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

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

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Numeryczne zagadnienie własne

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Zaawansowane metody numeryczne

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

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

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

Algebra liniowa z geometrią

Wartości i wektory własne

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Wektory i wartości własne

Mechanika kwantowa - zadania 1 (2007/2008)

1 Macierze i wyznaczniki

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

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

13 Układy równań 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

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

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

Wektory i wartości własne

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

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

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Postać Jordana macierzy

Własności wyznacznika

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

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

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

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

D1. Algebra macierzy. D1.1. Definicje

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

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

Macierze i Wyznaczniki

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

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

Układy równań i równania wyższych rzędów

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

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

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Wstęp do metod numerycznych Faktoryzacja QR i SVD. P. F. Góra

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

3. Wykład Układy równań liniowych.

O MACIERZACH I UKŁADACH RÓWNAŃ

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

Lista nr 1 - Liczby zespolone

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

MACIERZE I WYZNACZNIKI

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

Zadania egzaminacyjne

Wyznaczanie wartości i wektorów własnych macierzy (problem własny)

A A A A A A A A A n n

Wykład 6. Metoda eliminacji Gaussa: Eliminacja z wyborem częściowym Eliminacja z wyborem pełnym

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

Macierze. Układy równań.

Przekształcenia liniowe

Algebra liniowa. 1. Macierze.

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

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

1 Podobieństwo macierzy

Rozwiązywanie układów równań liniowych

Układy równań nieliniowych (wielowymiarowa metoda Newtona-Raphsona) f(x) = 0, gdzie. dla n=2 np.

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Zadania z algebry liniowej Iloczyn skalarny, przestrzenie euklidesowe

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

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

Zaawansowane metody numeryczne

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

1 Relacje i odwzorowania

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 3.

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

Rozwiązywanie równań nieliniowych

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

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

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

Rozwiązywanie algebraicznych układów równań liniowych metodami iteracyjnymi

2. Układy równań liniowych

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Układy równań liniowych

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

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

1 Układy równań liniowych

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykłady 6 i 7 Rozwiązywanie układów równań liniowych. Karol Tarnowski A-1 p.

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

Geometria Lista 0 Zadanie 1

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

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

Metody numeryczne. Janusz Szwabiński. Metody numeryczne I (C) 2004 Janusz Szwabiński p.1/50

Rozwiązywanie układów równań liniowych metody przybliżone Materiały pomocnicze do ćwiczeń z metod numerycznych

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

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

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Informacja o przestrzeniach Hilberta

Transformaty. Kodowanie transformujace

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

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

Transkrypt:

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY Ac λ c (*) ( A λi) c nietrywialne rozwiązanie gdy det A λi problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej A - macierzowa reprezentacja operatora { ϕ } w skończonej ortonormalnej bazie funkcyjnej i A * A ij i j < i A j > ϕ ( τ ) A ϕ ( τ ) dτ metoda wariacyjna Ritza rachunek zaburzeń dla stanów zdegenerowanych

c c c.. c n wektor współczynników rozwinięcia Ψ n c i ϕ i i mechanika kwantowa: hermitowskie (symetryczne) operatory mierzalnych wielkości fizycznych; głównie macierze symetryczne podstawowe definicje i twierdzenia algebry macierzowej (przypomnienie): def. Macierze A i B ( nxn ) są podobne gdy istnieje nieosobliwa macierz S ( det S ) taka, że AS - BS def. Jeśli S - S T to S jest ortogonalna (unitarna) Tw. Macierze podobne mają te same wartości własne; Acλc, Bxλx i xsc

