Macierze normalne. D : Dowolną macierz kwadratową można zapisać w postaci A = B + ic gdzie ( ) B = A + A B = A + A = ( A + A)

Podobne dokumenty
Wartości i wektory własne

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

Wykład Analiza jakościowa równań różniczkowych

Wektory i wartości własne

Wektory i wartości własne

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

Pierwiastki kwadratowe z liczby zespolonej

Zadania egzaminacyjne

25. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE PIERWSZEGO RZĘDU. y +y tgx=sinx

13 Układy równań liniowych

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

Funkcje wielu zmiennych

Lista nr 1 - Liczby zespolone

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 3

Macierze i Wyznaczniki

Własności wyznacznika

Formy kwadratowe. Rozdział 10

Równania różniczkowe cząstkowe

Równania różniczkowe cząstkowe

Przekształcanie równań stanu do postaci kanonicznej diagonalnej

1 Macierze i wyznaczniki

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 5

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

Rozwiązanie równań stanu dla układów liniowych - pola wektorowe

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

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

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Wstęp do komputerów kwantowych

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Równania różniczkowe

Liczby zespolone. Niech C = R 2. Zdefiniujmy dwa działania w C. Dodawanie + : C 2 C zdefiniowane jest przez

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Macierze. Układy równań.

12. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH. z = x + y jest R 2, natomiast jej

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

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

Układy równań i nierówności liniowych

Wektory. P. F. Góra. rok akademicki

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Twierdzenie spektralne

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

Zaawansowane metody numeryczne

Mechanika kwantowa - zadania 1 (2007/2008)

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

Programowanie nieliniowe optymalizacja funkcji wielu zmiennych

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Zmienne losowe typu ciągłego. Parametry zmiennych losowych. Izolda Gorgol wyciąg z prezentacji (wykład III)

Ekstrema funkcji dwóch zmiennych

Postać Jordana macierzy

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH - Metody dokładne

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

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

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

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

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Numeryczne zagadnienie własne

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

Zaawansowane metody numeryczne

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

Analiza numeryczna Lista nr 3 (ćwiczenia) x x 2 n x.

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

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

Układy równań liniowych

1 Grupa SU(3) i klasyfikacja cząstek

Układy równań liniowych

Układy równań i równania wyższych rzędów

Procesy stochastyczne

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Procesy stochastyczne

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

Całkowanie przez podstawianie i dwa zadania

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Metody dekompozycji macierzy stosowane w automatyce

spis treści 1 Zbiory i zdania... 5

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Przestrzenie wektorowe

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

3. Wykład Układy równań liniowych.

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Równania różnicowe. Dodatkowo umawiamy się, że powyższy iloczyn po pustym zbiorze indeksów, czyli na przykład 0

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

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Zaawansowane metody numeryczne

A A A A A A A A A n n

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

2. CHARAKTERYSTYKI GEOMETRYCZNE FIGUR PŁASKICH

Algebra liniowa z geometrią

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

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

Wstęp do algebry Zajęcianr 6

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

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

Transkrypt:

Macierze normalne Twierdzenie: Macierz można zdiagonalizować za pomocą unitarnej transformacji podobieństwa wted i tlko wted gd jest normalna (AA A A). ( ) D : Dowolną macierz kwadratową można zapisać w postaci A B + ic gdzie ( ) ( ) B A + A B A + A ( A + A) B ( ) ( ) C A- A C - A- A ( A - A) C i i i BC ( A - AA + A A- A ) 4i jesli AA A A to BC CB CB ( A - A A+ AA - A ) 4i Ponieważ macierze B i C komutują, więc mogą bć jednocześnie zdiagonalizowane, czli - - - musi też bć macierzą diagonalną. U AU U BU + iu CU - - - - - - D : - - - U AU D U AU U A U D D * * U AA U U AU U A U DD AA A A * U A AU U A U U AU D D M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-

