UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

6.4 Gram-Schmidt prosessen

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

UNIVERSITET I BERGEN

6.8 Anvendelser av indreprodukter

UNIVERSITY OF OSLO. Faculty of Mathematics and Natural Sciences. Matlab-utskrift (1 side).

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser høsten 2009.

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Vi skal koble diagonalisering av matriser sammen med ortogonalitet. Skal bl.a. se på

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

4.1 Vektorrom og underrom

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

5.8 Iterative estimater på egenverdier

= 3 11 = = 6 4 = 1.

6.5 Minste kvadraters problemer

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

4.4 Koordinatsystemer

Løsninger for eksamen i MAT Lineær algebra og M102 - Lineær algebra, fredag 28. mai 2004, Oppgave 1. M s = = 1 2 (cofm 2) T.

A 2 = PDP 1 PDP 1 = PD 2 P 1. og ved induksjon får vi. A k = PD k P 1. Kommentarer:

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

EKSAMENSOPPGAVE. to A4 ark egne notater og Rottmanns tabeller. Kontaktperson under eksamen: Professor Andrei Prasolov. Telefon:

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Eksamensoppgave i TMA4115 Matematikk 3

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

OBLIG 2 - MAT 1120 Høsten 2005

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

Universitetet i Agder Fakultetet for teknologi og realfag Institutt for matematiske fag. Eksamen MA desember Lykke til!

MA1202/MA S løsningsskisse

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser våren 2009.

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

4.4 Koordinatsystemer

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

Utkast til løsningsforslag til eksamen i emnet MAT Lineær algebra Utan ansvar for feil og mangler Mandag 31. mai 2010, kl

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

12 Diagonalisering av matriser og operatorer (Ch. 5.1, 5.2 og 8.5)

4.1 Vektorrom og underrom

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

UNIVERSITETET I OSLO

Lineær algebra-oppsummering

Diagonalisering. Kapittel 10

4.1 Vektorrom og underrom

4.1 Vektorrom og underrom

MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

Rom og lineæritet. Erik Bédos. Matematisk Institutt, UiO 2012.

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

EKSAMEN I MA1202 OG MA6202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

Lineær uavhengighet og basis

Minste kvadraters løsning, Symmetriske matriser

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

Egenverdier og egenvektorer

Notat2 - MAT Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger

Løsning Eksamensrelevante oppgaver i ELE 3719 Matematikk Vektorer, matriser og lineær algebra Dato Februar Oppgave 1. (A) Vi leser av at

DAFE ELFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 3 Innleveringsfrist Torsdag 26. mars 2015 Antall oppgaver:

6.6 Anvendelser på lineære modeller

5.5 Komplekse egenverdier

Lineærtransformasjoner

Eksamensoppgave i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser

UNIVERSITETET I OSLO

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Mandag 6. juni 2011 løsningsforslag

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

EKSAMEN. 1 Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Trond Stølen Gustavsen. Klasser: (div) Dato: 24. mai 2004 Eksamenstid:

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 18/9

Egenverdier for 2 2 matriser

UNIVERSITETET I OSLO

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

Oppgavesett. Kapittel Oppgavesett 1

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

16 Ortogonal diagonalisering

EKSAMENSOPPGAVE. 4 (1+3) Det er 12 deloppgaver (1abc, 2abcd, 3abc, 4ab) Andrei Prasolov

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: MAT 0 Lineær algebra Eksamensdag: Mandag 0. desember 0 Tid for eksamen: 4.30 8.30. Oppgavesettet er på 7 sider. Vedlegg: Tillatte hjelpemidler: Noen Matlab kjøringer er vedlagt bakerst i oppgavesettet. Ingen. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Merk: Det forventes at du benytter deg av Matlab-vedlegget i din besvarelse av punkt 3b. Ellers kan du henvise til det når du finner det hensiktsmessig. Løsningsforslag Oppgave Definer a = (,,, ), a = (,, 0, ), a 3 = (,,, ) og a 4 = (,,, ). La A være 4 4 matrisen med a, a, a 3, a 4 som sine kolonner og la W = Col A være kolonnerommet til A. a Angi a 4 som en lineær kombinasjon av a, a og a 3. Finn dimensjonen til W, og begrunn svaret. Løsning: Matlab kjøringen viser at den redusert trappeformen til A har en pivot (ledende ener) i hver av de tre første kolonnene, så de tre første kolonnene i A er en basis for W, og dimensjonen til W er 3. Ser også fra siste kolonne i redusert trappeform R at a 4 = a + a a 3. b Vi betrakter nå R 4 som et indreprodukt rom med hensyn på det vanlige Euklidske indreproduktet (dvs prikk-produktet). Bruk Gram-Schmidt prosessen til å finne en ortogonal basis for W. Finn deretter den ortogonale projeksjonen av vektoren y = (,, 0, 0) på W. (Fortsettes på side.)