Tw. Jeśli A jest macierzą symetryczną to istnieje ortogonalna macierz S taka, że DS T AS gdzie D jest macierzą diagonalną. problem (*) sprowadza się do znalezienia transformacji diagonalizującej A Metody iteracyjne Transformacja Jacobiego. przypadek n wybierzmy S w postaci: cosv S sin v sin v cosv istotnie S T S Jakie powinno być ν, żeby cosv sin v sin v cosv p r r cosv q sin v sin v cosv λ λ

z żądania w pozadiagonalnym elemencie p cosvsin v + r cos v r sin v qsin vcosv tg( v) dla pq v π/ v π/4 r q p. n>...................... cos v.. sin v.. S k................ sin v.. cos v...................... i-ta j-ta kolumna kolumna S k T AS k - eliminuje elementy { j,i } oraz { i,j } dodatkowo: zmianie ulegają tylko wiersze {i}, {j} oraz kolumny {i}, {j}

nie potrzeba mnożyć trzech macierzy, z których dwie zawierają prawie same zera... wystarczy wyprowadzić wyrażenia na zmienione elementy w tych wierszach i kolumnach... iteracyjnie usuwamy elementy pozadiagonalne tworząc ciąg transformacji S k T S k- T... S T S T A S S... S k- S k ostatecznie transformacja S diagonalizująca A S S S... S n- S n w każdym kroku wybieramy największy element pozadiagonalny w kolejnych krokach mogą ulec zmianie elementy wcześniej wyzerowane ale można udowodnić, że m n ( k+ ) a mn < a m n ( k ) mn metoda jest wolno zbieżna ciąg kolejnych transformacji diagonalizujący (zerujący pozadiagonalne elementy) z żądaną dokładnością

ale daje wszystkie wartości własne kolumny S zawierają kolejne wektory własne: jeśli przez X oznaczyć macierz złożoną z kolumn wektorów własnych, to A X D X gdyż D λ.......... λ n i X - A X D a to oznacza, że SX Metoda Householdera i algorytm QL sprowadzenie A do postaci trójdiagonalnej T o takich samych wartościach własnych jak A ( za pomocą szeregu transformacji ortogonalnych ) niech u będzie dowolnym wektorem o wym. m n

macierz Householdera macierz I ma wymiar n x n P I - uu T u u ( u u.. um ).. u m (do wymiaru n można uzupełnić diagonalnie) np. dla nm+ u u.. u m...... u u u.. m m u uu.. uu uu u.. uu........ u u u u.. u m m m to P P T, wybierając u tak, że u to PP czyli P P - jest tak ponieważ (I-uu T )(I-uu T )I - 4uu T + 4uu T uu T, u T u u zatem P jest ortogonalna m m jeśli u to

gdzie P u u I T H H u przy czym przez u należy rozumieć: u ( u u.. u ) można pokazać, że wybierając m u u.. um (*) u x x ei, X dowolny wektor to Px ± x ei tzn. P wyzerowuje z x wszystko za wyjątkiem elementu na i-tej pozycji. dowód: (wybierzmy znak + )

korzystamy z faktu, że u u T u x ( x +x i ) (A) (gdyż xe i x i ) oraz, że u T x e i x ( x +x i ), (B) zatem Px Ix uu T x /(u T u) [ z def. * ] x uu T (u- x e i ) /(u T u) [ z A i B ] x u + u( x ( x +x i )) / ( x ( x +x i )) x u +u [z def. * ] - x e i. Wybierając x jako a a.. a n 3 z kolumny () A (zauważmy, że mn- i do wymiaru n uzupełniamy P jako I ) oraz biorąc i ( gdy mamy na myśli całą kolumnę z A)... P zbudowane z x P :

P A a a a.. a k.. 3 n ( k jest z dokładnością do znaku równe x ) i zmodyfikuje pozostałe elementy w bloku (,3,...,n)x(,3,...,n) a A () P A P a k.. k.. kolejne P budujemy w oparciu o x z A () - nie z całej A () lecz z bloku o wym. (m n-) począwszy od 3-ciej kolumny i 3-go wiersza

a 3 a4.. a n () () () a ciąg operacji P P P... P n- ortogonalnych, trójdiagonalizuje ściśle A do T............................ skończona liczba (n-) operacji diagonalizacja macierzy T niech J n w działaniu na T ( J n T ) dokonuje obrotu Jacobiego (lewego), wyzerowując element ( n-, n ) ; w dolnym trójkącie T pojawi się T n,n- ponieważ...,...,.........,...,......

