Diagonalisering. Kapittel 10

Like dokumenter
Egenverdier og egenvektorer

R: 0, , = 6000 D : 0, , = 4000 La v n = angi fordelingen etter n år (dvs. a b n stemmer for R og

MA1201/MA6201 Høsten 2016

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

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

16 Ortogonal diagonalisering

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

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

Lineærtransformasjoner

Egenverdier for 2 2 matriser

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

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

6.4 Gram-Schmidt prosessen

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

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

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

Minste kvadraters løsning, Symmetriske matriser

MA1202/MA S løsningsskisse

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

Kapittel 3. Mer om egenverdier og egenvektorer. 3.1 Komplekse n-tupler og vektorer

Diagonalizering. En n n matrise A sies å være diagonaliserbar hvis den er similær med en diagonalmatrise D. A = PDP 1

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

Løsningsforslag øving 7

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

Øving 5 Diagonalisering

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

5.8 Iterative estimater på egenverdier

UNIVERSITET I BERGEN

Eksamensoppgave i TMA4115 Matematikk 3

MA1201/MA6201 Høsten 2016

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA1202/MA6202 VÅR 2010

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

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

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

Lineær algebra-oppsummering

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

Løsningsforslag øving 6

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

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

= 3 11 = = 6 4 = 1.

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Generelle teoremer og definisjoner MA1201 Lineær Algebra og Geometri - NTNU

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

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

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

Generelle teoremer og denisjoner MA1201 Lineær Algebra og Geometri - NTNU Lærebok: Anton, H. & Rorres, C.: Elementary Linear Algebra, 11.

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

Matriser. Kapittel 4. Definisjoner og notasjon

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

LO510D Lin.Alg. m/graf. anv. Våren 2005

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

EKSAMEN I MA1202 OG MA6202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

Emne 10 Litt mer om matriser, noen anvendelser

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

y(x) = C 1 e 3x + C 2 xe 3x.

Innlevering BYPE2000 Matematikk 2000 HIOA Obligatorisk innlevering 3 Innleveringsfrist Torsdag 24. april 2014 før forelesningen Antall oppgaver: 9

5.5 Komplekse egenverdier

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

MA1201, , Kandidatnummer:... Side 1 av 5. x =.

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

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

LØSNINGSSKISSE TIL EKSAMEN I FAG SIF august 2001

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

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

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

MA1201 Lineær algebra og geometri Løsningsforslag for eksamen gitt 3. desember 2007

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

4.1 Vektorrom og underrom

MA2501, Vårsemestre 2019, Numeriske metoder for lineære systemer

4.1 Vektorrom og underrom

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

4.4 Koordinatsystemer

4.1 Vektorrom og underrom

4.1 Vektorrom og underrom

Eksamensoppgave i MA1201 Lineær algebra og geometri

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

Eksamensoppgavehefte 2. MAT1012 Matematikk 2: Mer lineær algebra

Transkript:

Kapittel Diagonalisering I te kapitlet skal vi anvende vår kunnskap om egenverdier og egenvektorer til å analysere matriser og deres tilsvarende lineærtransformasjoner Eksempel Vi begynner med et eksempel og ser på diagonalmatrisen 3 Det er lett å multiplisere D med vektorer i R eller C Men er også enkelt å multiplisere D med seg selv For eksempel får vi D ved D = D D D D [ 3 ( ) = 43 3 Hvis vi prøver samme med A, dvs beregne A for 3 A = 4 3 blir mye mer tidskrevende Fordi er mye lettere å jobbe med en diagonalmatrise, kan vi stille spørsmålet om finnes en diagonalmatrise D og en inverterbar matrise P slik at A = P DP Da ville oppgaven å beregne A blitt mye enklere: A = (P DP ) = P DP P DP P DP = P D P, fordi P P = I, og D er lett å beregne For å finne slike matriser D og P husker vi noen ting om A fra forrige kapittel, nemlig at A har egenverdier λ = 3 og λ = med henholdsvis v = [ 3 og v = som egenvektorer Det betyr at vi har Av = 3v og Av = ( )v En annen måte å skrive disse to ligningene er å skrive egenverdiene på diagonalen i en matrise D og så skrive egenvektorene som kolonnene i en matrise P : 3 3 og P =, slik at AP = P D Nå observerer vi at P er inverterbar med invers P = 8 3 Altså kan vi gange begge sidene av AP = P D med P og får A = P DP Nå kan vi faktisk beregne A k for alle k med formelen A k = P D k P Det vi har gjort i eksemplet er å erstatte en matrise A med en diagonalmatrise, med andre ord har vi diagonalisert A Definisjon Vi sier at en n n-matrise A er diagonaliserbar hvis finnes en diagonalmatrise D og en inverterbar matrise P slik at A = P DP Ikke alle matriser er diagonaliserbare Derfor trenger vi en metode for å sjekke om vi kan diagonalisere A Det gir oss følgende resultat: Teorem En n n-matrise A er diagonaliserbar hvis og bare hvis A har n lineært uavhengige egenvektorer Bevis Først antar vi at A har n lineært uavhengige egenvektorer v, v,, v n og tilhørende egenverdier λ, λ,, λ n For hver egenvektor gjelder Av k = λ k v k Som i eksemplet kan vi organisere disse n ligningene i en matriseligning der og AP = P D, λ λ λ 3 λ n P = [ v v v n

