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

Like dokumenter
Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

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

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

6.4 Gram-Schmidt prosessen

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Diagonalisering. Kapittel 10

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

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

Øving 5 Diagonalisering

16 Ortogonal diagonalisering

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

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

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

UNIVERSITETET I OSLO

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

Egenverdier og egenvektorer

5.5 Komplekse egenverdier

Notat2 - MAT Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

5.8 Iterative estimater på egenverdier

UNIVERSITETET I OSLO

4.4 Koordinatsystemer

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

4.4 Koordinatsystemer

GENERELLE VEKTORROM. Hittil har vi bare snakket om vektorrom av type

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

Generelle teoremer og definisjoner MA1201 Lineær Algebra og Geometri - NTNU

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

Egenverdier for 2 2 matriser

Kap. 5 og Notat 2 Oppsummering

6.5 Minste kvadraters problemer

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

Lineær algebra-oppsummering

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

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

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

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

= 3 11 = = 6 4 = 1.

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

Forelesning 14 Systemer av dierensiallikninger

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

MA1202/MA S løsningsskisse

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

UNIVERSITET I BERGEN

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

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

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

4.1 Vektorrom og underrom

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

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

Minste kvadraters løsning, Symmetriske matriser

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

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

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

4.1 Vektorrom og underrom

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 2

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

Eksamensoppgavehefte 2. MAT1012 Matematikk 2: Mer lineær algebra

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

Lineærtransformasjoner

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

4.1 Vektorrom og underrom

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

Øving 4 Egenverdier og egenvektorer

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

4.1 Vektorrom og underrom

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

4.9 Anvendelser: Markovkjeder

6.8 Anvendelser av indreprodukter

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

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

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

UiO MAT1012 Våren Ekstraoppgavesamling

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

Om Eksponensialmatriser og Jordan normalform

Eksamensoppgave i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser

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

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

Transkript:

5.3 Diagonalisering Det ville være fint om en matrise A var similær med en diagonalmatrise D: da har vi funnet egenverdiene, og kan f.eks. lett beregne A k. Når er dette tilfelle? Det er tema i denne seksjonen. En viktig anvendelse er å dekople dynamiske systemer; differensiallikninger eller differenslikninger. Dette ser vi på i seksjon 5.6 og 5.7. 1 / 14

Anta at P 1 AP = D der P er invertibel og D er en diagonalmatrise. Da er altså A og D similære og egenverdiene til A må være diagonalelementene til D. Hvordan finne A k på en smart måte: har A = PDP 1 og derfor og ved induksjon får vi A 2 = PDP 1 PDP 1 = PD 2 P 1 A k = PD k P 1. Kommentarer: Hvis D = diag (λ 1, λ 2,..., λ n ), så blir D k = diag (λ k 1, λk 2,..., λk n). Så lett å beregne A k ut fra dette. En annen gevinst av denne utregningen: vi ser at A k og D k er similære. Så egenverdiene til A k er λ k i der λ i (i n) er egenverdiene til A. 2 / 14

Definisjon. Vi sier at en kvadratisk matrise A er diagonaliserbar dersom A = PDP 1 for en invertibel matrise P og en diagonalmatrise D. TEOREM 5 En n n-matrise A er diagonaliserbar hvis og bare hvis den har n lineært uavhengige egenvektorer. Dersom A = PDP 1, der P er invertibel og D diagonalmatrise, så er kolonnevektorene til P n lineært uavhengige egenvektorer for A. Bevis: A = PDP 1 er ekvivalent med AP = PD. Og dette betyr at Ax j = λ j x j der x j er j te kolonne i P og D = diag (λ 1, λ 2,..., λ n ). Resultatet følger direkte fra dette. 3 / 14

Følgende matrise kan ikke diagonaliseres: [ ] 0 1 A = 0 0 Sjekk dette på to ulike måter! Teorem 5 leder til en metode for å diagonalisere en matrise (dvs. finne P og D som over). Metoden er egnet for håndregning på svært små matriser, eller hvis matrisen har en passende enkel struktur. 4 / 14

Minimetode for diagonalisering av en matrise A: 1. Finn egenverdiene til A: bestem røttene til det karakteristiske polynomet p A. 2. Finn for hver egenverdi en tilhørende egenvektor: løs det tilhørende lineære likningssystemet (finn alle løsninger). Velg ut, om mulig, n lineært uavhengige slike egenvektorer. 3. La P være matrisen med disse egenvektorene som kolonner, og la D være diagonalmatrisen med egenverdiene på diagonalen. Eks. Talleksempel på tavle. Deretter: forandre a 33 til 2. A = 1 2 0 0 3 4 0 0 3 5 / 14

TEOREM 6: Hvis en n n-matrise A har n distinkte egenverdier, så er A diagonaliserbar. Bevis: Følger direkte fra Teorem 2: egenvektorer som svarer til distinkte egenverdier er lin.uavh.; bruk så Teorem 5. Eks. A triangulær med distinkte diagonalelementer, f.eks. A = 1 6 7 π 0 2 1 8 0 0 7 4 0 0 0 7.1 6 / 14