...,, T n-,n-3, T n-,n-, T n-,n-,...,,, T n-,n-, T n-,n-,...,,, T n,n-, T n,n-, T n,n mnożone z lewej strony przez macież Jacobiego posiadającą cos(v), sin(v), -sin(v), cos(v) na elementach o indeksach n-, n zerująca element T n-,n może zmodyfikować (na tej pozycji) wyzerowując kolejne elementy T k-,k obrotem J k (XX) L () J J 3... J n T otrzymujemy macierz trójkątną (lewą):............................ oznaczając Q () J T n J T n-... J T możemy zapisać T Q () L () T () (albo inaczej mnożąc (XX) z lewej przez J T n J T n-... J T ) zauważmy też, że (J J 3...J n ) T J T n J T n-... J T (Q () ) T (Q () ) - bo Q () jako seria macierzy Jacobiego jest ortogonalna,

faktoryzacja T na (m. ortog.) x (m. trójkątna) i T nazwiemy w tym etapie T (), ale pomnożenie Q z lewej przez L: da T () L () Q () jest ponownie macierzą trójdiagonalną gdyż T () J J 3... J n T () J T nj T n-... J T proces iteracyjny: T (k) jest faktoryzowana T (k) Q (k) L (k) T (k+) L (k) Q (k) aż do otrzymania wyzerowania z żądaną dokładnością Znajdowanie pojedynczych wartości własnych szukanie zer wielomianu P ( λ) det A λi n metoda potęgowa

szukamy jednej (wybranej) wartości własnej założymy, że interesuje nas dominująca wartość λ λ λ niech,,..., n wartości własne A { v () v ( ) v ( n,,..., ) } wektory własne (wzajemnie ortogonalne dla A symetrycznej) λ > λ...... λ niech n dowolny wektor x w R n x n α i v i ( i) zauważmy, że mnożąc przez A, A,... A k ( i) ( i) Av λ v i z faktu, że i k A x n α λ k i i i v ( i)

zatem k A x lim k k A x n k i λ α i λ i λ v α k v lim λ ( i) () k k bo wyrazy w sumie dla i> zbiegają do zera; i jest zbieżne do zera dla λ < wybierzmy x x () - unormowany do jedności (przy x max { x i } ) ze składową p () x po () ( ) niech y Ax i unormowany y () oznaczmy x ()

x () y () yp () gdzie () () y y p a indeks p wskazuje tę współrzędną y, której. jest największa zatem x () powtórzmy to samo dla x () ( ) () ( ) y Ax A x y () p x () x () i utwórzmy analogicznie jak ( ) ( ) y x ( ) ( ) () y p y p y p A x ( ) po m krokach

x ( m) m A x m k y ( ) ( k) p k tworząc w każdym kroku x (k) dzieliliśmy y (k) przez największą jego współrzędną w celu unormowania do x (k) Zobaczmy czym są w kolejnych krokach wielkości zdefiniowane jako: µ ( m) y ( m) p m tzn. ta współrzędna y (m), która wyznaczała normę poprzedniego y (m-) µ () () y α λ v p ( ) x p () ( ) + n j p α λ j jv p j () ( ) α v + n j p α v j p j

+ λ α n α λ λ v p j( j / ) v j () α + n ( j) v p α v j p j () ( j) p dla kroku m n α α ( λ / λ ) ( m) v pm + j j j µ λ n α v pm + α j ( λ j / λ ) j () m ( j) p m () m ( j) p λ z faktu, że jest największe m v v dodatkowo lim µ ( m ) λ m x ( m) m można pokazać, że szereg { } zbiega się do unormowanego wektora własnego A odpowiadającego wartości własnej λ wybierając dowolny unormowany x ()

możemy po m iteracjach zbliżyć się z żądaną dokładnością do wektora własnego odpowiadającego największej wartości własnej Inna wersja metody odwrotna metoda potęgowa pozwala uzbieżnić proces do wartości własnej (i odpowiadającego wektora własnego) najbliższej danej liczbie q... program JACOBI_POT...