Diagonalizacja macierz - podsumowanie Zarówno hermitowskie (rz. smetrczne) jak i unitarne (rz. ortogonalne) macierze można zdiagonalizować za pomocą unitarnej transformacji podobieństwa. wartości własne macierz hermitowskiej są zawsze rzeczwiste (właśnie dlatego w mechanice kwantowej obserwable są zawsze stowarzszone z wartościami własnmi operatorów hermitowskich) wektor własne macierz hermitowskiej mogą bć zespolone dlatego unitarna macierz diagonalizująca jest w ogólności zespolona. macierz rz. smetrczna jest macierzą hermitowską, a więc jej wartości własne są rzeczwiste. Ponieważ wartości własne i sama macierz są rzeczwiste, więc wektor własne można wbrać jako rzeczwiste, a w konsekwencji macierz diagonalizująca jest rzeczwistą macierzą ortogonalną. macierze unitarne i rz. ortogonalne można zdiagonalizować prz pomoc macierz unitarnej. Ponieważ wartości własne i wektor własne są w ogólności zespolone, więc również macierz diagonalizująca jest macierzą unitarną a nie ortogonalną. (np. macierz obrotu jest rzeczwistą macierzą ortogonalną, jednak w ogólności może bć zdiagonalizowana przez zespoloną macierz unitarną) Uwaga: Nie wszstkie macierze kwadratowe można zdiagonalizować, ale wszstkie macierze kwadratowe można sprowadzić do postaci trójkątnej. M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-3

Ruch cząstki naładowanej Przkład: Ruch cząstki naładowanej w stałm polu magnetcznm skierowanm wzdłuż osi z tzn. B Be z ruch jednostajn Równanie ruchu ma postać: ex e ez dv dv dv x qb qb dv z m qv B q v x v vz v v x dt dt m dt m dt B Rozwiążem układ dwóch pierwszch równań: d v x qb v x i v x i dt v ω m v i v i Diagonalizujem macierz A i det( A I) i λ λ λ i λ λ λ Znajdujem wektor własne i konstruujem macierz diagonalizującą: ω u i oraz u i U i i U ( i ) i M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-4 qb m -

Ruch cząstki naładowanej Zdiagonalizowana macierz ma postać: ω U - AU i i i i i i Równania ruchu przjmują postać d v x d - v x - i - v x v x U i ω U UU i ω dt v dt v i v v dv dv x czli i ω v x i ω v dt dt którch rozwiązaniami są v exp exp x v x i ω t v v i ω t v x - v x i v x iv x + v U v v i v iv x v + v exp exp x v x i i v x iv x i ω t + iv i ω t U v v v v exp exp x i t v i t ω + ω ( ) ( ω ) + ( + ) ( ω ) ( iv ) exp exp x + v i ω t + iv x + v i ω t v x iv exp iω t + v x + iv exp iωt v x cos ω t + v sin ω t v x sin ω t + v cos ω t M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-5 qb m

Form kwadratowe Definicja: Rzeczwistą formą kwadratową w zmiennch x, x,, x n nazwam jednorodn wielomian stopnia drugiego o rzeczwistch współcznnikach a ij i rzeczwistch x ( x ) T, x,..., xn n T ( x) x Ax a x x zmiennch postaci f i, j ij i j a x + a x +... + a x + a x x + a x x +... + a x x nn n 3 3 n n n n M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-6 Math Plaer Uwaga: Macierz współcznników A można zawsze uważać za smetrczną, ponieważ dla dowolnej macierz C mam: ale c ( c + c ) + ( c c ) a + b gdzie a a oraz b b ij ij ji ij ji ij ij ij ji ij ji n n n n b x x b x x b x x b x x ij i j ji i j ji j i ij i j i, j i, j i, j i, j Przkład: Zapisz formę kwadratową w postaci macierzowej. ( f x) 3 x x + 4 x + x x + 3 x x x x 3 3 3 ( / / T x) 3 3 x f x Ax ( x x x3) / x / x 3 4 3