Siden v, v v n er lineært uavhengige, er n n- matrisen P inverterbar Det betyr finnes en invers P og vi får A = P DP Med andre ord A er diagonaliserbar Nå antar vi at A er diagonaliserbar med A = P DP der D er en diagonalmatrise og P er en inverterbar matrise La v, v, v n være kolonnene i P og λ, λ,, λ n være tallene som står på diagonalen i D Ligningen A = P DP gir oss en likhet av matriser [ Av Av Av n = [ λ v λ v λ n v n Det viser Av k = λ k v k for alle k Fordi P er inverterbar, må vektorene v, v, v n være lineært uavhengige Især er alle forskjellige fra nullvektoren Det viser at v, v, v n er lineært uavhengige egenvektorer for A Vi fant i forrige kapittel at egenvektorer som hører til forskjellige egenverdier er lineært uavhengige Sammen med teorem gir : Teorem 3 Hvis en n n-matrise A har n forskjellige egenverdier, så er A diagonaliserbar Hvis noen av egenverdiene for A har algebraisk multiplisitet større enn, er fortsatt mulig at A er diagonaliserbar Det vi må undersøke er om er nok lineært uavhengige egenverdier likevel Teorem 4 En n n-matrise A er diagonaliserbar hvis og bare hvis A har n egenverdier og dimensjonen til egenrommet til hver egenverdi λ er lik den algebraiske multiplisiteten til λ Merk La A være en reell n n-matrise Det er mulig at A er diagonaliserbar som en kompleks matrise, selv om den ikke er diagonaliserbar som en reell matrise Om A har kun komplekse egenverdier, kan vi ikke finne en passende reell diagonalmatrise Det er også mulig at egenverdiene er reelle, mens de tilsvarende n lineært uavhengige egenvektorene ligger i C n og ikke i R n Da kan vi ikke finne en passende inverterbar reell matrise P, selv om P eksisterer som en kompleks matrise Vi kan reformulere ved hjelp av basiser Teorem En kompleks n n-matrise A er diagonaliserbar hvis og bare hvis finnes en basis for C n som består kun av egenvektorer for A En reell n n-matrise A er diagonaliserbar som en reell matrise hvis og bare hvis finnes en basis for R n som består kun av egenvektorer for A Dette resultatet motiverer følgende definisjon: Definisjon En lineærtransformasjon T : V V kalles diagonaliserbar hvis finnes en basis for V som består kun av egenvektorer for T Da kan vi konkludere fra forrige teoremer og kapitler følgende resultat: Teorem 6 La T : V V være en lineærtransformasjon Vi antar at T er diagonaliserbar og B = (v,, v n ) er en basis som består av egenvektorer Da er matrisen som beskriver T med hensyn på basisen B en diagonalmatrise D med egenverdiene λ,, λ n for T på diagonalen Vi kan tenke på teoremet på følgende måte Hvis T er diagonaliserbar, la B være en basis som består av egenvektorer for T Vi husker fra forrige kapittel at å velge en basis for V gir oss en isomorfi C n = V ved å sende den kte basisvektoren e k i standardbasisen E for C n til den kte basisvektoren i B Så sier teoremet at finnes en diagonalmatrise D slik at er samme i følgende diagrammet om vi går fra nedrevenstre hjørnet først opp og så langs T til høyre eller om vi går først til høyre ved å gange med D og så gå opp (en matematiker sier at diagrammet kommuterer): sende E til B V T D V C n C n sende E til B Det holder å sjekke for basisvektorene: e k C n sendes til v k som sendes til λ k v k av T eller e k sendes først til λ k e k av D og så til λ k v k For V = C n tilsvarer diagrammet likheten A = P DP : Eksempler C n P A D C n P C n C n Vi skal nå se på en rekke eksempler Eksempel 7 Vi har sett på matrisen 8 6 A = 4 6, 4 og vet at egenverdiene for A er og 4 (med algebraisk multiplisitet ) Egenrommet til egenverdi er Sp 3 3 Egenrommet til egenverdi 4 er Sp, Vi ser at vi har tre lineært uavhengige egenvektorer v = 3 3, v = og v 3 = Det betyr at A er diagonaliserbar med diagonalmatrisen 4 4

