Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Podobne dokumenty
Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Endomorfizmy liniowe

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2009

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 14. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2011

Zadania przygotowawcze, 3 kolokwium

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 14. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2017

Przekształcenia liniowe

Zastosowania wyznaczników

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

Układy liniowo niezależne

Działania na przekształceniach liniowych i macierzach

Iloczyn skalarny. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 10. wykład z algebry liniowej Warszawa, grudzień 2013

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

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

Zestaw zadań 14: Wektory i wartości własne. ) =

1 Formy hermitowskie. GAL (Informatyka) Wykład - formy hermitowskie. Paweł Bechler

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

A. Strojnowski - Twierdzenie Jordana 1

Wektory i wartości własne

Zadania egzaminacyjne

1 Podobieństwo macierzy

Wyk lad 11 Przekszta lcenia liniowe a macierze

Wektory i wartości własne

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn a 1j a 2j R i = , C j =

Postać Jordana macierzy

1. Zbadać liniową niezależność funkcji x, 1, x, x 2 w przestrzeni liniowej funkcji ciągłych na przedziale [ 1, ).

1 Zbiory i działania na zbiorach.

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

Algebra liniowa z geometrią

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

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

R n jako przestrzeń afiniczna

1 Macierze i wyznaczniki

Geometria Lista 0 Zadanie 1

Wartości i wektory własne

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

DB Algebra liniowa 1 semestr letni 2018

Jak łatwo zauważyć, zbiór form symetrycznych (podobnie antysymetrycznych) stanowi podprzestrzeń przestrzeni L(V, V, K). Oznaczamy ją Sym(V ).

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

Przestrzenie liniowe

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY. = λ c (*) problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej

Układy równań liniowych

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

Przestrzenie liniowe

Macierze. Dziaªania na macierzach. 1. Niech b d dane macierze , D = , C = , B = 4 12 A = , F = , G = , H = E = a) Obliczy A + B, 2A 3B,

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Układy równań liniowych

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

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Przekształcenia liniowe

Wykład 5. Ker(f) = {v V ; f(v) = 0}

Zaawansowane metody numeryczne

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Programowanie liniowe

Zadania z Algebry liniowej 3 semestr zimowy 2008/2009

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Rozwiązania zadań z listy T.Koźniewskiego

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

13 Układy równań liniowych

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Rozwiązania, seria 5.

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

1 Wartości własne oraz wektory własne macierzy

Lista. Przestrzenie liniowe. Zadanie 1 Sprawdź, czy (V, +, ) jest przestrzenią liniową nadr :

Własności wyznacznika

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

Wyk lad 10 Przestrzeń przekszta lceń liniowych

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

Prawdopodobieństwo i statystyka

Algebra Liniowa 2 (INF, TIN), MAP1152 Lista zadań

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

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

1 Działania na zbiorach

Układy równań i równania wyższych rzędów

Praca domowa - seria 6

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Numeryczne zagadnienie własne

Statystyka i eksploracja danych

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

z = x + i y := e i ϕ z. cos ϕ sin ϕ = sin ϕ cos ϕ

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Programowanie liniowe

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Procesy stochastyczne WYKŁAD 2-3. Łańcuchy Markowa. Łańcuchy Markowa to procesy "bez pamięci" w których czas i stany są zbiorami dyskretnymi.

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

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

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

2 Rachunek macierzowy, metoda eliminacji Gaussa-Jordana Wprowadzenie teoretyczne Zadania... 9

Wyk lad 4 Macierz odwrotna i twierdzenie Cramera

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

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

1 Elementy logiki i teorii mnogości

Transkrypt:

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania Mirosław Sobolewski Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW 9. wykład z algebry liniowej Warszawa, listopad 2012 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 1 / 14

Definicja Macierz A = [a ij M n n (R) nazywamy diagonalna jeśli dla każdej pary różnych indeksów i, j,(tzn. i j), a ij = 0, tzn. gdy A = a 11 0... 0 a nn Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 2 / 14

Definicja Macierz A = [a ij M n n (R) nazywamy diagonalna jeśli dla każdej pary różnych indeksów i, j,(tzn. i j), a ij = 0, tzn. gdy A = a 11 0... 0 a nn Przykład Macierze diagonalne 1 0 0 0 3 0 0 0 6, 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 2 / 14

Twierdzenie Niech ϕ : V V będzie endomorfizmem przestrzeni liniowej V, zaś A = v 1,..., v n niech będzie baza V. Wówczas M(ϕ) A jest diagonalna każdy wektor bazy A jest wektorem własnym endomorfizmu ϕ. Przy tym, jeśli A jest diagonalna to a ii jest wartościa własna odpowiadajac a v i, tzn., ϕ(v i ) = a ii v i. Dowód:Jeśli każdy wektor v i jest wektorem własnym to ϕ(v i ) = α i v i, gdzie α i oznacza wartość własna odpowiadajac a v i, czyli i-ta współrzędna wektora φ(v i ) w bazie A wynosi α i zaś pozostałe sa 0. Ale współrzędne te tworza i-ta kolumnę M(ϕ) A = M(ϕ) A A, wszystkie elementy tej kolumny poza i-tym = α i to 0. To zaś oznacza że M(ϕ) A jest diagonalna. Wynikanie przeciwne oczywiste. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 3 / 14