Diagonalizacja form kwadratowej Definicja: Postacią kanoniczną form kwadratowej nazwam postać w której wstępują jednie wraz kwadratowe w poszczególnch zmiennch. Twierdzenie: Niech A będzie smetrczną macierzą stopnia n o wartościach własnch λ, λ,, λ n, oraz niech Q będzie macierzą ortogonalną diagonalizującą macierz A poprzez transformację podobieństwa Q T AQD. Stosując zmianę zmiennch x Q T f ( x) x A x n f ( x ) a x x λ +λ +... +λ przekształcam formę kwadratową do postaci kanonicznej i, j Dowód: T ij i j n n f T T T T x x Ax Q AQ Q AQ D λ +λ +... +λ n n Twierdzenie: Rząd form kwadratowej (czli rząd określającej ją macierz) nie ulega zmianie prz transformacji za pomocą nieosobliwej macierz Q. Definicja: Ogólną (zespoloną) formą kwadratową w zmiennch z, z,, z n nazwam z,,..., n ( z z z ) jednorodn wielomian stopnia drugiego o zespolonch współcznnikach a ij i zespolonch zmiennch postaci n ( z) z Az M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-7 f i, j * ij i j a z z

Krzwe stożkowe przkład: elipsa Przkład: Przekształcając formę kwadratową do postaci kanonicznej określ jaką krzwą stożkową przedstawia równanie 9 x 4 x + 6 5 x 4 6 5 Część kwadratową powższego równania można zapisać jako: 9 x 9 x 4 x + 6 9 x x x + 6 ( x ) 6 Wartości własne macierz współcznników: 9 λ 6 λ 54 5 λ+λ 4 λ 5 λ+ 5 λ 5 i λ odpowiadające im wektor własne: ( 4 )( x ) x λ : 5 v x 5 : x v x λ 4 x 5 Diagonalizujem formę kwadratową: T U U AU 9 5 5 5 6 M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-8 Math Plaer

Krzwe stożkowe przkład: elipsa Diagonalizaja macierz współcznników prz wrazach kwadratowch, jest równoważna zmianie zmiennch: x x x x x U 5 5 x + 5 A więc wjściowe równanie może bć przepisane w postaci: x U AU ( x ) ( x ) lub po uproszczeniu T x 5 4 5 + 5 5 5 ( x ) 5 x + x 5 x + x 3 + 4 ( x, ) 4 v v Jest to równanie elips o środku w punkcie oraz osiach i Oś główna elips jest skierowana wzdłuż wektora a krótsza wzdłuż wektora. Oznacza to, że oś główna orginalnej elips tworz kąt θ z osią poziomą układu współrzędnch, któr jest równ: v ( cos ) ( ) arccos sin θ θ θ 5 5 M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-9

Funkcje macierz Każda macierz A może bć pomnożona przez siebie dowolną liczbę raz: A AA... A A A A n n m n+ m raz Dobrze zdefiniowana jest również odwrotność macierz a więc również logiczne są definicje: Wkorzstując te definicje możem zdefiniować funkcje wielomianowe macierz poprzez dokładną analogię z funkcjami zmiennej skalarnej. Przkład: f ( x) x + 5 x + 4 ( x + )( x + 4) n - - A A AA I - - -n - A A AA I oraz A A n f + + + + f A 3 A A + 5A + 4I + 5 + 4 9 3 3 8 3 A A + I A I + 4 + + 4 9 Przkład: f 3 3 8 3 A A A A I - A - I - 3 3 6 M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-