P = 3 3 Eksempel 8 Matrisen har egenverdier λ = ±i {[ i med egenrom Sp til egenverdi i, og egenrom } { Sp til egenverdi i i} Det betyr at A er diagonaliserbar som en kompleks matrise med diagonalmatrise i i P = i i Men vi kan ikke diagonalisere A som en reell matrise Eksempel 9 Vi ser på matrisen A = Egenverdien til A er med algebraisk multiplisitet fordi () λ = ( λ) λ Egenrommet til er nullrommet til matrisen A I = Det er underrommet utspent av vektoren Især er egenrommet endimensjonalt Vi kan altså ikke finne to lineært uavhengige egenvektorer for A Dette viser at A ikke er diagonaliserbar, hverken som reell eller kompleks matrise Eksempel Det samme argumentet viser at matrisen A = ikke er diagonaliserbar, hverken som reell eller kompleks matrise Oppgave: Vi ser på matrisen 3 A = a b a For hvilke reelle tall a og b er A diagonaliserbar? Mer om komplekse egenverdier Når en reell n n-matrise A har komplekse egenverdier er på første øyekast ikke lenger så enkelt å se geometrisk hva virkningen av A på vektorer i R n er Vi skal nå se at ligger ganske mye geometri i bakgunn likevel, i hvert fall for -matriser La C være matrisen a b b a med reelle tall a og b Vi kan beregne egenverdiene for C eller vi kan observere at [ [ a b a bi = = (a bi) b a i b + ai i Altså er i en egenvektor til C med egenverdi λ = a bi Fordi b, vet vi at λ = a [ + bi er den andre egenverdien til C med egenvektor i Hvis vi skriver r = λ = [ a + b for lengden av a vektoren i R b, så kan vi skrive r cos θ sin θ r sin θ cos θ der θ er vinkelen mellom den positive x-aksen og linjen fra origoen til punktet med koordinater (a, b) θ (a, b) r Å gange en vektor v i R med matrisen tilsvarer at vi ganger vektoren med tallet r, med andre r vi strekker eller krymper v med faktoren [ r Å gange en vektor v i R med matrisen cos θ sin θ sin θ cos θ tilsvarer å rotere v om vinkelen θ Altså har vi vist at å gange en vektor v i R med matrisen C tilsvarer å strekke og rotere v Observasjonen at å gange med matrisen C tilsvarer en rotasjonion og en reskalering gjelder faktisk også for andre matriser med komplekse egenverdier Teorem La A være en reell -matrise med kompleks egenverdi λ = a bi, med b, og la v C være en egenvektor som hører til λ Så kan vi faktorisere A A = P CP med P = [ Re v Im v a b og b a Teoremet sier at for å forstå virkningen av A på en vektor x, kan vi skifte koordinater ved P for å få u = P x, rotere og strekke vektoren u ved C og skifte koordinatene tilbake: 3

