Postać Jordana macierzy

Podobne dokumenty
Macierze. Rozdział Działania na macierzach

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

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

Postać Jordana macierzy

1 Podobieństwo macierzy

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

Wektory i wartości własne

Formy kwadratowe. Rozdział 10

Wektory i wartości własne

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

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

1 Macierze i wyznaczniki

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

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

R k v = 0}. k N. V 0 = ker R k 0

Własności wyznacznika

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

MACIERZE I WYZNACZNIKI

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

Zadania egzaminacyjne

Przekształcanie równań stanu do postaci kanonicznej diagonalnej

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

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

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

Zaawansowane metody numeryczne

Prawdopodobieństwo i statystyka

Przekształcenia liniowe

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

Układy równań liniowych

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

1 Zbiory i działania na zbiorach.

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

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

Zaawansowane metody numeryczne

13 Układy równań liniowych

10. Metody obliczeniowe najmniejszych kwadratów

Układy równań i równania wyższych rzędów

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

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

5 Wyznaczniki. 5.1 Definicja i podstawowe własności. MIMUW 5. Wyznaczniki 25

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Przestrzenie wektorowe

Statystyka i eksploracja danych

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Numeryczne zagadnienie własne

1 Grupa SU(3) i klasyfikacja cząstek

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Macierze i Wyznaczniki

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

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

O MACIERZACH I UKŁADACH RÓWNAŃ

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

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

Wykład z równań różnicowych

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 3.

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Zestaw zadań 14: Wektory i wartości własne. ) =

Zestaw 12- Macierz odwrotna, układy równań liniowych

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

2. Układy równań liniowych

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

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

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

4 Przekształcenia liniowe

Praca domowa - seria 6

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

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

11 Przykładów Rozkładu Macierzy Na Postać Jordana

Zadania przygotowawcze, 3 kolokwium

Algebra liniowa z geometrią

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

Układy równań i nierówności liniowych

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

Algebra. macierzy brzegowych z zastosowaniami. Micha Kolupa Zbigniew Âleszyƒski

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

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

0 + 0 = 0, = 1, = 1, = 0.

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Rozwiązywanie układów równań liniowych

Macierze - obliczanie wyznacznika macierzy z użyciem permutacji

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

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

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

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Wielomiany podstawowe wiadomości

Rozwiązaniem jest zbiór (, ] (5, )

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

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

1 Wartości własne oraz wektory własne macierzy

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

Wstęp do metod numerycznych 5. Numeryczne zagadnienie własne. P. F. Góra

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Wykład 7 Macierze i wyznaczniki

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Transkrypt:

Rozdział 8 Postać Jordana macierzy Niech F = R lub F = C Macierz J r λ) F r r postaci λ 1 0 0 0 λ 1 J r λ) = 0 λ 1 0 0 λ gdzie λ F nazywamy klatką Jordana stopnia r Oczywiście J 1 λ) = [λ Definicja 81 Macierz blokową J F n n postaci J n1 λ 1 ) J n2 λ 2 ) J = Jnk λk) gdzie n 1 + + n k = n λ 1 λ k F oraz wszystkie niewypisane elementy macierzy J są zerami nazywamy macierzą Jordana Skalary λ 1 λ k tworzące przekątną macierzy J są jej wartościami własnymi Zauważmy również że każda macierz diagonalna jest macierzą Jordana; wymiar każdej klatki Jordana J ni tworzącej przekątną tej macierzy jest równy jeden tj J ni = [λ i Oznacza to że każda macierz diagonalizowalna jest podobna do pewnej macierzy Jordana zob podrozdział 73) Prawdziwe jest również dużo ogólniejsze 54

Twierdzenie 81 Niech A C n n będzie dowolną macierzą Istnieje wówczas macierz nieosobliwa P C n n taka że J n1 λ 1 ) P 1 J n2 λ 2 ) AP = J = 81) Jnk λk) oraz n 1 + + n k = n Macierz Jordana J macierzy A jest wyznaczona w sposób jednoznaczny z dokładnością do kolejności klatek Jordana które tworzą przekątną macierzy J Ponadto jeżeli macierz A R n n ma tylko rzeczywiste wartości własne to macierz P ustalająca podobieństwo A oraz J również może być wybrana jako macierz o elementach rzeczywistych Wyznaczenie dla danej macierzy jej macierzy Jordana na ogół nie jest łatwym zadaniem Przykład 81 Niech A ε = [ ε 0 1 0 dla ε 0 Ponieważ σ A ε ) = {0 ε} zatem macierz A ε jest diagonalizowalna wykazać że [ [ [ 1 0 ε 0 ε A ε = = S 1 1 0 ε 1 1 ε J ε Sε 1 Oznacza to że macierz J ε = [ 0 ε Łatwo jest macierzą Jordana macierzy A ε dla dowolnego ε 0 Jednak jeżeli ε 0 to J ε [0 2 2 podczas gdy macierzą Jordana macierzy A 0 jest macierz J = [ Uwaga J wyznaczona dla macierzy A nie musi być funkcją ciągłą elementów macierzy A Oznacza to trudności z konstrukcją numerycznie akceptowalnego algorytmu wyznaczania dla zadanej macierzy A odpowiadającej jej macierzy Jordana 811 Własności macierzy Jordana Niech A F n n będzie dowolną macierzą a J F n n jej macierzą Jordana Własność 1 Liczba klatek Jordana tworzących macierz J jest równa liczbie liniowo niezależnych wektorów własnych macierzy A Własność 2 Liczba klatek Jordana odpowiadających wartości własnej λ jest równa liczbie liniowo niezależnych wektorów własnych odpowiadających tej wartości własnej czyli wymiarowi przestrzeni własnej macierzy A odpowiadającej wartości własnej λ) Suma stopni wszystkich tych klatek równa jest krotności wartości własnej λ jako pierwiastka wielomianu charakterystycznego macierzy A 55