Eksamen i MAT 0, Mandag 0. desember 0 Side Løsning: Siden a, a, a 3 er en basis for W bruker vi Gram-Schmidt på disse og får v = a = (,,, ) v = a Proj W (a ) = a a v v v v = a 4 4 v = a v = (, 0,, 0) v 3 = a 3 Proj W (a 3 ) = a 3 a 3 v v v v a 3 v v v v = a 3 5v 4 + v = (,,, ) 4 så v, v, v 3 er en ortogonal basis for W. Den ortogonale projeksjonen av y på W er da gitt ved 3 y v i Proj W (y) = v i = v i v i v + v + 0 v 3 = (, /, 0, /). i= c La B være 4 3 matrisen vi får fra A ved å slette siste kolonne, så B har a, a og a 3 som sine kolonner. Finn en QR-faktorisering av B. Løsning: Vi normaliserer v, v, v 3 og får u = (,,, ), u = (, 0,, 0), u 3 = (,,, ). La Q være matrisen med kolonner u, u, u 3. For å finne R finner vi fra beregningene i b) at Vi definerer derfor a = v = u a = v + v = u + u a 3 = 5 4 v v + v 3 = 5 u u + u 3. R = 5 0 0 0 Da er B = QR en QR-faktorisering av B. Oppgave Betrakt differenslikningen y k+ + y k+ + y k = 0 for alle k Z () for en følge {y k } i signalrommet S bestående av reelle følger indeksert over de hele tallene Z. La W være underrommet av S bestående av alle løsninger av (). (Fortsettes på side 3.)

Eksamen i MAT 0, Mandag 0. desember 0 Side 3 a Vis at følgen {y k } gitt ved y k = k( ) k, k Z, er en løsning av () og finn en basis for W. Bestem løsningen av () som oppfyller y 0 = og y = 3. Løsning: Med y k = k( ) k får vi y k+ + y k+ + y k = ( ) k [(k + )( ) + (k + )( ) + k = 0 for alle k, som viser første del. Videre er () en homogen lineær annenordens differenslikning med karakteristisk likning r + r + = 0, dvs. (r + ) = 0 som har (eneste) løsning r =. Da er y k = ( ) k en løsning av (). Løsningene y k = k( )k og y k = ( )k er lineært uavhengige (de er opplagt ikke multiple av hverandre), og siden W har dimension (ved Teorem i boka), må da disse to funksjonene være en basis for W. Den generelle løsningen av () er derfor y k = c k( ) k + c ( ) k. Fra initialbetingelsene y 0 = og y = 3, bestemmer vi c =, c =, så løsningen av () som tilfredstiller disse er y k = k( ) k + ( ) k = ( ) k (k + ). b Definer avbildningen T : S S ved T ({y k }) = {z k } der z k = 4 (y k+ + y k + y k ) for alle k Z () Vis at T er lineær og bestem dimensjonen til kjernen til T. (Husk at kjernen til T består av følgene i S som T avbilder på null-følgen). Løsning: La {u k }, {v k } S og b R. Da er T ({u k } + {v k }) = T ({u k + v k }) = { 4 (u k+ + v k+ + u k + v k + u k + v k )} = { 4 (u k+ + u k + u k ) + 4 (v k+ + v k + v k )} = T ({u k }) + T ({v k }). Dessuten er T (b {u k }) = T ({bu k }) = { 4 (b u k+ + b u k + b u k )} Dermed er T en lineær avbildning. = b { 4 (u k+ + u k + u k )} = b T ({u k }). (Fortsettes på side 4.)

Eksamen i MAT 0, Mandag 0. desember 0 Side 4 Betrakt {y k } S. At {y k } er et element i kjernen til T betyr at og dette er ekvivalent med at 4 (y k+ + y k + y k ) = 0 for alle k Z, y k+ + y k+ + y k = 0 for alle k Z (ved å fortkorte /4 og erstatte k med k + ), dvs at likning () holder. Dette betyr at kjernen til T er det samme som W, som vi allerede har sett har dimensjon. Oppgave 3 Sett P = 3a 0 0 0. Beregn P og P T P. Avgjør om P er diagonaliserbar. Løsning: Utregning gir at P = I og P T P = 3. 3 6 Siden P er triangulær ser vi at dens egenverdier er (med multiplisitet lik ) og - (med multiplisitet lik ). Egenrommet E er da nødvendigvis en-dimensjonalt. Utregning gir at en basis for E = Nul (A I) er f.eks. {(, 0, 0), (0,, )}. Dermed er E -dimensjonalt. Det betyr at vi vil kunne finne en basis for R 3 som består av egenvektorer for P, og P vil derfor være diagonaliserbar. 3b Vi lar betegne den vanlige normen i R 3. La M være maksimum av Q(x) = P x når x varierer gjennom alle x i enhetssfæren S = {x R 3 : x = }. Forklar hvordan du kan benytte deg av en av de vedlagte Matlab kjøringene til å anslå en approksimativ verdi for M. Løsning: Siden Q(x) = P x = x T P T P x er den kvadratiske formen assosiert med den symmetriske matrisen P T P vet vi at M er den største egenverdien til P T P. Den vedlagte Matlab-utskriften viser en kjøring av (Fortsettes på side 5.)