Hva skjer når A har færre enn n distinkte egenverdier? Svaret er i følgende teorem, som vi gir uten bevis. TEOREM 7: La A være en n n matrise med distinkte egenverdier λ 1, λ 2,..., λ p. 1. For k p er dimensjonen til egenrommet for λ k mindre enn eller lik multiplisiteten til egenverdien λ k. (Vi sier: geometrisk multiplisitet er mindre enn eller lik algebraisk multiplisitet.) 2. A er diagonaliserbar hvis og bare hvis summen av dimensjonene til de distinkte egenrommene er lik n, og dette skjer hvis og bare hvis geometrisk og algebraisk multiplisitet er den samme for hver egenverdi. 3. Hvis A er diagonaliserbar og B k er en basis for egenrommet for λ k (k p), så er k B k en egenvektor basis for IR n. 7 / 14

Kan ut fra Teorem 7 utvide minimetoden til å diagonalisere (små) matriser. Hvis f.eks. en egenverdi λ har algebraisk multiplisitet 2, så må vi bestemme det tilhørende egenrommet og finne 2 lineært uavhengige basisvektorer for dette. Hvis dimensjonen er 1, så vet vi fra teoremet at A ikke er diagonaliserbar. Betrakt matrisen A = [ 1 2 0 1 A er ikke diagonaliserbar! Fordi: Skriv ut Ax = λx; gir at eneste egenverdi er λ = 1 med alg.mult. 2, og tilhørende egenrom Span {e 1 }. Så A har ikke to lin. uavh. egenvektorer. ] 8 / 14

5.4 Egenvektorer og lineære avbildninger Målet her er å forstå sammenhengen mellom diagonalisering av en matrise og egenskaper ved den tilhørende lineær avbildningen. Husk: Enhver lineær avbildning T kan representeres ved en matrise straks vi har valgt en basis for hvert vektorrom. T svarer da til matrisemultiplikasjon. 9 / 14

Matrisen til en lineær avbildning La V og W være vektorrom av dimensjon hhv. n og m, og la hhv. B = {b 1, b 2,..., b n } og C = {c 1, c 2,..., c m } være ordnede basiser for disse to rommene. For hver x V har vi koordinatvektoren [x] B IR n, si [x] B = (r 1, r 2,..., r n ). Så x = n j=1 r jb j. Har nå: [T (x)] C = [T ( n j=1 r jb j )] C = [ n j=1 r jt (b j )] C = n j=1 r j[t (b j )] C = M[x] B. der M er matrisen for T relativt til basisene B og C: M = [ [T (b 1 )] C [T (b 2 )] C [T (b n )] C ] IR m n. 10 / 14

Lineær avbildninger fra V til V Anta nå at W = V og C = B. Da kalles matrisen M for matrisen for T relativt til B, eller bare B-matrisen for T. Den betegnes med [T ] B. Denne matrisen avhenger naturligvis av valg av basis B. Skal nå se en viktig situasjon der B-matrisen blir spesielt enkel! Lineære avbildninger på IR n TEOREM 8: (Diagonal matrise repr.) La A = PDP 1 der D er en diagonalmatrise og P er invertibel. La B være den ordnede basisen bestående av kolonnene i P. Da er D lik B-matrisen for lineær avbildningen T : x Ax. Her er kolonnene i P egenvektorer for A og diagonalelementene i D er tilhørende egenverdier. Vi ser nærmere på beviset for å komme inn i det som foregår her! Se nøye på hvert skritt! 11 / 14

Bevis: La b 1, b 2,..., b n være kolonnene i matrisen P; dette må være en basis for IR n siden P er invertibel. Da er P koordinatskiftematrisen P B som jo oppfyller P[x] B = x, [x] B = P 1 x. Betrakt den lineære avbildningen T (x) = Ax. Har da [T ] B = [ [T (b 1 )] B [T (b n )] B ] = [ [Ab 1 ] B [Ab n ] B ] = [ P 1 Ab 1 P 1 Ab n ] = P 1 A [ b 1 b n ] = P 1 AP = D. 12 / 14

Eks. Betrakt A = Da er A = PDP 1 der 1 1 1 P = 1 2 3, P 1 = 1 3 6 7 4 1 3 2 1 0 6 2. 3 3 1 3 5 2 1 2 1, D = 4 0 0 0 2 0 0 0 1 Så B-matrisen for A, der B er kolonnene i P, er diagonalmatrisen D. (Her er forresten P Pascalmatrisen av orden 3; bruk Matlab kommandoen pascal(n) til å lage elementene du kjenner fra Pascal s trekant!). 13 / 14

Similaritet I beviset for Teorem 8 spilte det ingen rolle at D var diagonalmatrise. Så hvis A er similær med C, dvs. A = PCP 1 for en invertibel matrise P, og B er basisen som består av kolonnene i P, så er C lik B-matrisen for avbildningen x Ax. Og, omvendt, enhver B-matrise for x Ax vil være similær med A. Så matriser som er similære med A er nettopp de matrisene som er matriserepresentasjoner av den tilhørende lineær avbildningen i ulike basiser. Numerisk: Matlab demo! 14 / 14