Przykład Niech endomorfizm ϕ : R 2 R 2, będzie określony przez ϕ((x 1, x 2 )) = (x 1 3x 2, x 1 + 5x 2 ). m(ϕ) st = [ 1 3 1 5 [ 1 λ 3, w ϕ = det 1 5 λ = (1 λ)(5 λ)+3 =, λ 2 6λ + 8 = (λ 2)(λ 4), skad wartości własne λ 1 = 2, λ 2 = 4. Wyznaczamy podprzestrzenie własne: V (2) : [ 1 3 1 3 [ x1 x 2 = [ 0 0 czyli V (2) = {( 3x 2, x 2 ) x 2 R} = lin(( 3, 1)) V (4) : [ 3 3 1 1 [ x1 x 2 = [ 0 0 czyli V (4) = {( x 2, x 2 ) x 2 R} = lin(( 1, 1)) x 1 = 3x 2, x 1 = x 2, Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 4 / 14

Przykład cd. Układ A = (( 3, 1), ( 1, 1)) jest baza R 2, M(ϕ) A = gdyż ϕ(( 3, 1)) = 2( 3, 1) + 0( 1, 1), ϕ(( 1, 1)) = 0( 3, 1) + 4( 1, 1) [ 2 0 0 4, Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 5 / 14

Przykład cd. Układ A = (( 3, 1), ( 1, 1)) jest baza R 2, M(ϕ) A = gdyż ϕ(( 3, 1)) = 2( 3, 1) + 0( 1, 1), ϕ(( 1, 1)) = 0( 3, 1) + 4( 1, 1) Twierdzenie [ 2 0 0 4 Niech α 1,..., α k oznacza k różnych wartości własnych endomorfizmu ϕ : V V przestrzeni liniowej V, zaś A 1,..., A k niech stanowia k takich liniowo niezależnych układów wektorów z V, że jeśli v należy do A i to ϕ(v) = α i v, dla i = 1,..., k. Wówczas układ A powstały z połaczenia układów A i w jeden jest liniowo niezależny., Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 5 / 14

Wniosek Niech V n-wymiarowa przestrzeń liniowa, ϕ : V V endomorfizm, α 1,..., α s R wszystkie (parami różne) wartości własne endomorfizmu ϕ. Wówczas: (i) Jeśli v 1..., v s V oraz dla i = 1,..., s zachodzi ϕ(v) = α i v to układ v 1,..., v s jest liniowo niezależny. (ii) dim V (α1 )+... + dim V (αs) dimv. (iii) dim V (α1 )+... + dim V (αs) =dimv istnieje baza przestrzeni V złożona z wektorów własnych endomorfizmu ϕ endomorfizm ϕ ma w pewnej bazie macierz diagonalna. Uwaga: Jako bazę w części (iii) powyższego twierdzenia wystarczy wziać układ powstały z połaczenia baz poszczególnych V (αi ). Przykład Niech endomorfizmϕ : R 3 R 3 będzie określony wzorem ϕ((x 1, x 2, x 3 )) = (2x 1 + x 2, 3x 2 + x 3, 2x 3 ). Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 6 / 14

Przykład (cd) M(ϕ) st = 2 1 0 0 3 1 0 0 2 w ϕ = det 2 λ 1 0 0 3 λ 1 0 0 2 λ = (2 λ)(3 λ)(2 λ) = (2 λ) 2 (3 λ). Wartości własne: 2,3. V (2) : 0 1 0 0 1 1 0 0 0 x 1 x 2 x 3 = V (2) = {(x 1, 0, 0) x 3 R} = lin((1, 0, 0)) V (3) : 1 1 0 0 0 1 0 0 1 x 1 x 2 x 3 = 0 0 0 0 0 0, x 2 = 0, x 3 = 0,, x 1 = x 2, x 3 = 0, V (3) = lin((1, 1, 0)). dimv (2) +dimv (3) = 1 + 1 = 2 3 =dim R 3. Zatem dla żadnej bazy A przestrzeni R 3 macierz M(ϕ) A nie jest diagonalna. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 7 / 14

Wniosek Niech V przestrzeń liniowa, dimv = n. Jeśli endomorfizm ϕ : V V ma n różnych wartości własnych to istnieje w V baza złożona z wektorów własnych ϕ. Definicja Mówimy, że macierz A M n n (R) jest diagonalizowalna, jeśli A jest podobna do macierzy diagonalnej należacej do M n n (R), tzn. jeśli istnieje taka macierz odwracalna C M n n (R), że macierz C 1 AC jest diagonalna. Twierdzenie Macierz A M n n (R) jest diagonalizowalna dla endomorfizmu ϕ : R n R n zadanego warunkiem M(ϕ) st = A istnieje baza przestrzeni R n złożona z wektorów własnych endomorfizmu ϕ. Ponadto, jeśli A jest taka baza to dla C = M(id) st A macierz C 1 AC jest diagonalna. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 8 / 14

