowaną: (38) Krok 2 Zastępujemy każdy element tej macierzy elementem sprzężonym: (39) Wielomianem charakterystycznym macierzy kwadratowej stopnia nazywamy wielomian postaci: natomiast równanie: nazywamy równaniem charakterystycznym macierzy. Wartościami własnymi macierzy kwadratowej nazywamy pierwiastki jej równania charakterystycznego. Zbiór wartości własnych Podstawowe własności wartości własnych: nazywamy widmem tej macierzy. Jeżeli wszystkie współczynniki macierzy są rzeczywiste, to jej wartości własne są rzeczywiste lub zespolone parami sprzężone. Jeżeli są wartościami własnymi macierzy to są również wartościami własnymi macierzy. Jeżeli są wartościami własnymi macierzy (a macierz ta nie jest macierzą jednostkową) to są wartościami własnymi macierzy. Zadanie 9 Wyznaczyć wielomian charakterystyczny i wartości własne macierzy postaci: (40) (41) (42) - 8 -

Na podstawie zależności (40) wielomian charakterystyczny wynosi: (43) Zatem zgodnie z (41) obliczamy wartości własne: (44) ; Prawostronnym wektorem własnym należącym do wartości własnej macierzy kwadratowej stopnia nazywamy niezerowy n-wymiarowy wektor kolumnowy, który jest rozwiązaniem równania: Lewostronnym wektorem własnym należącym do wartości własnej macierzy kwadratowej stopnia nazywamy niezerowy n-wymiarowy wektor wierszowy, który jest rozwiązaniem równania: Prawostronne i lewostronne wektory własne nazywane są często po prostu wektorami własnymi. Twierdzenie 1: Każda niezerowa kolumna (wiersz) macierzy dołączonej jest prawostronnym (lewostronnym) wektorem własnym należącym do wartości własnej macierzy. 3. Liczby zespolone - podstawowe informacje Liczbą zespoloną nazywamy uporządkowaną parę, gdzie. Zbiór wszystkich liczb zespolonych określamy symbolem :. Jeżeli, to liczbę nazywamy częścią rzeczywistą liczby i oznaczamy:, natomiast liczbę nazywamy częścią urojoną liczby i oznaczamy:. Dwie liczby zespolone i są sobie równe, gdy: Liczbę nazywamy jednostką urojoną i oznaczmy lub, czyli ; jednostka urojona spełnia warunek:. (45) (46) (47) Każdą liczbę zespoloną można przedstawić w postaci: (48) zwanej postacią algebraiczną liczby zespolonej. - 9 -

Jeżeli i to ich sumę, różnicę oraz iloczyn uzyskujemy tak jak sumę, różnicę oraz iloczyn dwumianów, z uwzględnieniem tego, że. Zatem: (49) (50) (51) Jeżeli i to ich iloraz uzyskujemy: (52) Zadanie 10 Dla następujących liczb zespolonych: oraz, wyznaczyć: sumę, różnicę, iloczyn oraz iloraz. Na podstawie zależności (49) - (52) uzyskujemy: (53) (54) (55) (56) Sprzężeniem liczby zespolonej (albo liczbą sprzężoną) nazywamy liczbę:. Modułem liczby zespolonej jest liczba rzeczywista:. Argumentem liczby zespolonej nazywamy każdą liczbę taką, że:,. Argument liczby oznaczmy symbolem. Każde dwa argumenty liczby różnią się o parzystą krotność. Argumentem głównym liczby nazywamy ten z argumentów liczby, który należy do przedziału lub ; oznaczamy go symbolem. Każdą liczbę zespoloną można przedstawić w postaci: (57) gdzie: jest modułem, a jest argumentem liczby. Postać ta zwana jest postacią trygonometryczną liczby zespolonej. - 10 -

Zadanie 11 Przejdź z algebraicznej postaci liczby zespolonej: do jej postaci trygonometrycznej. Na podstawie zależności (57) uzyskujemy: (58) Jeżeli, to: (59) Wyrażenie: stanowi wzór de Moivre a. Zadanie 12 Oblicz: : Na podstawie zależności (58) postać trygonometryczna liczby jest następująca:. Wykorzystując (59) otrzymujemy: (60) Każdą liczbę zespoloną można przedstawić w postaci: gdzie: jest modułem, a jest argumentem liczby. Postać ta zwana jest postacią wykładniczą liczby zespolonej. Zadanie 12 (61) Przejdź z algebraicznej postaci liczby zespolonej: do jej postaci wykładniczej. Na podstawie zależności (61) uzyskujemy: - 11 -

(62) 4. Bibliografia Banaszak G., Gajda W. Elementy algebry liniowej. Część 1. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 2002. Tarnawski E. Matematyka. Część pierwsza. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1967. Trajdos-Wróbel T. Matematyka dla inżynierów. Kurs wyższy. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1965. - 12 -