Przykład 82 Rozważmy macierz A R 3 3 postaci 2 1 0 A = 0 2 0 1 1 1 Ponieważ φ A λ) = det A λi) = λ 1) λ 2) 2 zatem macierz ma dwie wartości własne: λ 1 = 1 λ 2 = 2 Wyznaczmy wymiary przestrzeni własnych odpowiadających tym wartościom własnym Mamy: dim V λ1 = dim {ker A I)} = 3 dim {Im A I)} 1 1 0 = 3 rank 0 = 1 1 1 0 dim V λ2 = dim {ker A 2I)} = 3 dim {Im A 2I)} 0 = 3 rank 0 = 1 1 1 1 Na podstawie własności 1 macierz Jordana macierzy A składa się z dwóch klatek Jordana możemy wybrać tylko dwa liniowo niezależne wektory własne) Na podstawie własności 2 wartości własnej λ 1 = 1 odpowiada jedna klatka Jordana stopnia 1 wartości własnej λ 2 = 2 musi więc odpowiadać jedna klatka Jordana stopnia 2 Macierz Jordana macierzy A ma więc postać 1 J = 0 2 1 2 Przykład 83 Rozważmy macierz J R 8 8 postaci 2 1 0 0 2 1 2 2 1 J = 0 2 3 1 0 3 3 w której wszystkie niewypisane elementy są zerami Macierz J jest macierzą Jordana Posiada ona dwie wartości własne: λ 1 = 2 λ 2 = 3 Z własności 2 wynika że dla każdej z nich można wybrać tylko pod dwa liniowo niezależne wektory własne Powyższy przykład pokazuje że w celu wyznaczenia macierzy Jordana dowolnej macierzy A F n n o znanych wartościach własnych λ 1 λ k musimy umieć znajdować liczbę N m λ) klatek Jordana stopnia m 1 m n) odpowiadających wartości własnej λ macierzy A Aby wyznaczyć tę liczbę zdefiniujmy ciąg r k λ): r k λ) = rank A λi) k) k N 82) 56

Oczywiście r 0 λ) = rank I = n Zauważmy ponadto że dla dowolnego k N: ker A λi) k) ker A λi) k+1) 83) Dzieje się tak gdyż dla x ker A λi) k) : ) A λi) k+1 x = A λi) A λi) k x = A λi) 0 = 0 skąd wynika że x ker A λi) k+1) Z warunku 83) wynika natychmiast że dim ker A λi) k) dim ker A λi) k+1) ; tym samym r k λ) = rank A λi) k) = n dim ker A λi) k) n dim ker A λi) k+1) = rank A λi) k+1) = r k+1 λ) Ciąg r k λ) określony wzorem 82) jest więc ciągiem nierosnącym Oznacza to że od pewnego miejsca ciąg r k λ) musi się stabilizować tzn staje się ciągiem stałym) Własność 3 Liczba N m λ) klatek Jordana stopnia m 1 odpowiadających wartości własnej λ jest równa: N m λ) = r m 1 λ) 2r m λ) + r m+1 λ) 84) Aby zilustrować powyższą własność rozważmy następujący przykład Przykład 84 Niech J R 8 8 będzie macierzą z przykładu 83 wartości własne: λ 1 = 2 λ 2 = 3 Ponieważ Macierz J ma dwie 57

dla λ 1 = 2: J 2I = J 2I) 2 = J 2I) 3 = 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 2 1 3 1 1 1 zatem r 0 2) = 8 r 1 2) = 6 r 2 2) = 4 oraz r k 2) = 3 dla k 3 Tym samym: N 1 2) = 8 12 + 4 = 0 N 2 2) = 6 8 + 3 = 1 N 3 2) = 4 6 + 3 = 1 N k 2) = 0 dla k 4 Oznacza to że wartości własnej λ 1 stopnia 2 i jedna stopnia 3 = 2 odpowiadają dwie klatki Jordana: jedna 58