Przykład 1. Macierz A = [ 1 3 1 5 jest diagonalizowalna. Endomorfizm ϕ((x 1, x 2 )) = (x 1 3x 2, x 1 + 5x 2 ) ma dwie wartości własne 2 oraz 4. Wyliczyliśmy V (2) = lin(( 3, 1)), V (4) = lin(( 1, 1)). Dla A = (( 3, 1), ( 1, 1)) przyjmujac C = M(id) st A mamy [ 2 0 D = = M(ϕ) 0 4 A = M(id) A stm(ϕ) st st M(id)st A = C 1 AC, zaś. C = [ 3 1 1 1 oraz C 1 = [ 1/2 1/2 1/2 3/2 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 9 / 14

Przykład 2. Macierz 2 1 0 0 3 1 0 0 2 nie jest diagonalizowalna, bo dla endomorfizmu ϕ : R 3 R 3, określonego przez ϕ((x 1, x 2, x 3 )) = (2x 1 + x 2, 3x 2 + x 3, 2x 3 ) nie ma bazy R 3 złożonej z wektorów własnych ϕ. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 10 / 14

Zastosowanie Niech A = [ 1 3 1 5 Podać wzór na A n. Stosujac oznaczenia przykładu 1. mamy A = CDC 1, A n = (CDC 1 ) n = CD n C 1 = [ 2 0 C 0 4 n C 1 = [ 3 1 1 1. [ 2 n 0 0 4 n [ 2 n 1 (3 2 n ) 3 2 n 1 (1 2 n ) 2 n 1 (2 n 1) 3 2 n 1 (2 n 1) [ 1/2 1/2 1/2 3/2 = Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 11 / 14

Twierdzenie Jeśli wielomian charakterystyczny w M macierzy M stopnia n ma n różnych pierwiastków to macierz M jest diagonalizowalna. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 12 / 14

Twierdzenie Jeśli wielomian charakterystyczny w M macierzy M stopnia n ma n różnych pierwiastków to macierz M jest diagonalizowalna. [ 1 0 Przykład macierzy wskazuje, że niekoniecznie na 0 1 odwrót. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 12 / 14

Twierdzenie Jeśli wielomian charakterystyczny w M macierzy M stopnia n ma n różnych pierwiastków to macierz M jest diagonalizowalna. [ 1 0 Przykład macierzy wskazuje, że niekoniecznie na 0 1 odwrót.uwaga: Macierz A = [a ij M n n (R)nazywamy macierza symetryczna, jeśli a ij = a ji czyli A = A. Twierdzenie Macierze symetryczne sa diagonalizowalne. Przykład Macierz 1 0 2 0 1 0 jest symetryczna, więc jest diagonalizowalna 2 0 4 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 12 / 14

Przykład [ [ 1 0 0 1 Macierze A = oraz B = nie sa podobne, gdyż 0 1 1 0 [ 1 0 maja różne wielomiany charakterystyczne. Macierze C = 0 2 [ 2 1 oraz D = sa podobne, gdyż sa diagonalizowalne i maja te 0 1 same[ wartości własne z[ tymi samymi krotnościami. Macierze 0 1 0 0 E = oraz F = maja te same wielomiany 0 0 0 0 charakterystyczne, a zatem te same wartości własne (z krotnościami), ale nie sa podobne. F jest diagonalizowalna, E nie. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 13 / 14

Przykład [ [ 1 0 0 1 Macierze A = oraz B = nie sa podobne, gdyż 0 1 1 0 [ 1 0 maja różne wielomiany charakterystyczne. Macierze C = 0 2 [ 2 1 oraz D = sa podobne, gdyż sa diagonalizowalne i maja te 0 1 same[ wartości własne z[ tymi samymi krotnościami. Macierze 0 1 0 0 E = oraz F = maja te same wielomiany 0 0 0 0 charakterystyczne, a zatem te same wartości własne (z krotnościami), ale nie sa podobne. F jest diagonalizowalna, E nie. Twierdzenie Jeśli macierze A i B sa podobne, i macierz A spełnia po podstawieniu za X równanie a n X n + a n 1 X n 1 + + a 1 X + a 0 I = 0, gdzie a n, a n 1,..., a 0 R, to B spełnia również to samo równanie po podstawieniu za X. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 13 / 14

Przykład [ 0 1 Macierza obrotu o kat π/2 w bazie standardowej jest M =. 1 0 Możemy sprawdzić, [ że spełnia ona równanie X 2 + I = 0. Natomiast 2/2 2/2 macierz N = (macierz obrotu o kat π/4) nie 2/2 2/2 spełnia tego równania. Macierze M i N nie sa więc podobne. Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa,listopad 2012 14 / 14