Funkcje macierz Dsponując macierzą kwadratową A, zastanówm się jak należ zdefiniować funkcje macierz np. e A, sina, lna, a? a sin a sin a Cz ma sens definicja: sin A sin a a sin a sin a Nie ma, ponieważ oczekujem, że funkcje macierz powinn spełniać podobne związki jak funkcje zmiennch skalarnch, czli np. sin A+cos A I dla wszstkich macierz A. Do definicji funkcji macierz można wkorzstać rozwinięcie funkcji w nieskończon szereg Maclaurin a: n f ( z) anz n Jeśli taki szereg jest zbieżn dla z < R to również szereg macierzow a A n n jest zbieżn jeśli wszstkie wartości własne A spełniają warunek λ. n i < R Definicja (funkcji macierz): f ( A) a A n n n Przkład: k 3 k 3 z z z z A A A A e + z + + +... e I + A + + +... k!! 3! k!! 3! k k M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-

Funkcje macierz Jeśli A jest macierzą diagonalizowalną wówczas mam Przkład: A SDS S diag λ,..., λ n S - - k k k k k A SDS SDS SDS...... SDS SD S S diag λ,..., λ n S Niech A 5 5 u - - - - - - k raz k k - k A A SD S D λ λ n e S S S diag( e,...,e ) S k k! k k! k k! ( ) u λ 5 5 λ - - λ λ 4 λ 6 i λ 4 Znajdujem wektor własne i konstruujem macierz diagonalizującą a więc ( ) S S - 6 6 6 4 6 4 A e S e S e e e e e - + 4 e 4 e 6 4 6 4 e e e + e M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-

Funkcje macierz Ideę tę można uogólnić na dowolną funkcję f(z) określona na wartościach własnch λ i diagonalizowalnej macierz ASDS - wprowadzając definicję f ( D) diag f ( λ ),..., f ( λ n) ( λ ) ( λ ) Przkład: Rozwiąż równanie macierzowe ( n ) f A Sf D S S diag f,..., f S - - 4 3 A 4A + 4I 5 6 Najpierw zdiagonalizujem macierz znajdującą się po prawej stronie równania: 4 λ 3 5 6 λ λ λ+ 9 λ i λ 9 Znajdujem wektor własne i konstruujem macierz diagonalizującą u u 3 S S ( 3 5 3 ) 5-5 8 Po zdiagonalizowaniu macierz prawa strona równania staje się równa D S - 4 3 S 5 6 9 M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-3 Math Plaer

Funkcje macierz Lewa strona równania musi bć również diagonalna, a więc: - - S A 4A + 4I S S S 5 6 9 - S AS x x -( ) x 4 x + 4 S A 4A + 4I S x x 9 4 + 4 która jest równoważna układowi równań: 4 3 Załóżm, że wted równanie przjmuje postać x 4 x + 4 x 4 x + 4 9 Możliwe są następujące kombinacje: x, 3 x 5, ( ),, 3, 3 Λ Λ Λ 3 Λ 4 5 5 W konsekwencji wjściowe równanie ma więc czter rozwiązania: M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-4 ( 5 3) ( 3) ( 5 3 ) ( 3 3) - A S Λ S, A, A 3, A4 5 7 4 5 4 5 7 5

Macierz nilpotentna Przkład: Dana jest macierz A. Znajdź e A. 6 3 6 A 3 3 A, A 3, A n dla n > 3 4 / A 3 e I A A A... / + + + + 3! 3! Definicja: Macierz kwadratową A stopnia n nazwam nilpotentną, jeżeli istnieje taka liczba naturalna m >, że A m ( jest tutaj macierzą zerową). Przkład: Przkładem macierz nilpotentnej jest macierz a a a ściśle trójkątna, tzn. mająca zera na diagonali i poniżej: a a Twierdzenie: Dla macierz nilpotentnej A zachodzi: det A oraz Tr A. m m Dowód: Ax λ x A x λ x Ponieważ A m m oraz x więc λ λ A więc Tr A λ +λ +... +λ n det A λ λ... λ n 3 n n an, n M. Przbcień Matematczne Metod Fizki I Wkład 3-5