82 Rzeczywista macierz Jordana* dla λ 2 = 3: J 3I = J 3I) 2 = 1 1 0 0 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 0 1 1 2 0 0 zatem r 0 3) = 8 r 1 3) = 6 oraz r k 3) = 5 dla k 2 Tym samym: N 1 3) = 8 12 + 5 = 1 N 2 3) = 6 10 + 5 = 1 N k 3) = 0 dla k 3 Wartości własnej λ 2 = 3 odpowiadają więc dwie klatki Jordana: jedna stopnia 1 i jedna stopnia 2 Postać macierzy J potwierdza uzyskane wyniki Pewną niedogodnością faktoryzacji tj rozkładu) Jordana A = PJP 1 jest to że w przypadku macierzy rzeczywistej posiadającej nierzeczywiste wartości własne jej macierz Jordana jest macierzą nierzeczywistą W wielu zagadnieniach praktycznych oznacza to konieczność poszukiwania innego rozkładu macierzy nie tak prostego jak rozkład Jordana ale prowadzącego do macierzy rzeczywistych 82 Rzeczywista macierz Jordana* Niech A R n n oraz niech λ i λ będzie parą nierzeczywistych sprzężonych wartości własnych macierzy A Ponieważ dla dowolnego k N zgodnie z 82) r k λ) = rank A λi) k = rank A λi ) k = rk λ ) zatem liczba N m λ) klatek Jordana stopnia m odpowiadających wartości własnej λ jest równa liczbie N m λ ) klatek Jordana stopnia m odpowiadających wartości własnej λ ) Oznacza to że klatki Jordana J m λ) oraz J m λ tworzące przekątną macierzy Jordana muszą występować parami Łatwo wykazać że macierz [ Jm λ) 0 ) C 2m 2m 0 J m λ 59

82 Rzeczywista macierz Jordana* jest podobna do macierzy D λ) I 2 0 D λ) I2 0 D λ) C2m 2m 85) [ λ 0 gdzie D λ) = oraz I 0 λ 2 to macierz jednostkowa stopnia 2; macierzą P ustalającą to podobieństwo jest stosownie wybrana macierz permutacji Przykład 85 Rozważmy macierz [ J2 λ) 0 0 J 2 λ ) = λ 1 0 λ λ 1 0 λ Niech I n ij) będzie macierzą powstałą z macierz jednostkowej I n przez zamianę miejscami kolumn o indeksach i oraz j Jest to tzw macierz permutacji pomnożenie dowolnej macierzy przez macierz I n ij) z prawej z lewej) strony powoduje zamianę miejscami ko- lumn wierszy) o indeksach i oraz j Wynika stąd że przypadku mamy I 23) 4 ) [ 1 J2 λ) 0 ) 0 J 2 λ I 23) 4 = = 1 0 1 0 λ 0 0 λ λ 0 0 λ I ij) n ) 1 ij) = I W rozważanym λ 1 0 λ λ 1 0 λ Wracając do rozważań zauważmy że dla macierzy S postaci S = [ i i 1 1 n 1 0 1 0 dla której przyjmując λ = a + ib mamy SD λ) S 1 = SD a + ib) S 1 = 1 2 [ a b = b a S 1 = 1 [ i 1 2 i 1 [ i i 1 1 [ a + ib 0 0 a ib [ i 1 i 1 60

82 Rzeczywista macierz Jordana* [ a b Przyjmując oznaczenie C a b) = łatwo stwierdzić że macierz 85) jest b a podobna do macierzy rzeczywistej C a b) I 2 0 C m a b) = C a b) I2 C2m 2m ; 86) 0 C a b) macierzą ustalającą to podobieństwo jest macierz blokowa diag S S) Otrzymane wyniki podsumujemy w następującym twierdzeniu Twierdzenie 82 Dowolna macierz rzeczywista A R n n jest podobna do macierzy rzeczywistej J n1 λ 1 ) Jnk J real = λk) C m1 a 1 b 1 ) 87) Cml al bl) w której λ 1 λ k to rzeczywiste a a 1 + ib 1 a l + ib l nierzeczywiste wartości własne macierzy A; rzeczywiste macierze blokowe J ni λ i ) to klatki Jordana macierzy A występujące w jej postaci Jordana bloki C mi a i b i ) stopnia 2m i są postaci 86); n 1 + + n k + 2 m 1 + + m l ) = n Przykład 86 Niech A R 5 5 będzie macierzą dla której σ A) = {1 1 ± i} i taką że N 1 1 + i) = N 1 1 i) = 2 Z rozważań poprzedzających twierdzenie wynika że jeżeli λ jest nierzeczywistą wartością własną macierzy A to liczba N m λ) równa jest liczbie macierzy postaci 85) stopnia 2m tworzących rzeczywistą macierz Jordana J real macierzy A Tym samym w rozważanym przypadku macierze Jordana J oraz J real mają postać J = 1 + i 0 1 + i i 0 1 i J real = 1 1 0 1 1 1 0 1 1 Przypuśćmy teraz że dla macierzy A R 5 5 dla której σ A) = {1 1 ± i} mamy N 2 1 + i) = N 2 1 i) = 1 W tym przypadku macierze Jordana J oraz J real mają postać 1 1 + i 1 J = 1 + i i 1 J 1 1 0 real = 0 1 1 1 1 i 0 1 1 61