x u P A C rotere/stretche Ax P Cu Eksempel La A være matrisen A = 3 Vi finner egenverdiene til A: () λ = 3 λ ( λ)(3 λ) + = λ 4λ + = (λ ) + = λ = + i eller λ = i Vi finner egenvektorer som hører til egenverdien λ = i Da må vi bestemme nullrommet til matrisen A λi : A ( i)i = i + i + i + i Det viser at v = er en egenvektor for A som hører til egenverdi λ = i Som i teoremet får vi A = P CP med matrisene P = og Symmetriske matriser Definisjon En reell matrise kalles symmetrisk dersom A = A T Eksempel 3 Matrisen 7 3 7 3 3 er symmetrisk En reell -matrise A er symmetrisk hvis den har formen a b A = b c Vi sjekker om denne matrisen er diagonaliserbar Vi beregner egenverdiene: () a λ b = b c λ (a λ)(c λ) b = λ (a + c)λ + ac b = λ = ± (a c) + 4b + a + c Fordi (a c) + 4b er et positivt reelt tall, ser vi at A har to reelle egenverdier Hvis (a c) + 4b, så er egenverdiene forskjellige Det betyr at -matrisen A har to forskjellige egenverdier og er dermed diagonaliserbar Hvis (a c) + 4b =, så må vi ha a c = og b =, altså er A = a I en diagonalmatrise med egenrom hele R Vi ser altså at en symmetrisk -matrise er alltid diagonaliserbar Faktisk holder vi nettopp fant ut, også i alle dimensjoner: Teorem 4 La A være en symmetrisk n n- matrise Da har A n reelle egenverdier (talt med multiplisitet) og A er diagonaliserbar (som en reell matrise) Merk Dette teoremet er fantastisk fordi for en vanlig n n-matrise er nesten umulig å se med en gang om den er diagonaliserbar Men for symmetriske matriser er lett å se Oppgave: Sjekk om matrisen A = er diagonaliserbar Hvis den er diagonaliserbar, finn den tilsvarende diagonalmatrisen D og inverterbare matrise P slik at A = P DP Eksempel Vi ser på matrisen B = 6 6 Vi beregner egenverdiene: λ 6 λ = 6 λ ( λ)((6 λ) 4) ((6 λ) 4) + (4 (6 λ)) = λ 3 3λ + 36λ = λ(λ 4)(λ 9) = Det viser at egenverdiene for B er, 4 og 9 Egenvektorerer er henholdsvis 4, og Altså får vi B = P DP med diagonalmatrise 4 9 4 P = 4

Merk Det forrige eksemplet minner oss om at en matrise kan være diagonaliserbar uten å være inverterbar En forsmak på ortogonalitet Vi skal se nærmere på indreproduktet og ortogonalitet i neste kapittelet, men vi begynner med en liten forsmak allerede her Vi ser litt nærmere på eksemplene A = og B = 6, så observerer vi noe overraskende 6 [ Egenvektorene u = og u = for A utspen- ner underrom i R som er ortogonalt til hverandre: Ortogonale egenrom for A Vi husker at vi kan sjekke om to vektorer i R er ortogonale ved å sjekke at deres indreprodukt er null: u T u = = + ( ) = = Det samme fenomenet observerer vi for egenrommene for B Egenvektorene 4 v =, v =, og v 3 = er ortogonale til hverandre: v T v = [ 4 = ( 4) + + =, v T v 3 = [ 4 = + =, v T v 3 = = + = Faktisk er te alltid riktig for symmetriske matriser: Bevis La v og v være to egenvektorer som hører til egenverdier henholdsvis λ og λ Vi beregner λ v T v = (λ v ) T v = (Av ) T v Vi vet altså at = v T A T v (nå bruker vi at A er symmetrisk: A = A T ) = v T A v = v T (A v ) = v T (λ v ) = λ v T v = λ v T v λ v T v = (λ λ )v T v Nå bruker vi at λ og λ er forskjellige, og får v T v = Definisjon En n n-matrise er ortogonalt diagonaliserbar dersom den har n ortogonale egenvektorer For en symmetrisk n n-matrise har vi vist at egenvektorene til forskjellige egenverdier er ortogonale til hverandre Neste uke lærer vi at, gitt en basis for et underrom i R n, vi alltid kan bytte til en basis der alle basisvektorer er ortogonale til hverandre Dette viser: Teorem 7 En reell n n-matrise er ortogonalt diagonaliserbar hvis og bare hvis den er symmetrisk For n n-matriser med komplekse elementer trengs en liten tilpasning for å få lignende resultater La A være en n n-matrise med a ij C som element i rad i og kolonne j Da skriver vi A for matrisen A = A T dvs vi transponerer A og så komplekskpnjugerer vi resultatet Med andre ord, elementet i A i rad i og kolonne j er a ji Definisjon En n n-matrise A kalles hermitsk hvis A = A Merk I en hermitsk matrise A må elemente på diagonalen være reelle tall fordi de oppfyller a ii = a ii Dessuten er en reell matrise hermitsk hvis og bare hvis den er symmetrisk Vi skal utvikle litt av teorien i komplekse tilfellet i øvingene Her nøyer vi oss med å nevne hovedresultatet: Teorem 8 En hermitsk n n-matrise har n reelle egenverdier (talt med multiplisitet) og er ortogonalt diagonaliserbar Teorem 6 La A være en symmetriske n n- matrise Egenvektorene for A til to distinkte egenverdier er ortogonale