Eksamen i MAT 0, Mandag 0. desember 0 Side 5 potensmetoden anvendt nettopp på matrisen P T P ; vi ser fra denne at en approksimativ verdi for den største egenverdien til P T P i absoluttverdi er 7, 8730. Dermed må M 7, 8730. Kommentar: Regner man ut egenverdiene til P T P ved å beregne det karakteristiske polynomet til P T P og finne dens røtter (ved å observere først at er en rot) finner man at egenverdiene er og 4 ± 5. Den største er altså 4 + 5 7, 8730. Oppgave 4 La P være vektorrommet bestående av alle polynomer av grad høyst i en reell variabel x. La B = {, x, x } være standardbasisen for P og sett C = {, x, ( x) }. Begrunn at C er en basis for P. Bestem basisskiftematrisene P B C og P C B. Løsning: Vi har så = + 0 x + 0 x x = x + 0 x ( x) = x + x P := [ [ B [ x B [( x) B = 0 0 0 Siden matrisen P har determinant lik - 0, så er den invertibel. (Dette følger også fra forrige oppgave siden P = I). Notat gir da at C er basis og at P = P B C. så Videre har vi = + 0( x) + 0( x) x = ( x) + 0( x) x = ( x) + ( x) P C B = [ [ C [x C [x C = 0 0 0 = P Alternativt kan vi merke oss at P = P (noe som følger fra forrige oppgave siden P = I og som ellers er lett å regne ut), og det gir P C B = ( P B C ) = P = P (Fortsettes på side 6.)

Eksamen i MAT 0, Mandag 0. desember 0 Side 6 Oppgave 5 Betrakt funksjonene f 0 (x) = x og f (x) = x definert på R, og følgende tre datapunkter i planet: (0, ), (, ) og (, 6). Bruk minste kvadraters metode til å bestemme de reelle tallene β 0 og β som gir at den lineære modellen y = β 0 f 0 (x) + β f (x) tilpasser disse datapunktene best mulig. Løsning: Løser Xβ = y der f 0 (0) f (0) 0 X = f 0 () f () =, β = f 0 () f () 4 Får: X T X = [ 5 0 0 [ β0 β, X T y =, y = [ 4 9, y y y 3 = og ser da at β = (4/5, ) er (den entydige) løsningen av normallikningene X T Xβ = X T y og dermed minste kvadraters løsning av systemet Xβ = y. Dermed er β 0 = 4/5 og β = de ønskede verdiene. Oppgave 6 La n N og la, være et indreprodukt på R n, så x, y betegner indreproduktet av to vektorer x, y R n. Vis at det fins en positiv definit n n matrise A som er slik at x, y = x T A y for alle x, y R n. (Vi minner om at en n n matrise A kalles positiv definit når A er symmetrisk og x T A x > 0 for alle x 0 i R n ). Løsning: La A = [a ij være n n matrisen definert ved a ij = e i, e j for i, j n, der som vanlig e i er i te vektor i standardbasisen for R n. Betrakt x, y R n, x = (x, x,..., x n ) og y = (y, y,..., y n ). Da er x = i x ie i og y = j y je j, så x, y = x i e i, y j e j = x i y j e i, e j = ( ) x i a ij y j = x T A y. i j i j i j Matrisen A er symmetrisk siden a ji = e j, e i = e i, e j = a ij for alle i, j n. Videre er x T A x = x, x > 0 for alle x 0 i R n (ved fjerde egenskap for indreproduktet, ). Dermed er A positiv definit, og påstanden er dermed bevist. 6. (Fortsettes på side 7.)

Eksamen i MAT 0, Mandag 0. desember 0 Side 7 Matlab utskrift: >> A = [ ; ; 0 -; A = 0 - >> R = rref(a) R = 0 0 0 0 0 0-0 0 0 0 >> C = [; 3; 3 6 C = 3 3 6 >> x = rand(3,); for r = :0 x = C*x; [maxval,maxnr = max(abs(x)); mu = x(maxnr); x = (/mu)*x; end lambda=mu, error=max(abs(c*x-mu*x)) lambda = 7.8730 error =.898e-09