Øving 5 Diagonalisering



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

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

Øving 4 Egenverdier og egenvektorer

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

Diagonalisering. Kapittel 10

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

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

MA1201/MA6201 Høsten 2016

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

UNIVERSITETET I OSLO

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

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

Minste kvadraters løsning, Symmetriske matriser

Lineær algebra-oppsummering

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

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

16 Ortogonal diagonalisering

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

Løsningsforslag. e n. n=0. 3 n 2 2n 1. n=1

Egenverdier for 2 2 matriser

Kap. 5 og Notat 2 Oppsummering

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

6.4 Gram-Schmidt prosessen

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

5.6 Diskrete dynamiske systemer

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

Matriser En matrise er en rektangulær oppstilling av tall og betegnes med en stor bokstav, f.eks. A, B, C,.. Eksempler:

Øving 2 Matrisealgebra

Forelesning 14 Systemer av dierensiallikninger

5.5 Komplekse egenverdier

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

UNIVERSITETET I OSLO

Øving 3 Determinanter

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

Obligatorisk innleveringsoppgave, løsning Lineær algebra, Våren 2006

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

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

MA1202/MA S løsningsskisse

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

Egenverdier og egenvektorer

Forelesning 22 MA0003, Mandag 5/ Invertible matriser Lay: 2.2

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

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

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

Emne 10 Litt mer om matriser, noen anvendelser

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

= 3 11 = = 6 4 = 1.

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

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

LØSNINGSSKISSE TIL EKSAMEN I FAG SIF august 2001

4.1 Vektorrom og underrom

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

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

tilfeller tatt for gitt ved universiteter og høyskoler. Her er framstillingen kortfattet, meningen er at dette kan brukes som referanse.

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

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

Lineære likningssystemer og matriser

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

Om Eksponensialmatriser og Jordan normalform

4.1 Vektorrom og underrom

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA1202/MA6202 VÅR 2010

Løsningsforslag øving 6

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

Eksamensoppgavehefte 2. MAT1012 Matematikk 2: Mer lineær algebra

4.1 Vektorrom og underrom

Oversigt [LA] 11, 12

5.8 Iterative estimater på egenverdier

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Forelesning i Matte 3

Matriser og Kvadratiske Former

Oversigt [LA] 11, 12

Digital Arbeidsbok i ELE 3719 Matematikk

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

Øving 12, ST1301 A: B:

NORMALFORDELINGER, KOVARIANSMATRISER OG ELLIPSOIDER

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

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

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

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

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

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

Forelesning 10 Cramers regel med anvendelser

Eksamensoppgave i TMA4115 Matematikk 3

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 13/4-16/4

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

Matriser En matrise er en rektangulær oppstilling av tall og betegnes med en stor bokstav, f.eks. A, B, C,.. Eksempler:

Generelle teoremer og definisjoner MA1201 Lineær Algebra og Geometri - NTNU

Transkript:

Øving 5 Diagonalisering En matrise A er diagonaliserbar dersom den er similær med en diagonalmatrise, dvs. det eksisterer en invertibel matrise P og diagonal matrise D slik at P.D.P -1. I øving 4 lærte du at to similære matriser A og B har samme egenverdier. De har også samme determinant og andre felles egenskaper. At A og D har samme egenverdier, betyr videre at det er egenverdiene til A som blir elementer på diagonalen i matrisen D, for vi har lært at egenverdiene til en diagonalmatrise må være nettopp elementene på diagonalen. Determinanten til en diagonalmatrise er lik produktet av diagonalelementene. At A og D har samme determinant, betyr at determinanten til en diagonaliserbar matrise A er lik produktet av egenverdiene til A. Egenverdiene til D står på diagonalen til D, og de er altså de samme som egenverdiene til A. Første anvendelse av diagonalisering er muligheten til å beregne høyere potenser av en matrise på en enkel måte. Det kommer av at diagonalmatriser er spesielt enkle å multiplisere sammen. Bokstaven D er beskyttet i Mathematica fordi symbolet står for derivasjon. Hvis du vil bruke D som variabel for diagonalmatrisen, må du fjerne beskyttelsen innebygget i Mathematica. ( Andre beskyttede bokstaver er C,E,I,N). Unprotect@DD; Clear@a, bd D = K D.D a2 a O; b b2 MatrixPower@D, kd ak bk Å multiplisere diagonalmatriser med seg selv k ganger, er derfor det samme som å opphøye diagonalelementene i k - te potens. Når A er diagonaliserbar, gjelder P.D.P -1. Da er A2 º A. P.D.P -1 P.D.P -1 = P.D2.P -1. Gjentar vi prosesssen, finner vi: Ak = P.Dk.P -1. Siden Dk kan skrives opp direkte, kan Ak beregnes ved to enkle matrisemultiplikasjoner selv om k er et stort tall. Å matrisemultiplisere A med seg selv k ganger direkte kan være en formidabel oppgave når k p 1. Matrisen P viser seg å bestå av egenvektorene til A på søylene. Beviset kan du evt. lese i Lay, kap.5.3. Vi har derfor en oppskrift på å diagonalisere en matrise. Bestem alle egenverdiene til A, og plasser dem diagonalt på D. Bestem egenvektorene til A og plasser dem søylevis i matrisen P. Søylene i P korresponderer med søylene i D slik at egenvektorer og egenverdier hører sammen. Sjekk at P.D.P -1. Den diagonaliserte matrisen er derfor D = P -1.A.P Vi ser på et eksempel:

Matrisen P viser seg å bestå av egenvektorene til A på søylene. Beviset kan du evt. lese i Lay, kap.5.3. Vi har derfor en oppskrift på å diagonalisere en matrise. 2 Bestem alle egenverdiene til A, og plasser dem diagonalt på D. Bestem egenvektorene til A og plasser dem søylevis i matrisen P. Søylene i P korresponderer med søylene i D slik at egenvektorer og egenverdier hører sammen. Sjekk at P.D.P -1. Den diagonaliserte matrisen er derfor D = P -1.A.P Vi ser på et eksempel: Eks 1-4 3 3 2-3 -2 ; -1-2 Undersløker om A kan diagonaliseres: Eigenvalues@AD 8-5, -3, -1< Eigenvectors@AD 3-2 1 3-2 3-1 -2 1 Egenverdiene brukes ti lå definere diagonalmatrisen : D = -5-3 ; -1 Egenvektorene er radene i egenvektormatrisen ovenfor. Matrisen P skal ha disse vektorene søylevis. Dette får vi til ved å transponere matrisen: P = Transpose@Eigenvectors@ADD 3 3-1 -2-2 -2 1 3 1 Vi sjekker at prosessen er vellykket : P.D.Inverse@PD -4 3 3 2-3 -2-1 -2 = P.D.Inverse@PD For at prosessen skal lykkes, må vi ha nok lineært uavhengige egenvektorer til å danne alle søylene i P. I øving 4 nevne vi at distinkte egenverdier gir lineært uavhengige egenvektorer.i vårt eksempel fant vi tre forskjellige egenverdier, og matrisen var derfor diagonaliserbar. Vi så også i øving 4 at når to egenverdier var sammenfallende, var det ikke lenger sikkert at vi fant nok lineært uavhengige egenvektorer. Et viktig teorem slår fast: En n x n matrise A er diagonaliserbar hvis og bare hvis A har n lineært uavhengige egenvektorer.

Eks 2 6-2 -1-2 6-1 ; -1-1 5 evals = Eigenvalues@AD 88, 6, 3< ev = Eigenvectors@AD -1 1-1 -1 2 1 1 1 Det@evD 6 Når det ¹ er radene (og søylene) lineært uavhengige. Vi kan danne matrisen P og konkluderer med at A er diagonaliserbar. P = Transpose@evD -1-1 1 1-1 1 2 1 D = DiagonalMatrix@evalsD 8 6 3 A P.D. Inverse@PD Som eksempel på anvendellse beregner vi A5 : MatrixPower@D, 5D 32 768 7776 243 P.MatrixPower@D, 5D.Inverse@PD 17 761-15 7-2511 -15 7 17 761-2511 -2511-2511 5265 Sjekk : MatrixPower@A, 5D 17 761-15 7-2511 -15 7 17 761-2511 -2511-2511 5265 3

4 Eks 2 3-2 4-2 6 2 ; 4 2 3 Eigenvalues@AD 87, 7, -2< ev = Eigenvectors@AD 1 1-1 2-2 -1 2 Det@evD 9 Når det ¹ er radene (og søylene) lineært uavhengige. Vi kan danne matrisen P og konkluderer med at A er diagonaliserbar. P = Transpose@evD 1-1 -2 2-1 1 2 D = 7 7 ; -2 A P.D. Inverse@PD Legg merke til at matrisen i dette eksemplet er symmetrisk: A Transpose@AD Vi har nevnt før at symmetriske matriser har spesielle egenskaper utover symmetrien. Du finner alltid n lineært uavhengige egenvektorer for en n x n symmetrisk matrise, slik at symmetriske matriser alltid er diagonaliserbare. Det gjelder altså også når egenverdiene ikke er distinkte. Vi repeterer eksempel 4 i øving 4. Eks 3 1 3 3-3 -5-3 ; 3 3 1 evals = Eigenvalues@AD 8-2, -2, 1<

evecs = Eigenvectors@AD -1 1-1 1 1-1 1 Egenvektorene er lineært uavhengige : Det@evecsD -1 P = Transpose@evecsD -1-1 1 1-1 1 1 Bygger diagonalmatrisen med egenverdiene på diagonalen D = evals IdentityMatrix@3D -2-2 1 A P.D. Inverse@PD Matrisen A har to sammenfallende egenverdier, men er diagonaliserbar fordi vi finner tre lineært uavhengige egenvektorer. Eks 4 2 4 3-4 -6-3 ; 3 3 1 evals = Eigenvalues@AD 8-2, -2, 1< Vi har altså to like egenverdier. evecs = Eigenvectors@AD -1 1 1-1 1 Egenvektorene er lineært uavhengige : Det@evecsD Her har vi bare to lineært uavhengige egenvektorer, og det (evecs) =. Det ser vi direkte fra rad 2. Nullvektor er ingen egenvektor. Vi kan konkludere med at A ikke er diagonaliserbar. Prøver du å bygge opp matrisen P, finner du at den er singulær ( ikke invertibel). Prosessen stopper opp. 5

6 P = Transpose@evD -1 1 1-1 1 Inverse@PD Inverse::sing : Matrix -1 1 1-1 1-1 1 1-1 1 is singular. -1 Oppgave 1 Gitt matrisen 5-8 -1 7. Begrunn hvorfor A er diagonaliserbar uten å regne ut egenverdier. 2 Bestem en invertibel matrise P og diagonalmatrise D slik at P.D.P -1 Beregn A4 på enklest mulig måte. Tilleggsspørsmål: Er A invertibel? Er D invertibel? Oppgave 2 Gitt matrisen 1 2-1 2 3. Begrunn hvorfor A er diagonaliserbar uten å regne ut egenverdier. -1 3 Angi matrisene P og D og kontroller at P.D.P -1 Beregn A3 på enklest mulig måte. Oppgave 3 Gitt matrisen 9-4 -2-4 -56 32-28 44. Undersøk om A er diagonaliserbar. -14-14 6-14 42-33 21-45 Hvis ja, angi matrisene P og D og kontroller at P.D.P -1