Notat2 - MAT Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger

Like dokumenter
MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

4.4 Koordinatsystemer

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

4.1 Vektorrom og underrom

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

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

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

4.4 Koordinatsystemer

Lineær uavhengighet og basis

UNIVERSITETET I OSLO

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

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

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

6.4 Gram-Schmidt prosessen

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Lineærtransformasjoner

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

OBLIG 2 - MAT 1120 Høsten 2005

4.1 Vektorrom og underrom

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

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

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

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

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

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

UNIVERSITET I BERGEN

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

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

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

6.5 Minste kvadraters problemer

12 Lineære transformasjoner

= 3 11 = = 6 4 = 1.

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

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

4.1 Vektorrom og underrom

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

4.1 Vektorrom og underrom

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

Løsningsforslag øving 7

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

Lineær algebra-oppsummering

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

UNIVERSITETET I OSLO

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

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

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

Egenverdier for 2 2 matriser

MA1202/MA S løsningsskisse

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

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

Kap. 5 og Notat 2 Oppsummering

5.5 Komplekse egenverdier

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

16 Ortogonal diagonalisering

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

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

Diagonalisering. Kapittel 10

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

Løsningsforslag øving 6

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

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

(3/2)R 2+R 3 R 1 +R 2,( 2)R 1 +R 3 ( 2)R 1 +R 4 6/5R 3 +R 4 1/5R 3

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

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

Egenverdier og egenvektorer

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

Høgskolen i Oslo og Akershus. 1 (x 2 + 1) 1/2 + x 1 2 (x2 + 1) 1/2 (x 2 + 1) = x 2x 2 x = = 3 ln x sin x

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Forelesning 10 Cramers regel med anvendelser

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

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

Mer om kvadratiske matriser

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 7 L SNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I SIF5009 MATEMATIKK 3 Bokmål Man

Mer om kvadratiske matriser

UiO MAT1012 Våren Ekstraoppgavesamling

Transkript:

Notat2 - MAT1120 - Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger Dette notatet uftfyller bokas avsn 54 om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger mellom endelig dimensjonale vektorrom En matriserepresentasjon av en slik avbildning inneholder all ønskelig informasjon om avbildningen, man trenger bare å oversette informasjonen tilbake Vi skal først gi en illustrasjon av denne prossessen La T : V W være en lineær avbildning mellom to endelig dimensjonale vektorrom V og W Anta at V har en basis B = {b 1,, b n } mens W har en basis C = {c 1,, c m }, så dim V = n, mens dim W = m La M være matriserepresentasjonen av T mhp basisene B og C, så M er m n matrisen som er slik T (v)] C = Mv] B, v V La så T M : R n R m være lineær avbildningen gitt ved T M (x) = Mx, x R n Da gjelder følgende : 1) T er 1-1 T M er 1-1 2) T er på W T M er på R m 3) T er en isomorfi T M er en isomorfi n = m og M er invertibel 4) Dersom n = m, så er T er en isomorfi M er invertibel, og da er matrisen til T 1 mhp basisene C og B gitt ved M 1 5) Dersom n = m, så er T er en isomorfi T er 1-1 T er på W Før vi sier litt om beviset, bemerker vi først at det å avgjøre når T M er 1-1, eller når T M er på R m, er noe vi vet hvordan kan gjøres (cf kapittel 1 i Lays bok) : feks er T M 1-1 Nul M = {0} alle kolonnevektorene til M er lineært uavhengige, mens T M er på R m kolonnevektorene til M utspenner R m I begge tilfellene kan spørsmålet lett avgjøres ved å betrakte den reduserte trappeformen til M Dernest bør det legges til at man i situasjonen ovenfor generelt har at dim Ker T = dim Ker T M = dim Nul M, mens dim T (W ) = dim T M (R n ) = dim Col M = rang M, og rangteoremet for matriser 1

gir oss da det generelle rangteoremet for lineære avbildninger mellom endelig dimensjonale vektorrom, som sier at dim Ker T + dim T (W ) = n = dim V Ad 1) : Anta at T er 1-1 For å vise at T M er da 1-1, antar vi at T M (x) = T M (y), x, y R n Da er Mx = My Velg nå v, v V slik at v] B = x, v ] B = y Vi får da at T (v)] C = Mv] B = Mv ] B = T (v )] C, og det følger at T (v) = T (v ) (siden koordinatiseringsavbildningen mhp C er 1-1), som igjen medfører at v = v (siden T er 1-1 p antagelse) og derfor at x = v] B = v ] B = y Dette viser at T M er 1-1 Den omvendte implikasjonen vises på en liknende måte Ad 2) : Ekvivalensen vises med en tilvarende akrobatikk som for punktet 1) (anbefales som oppgave for interesserte) Ad 3) : Første ekvivalens følger av 1) og 2) Anta så at T M er en isomorfi, så T M er både 1-1 og på Da er Nul M = 0, så n = rang M Videre er også Col M = R m, så rang M = m Altså er da n = m, og M er invertibel ved IMT Dette viser impliksjonen i den andre ekvivalensen Den omvendte implikasjonene følger direkte av IMT Ad 4) : Anta at n = m Den påståtte ekvivalensen følger opplagt av 3) Anta at T er isomorfi, så M er invertibel, og la N være matrisen til T 1 mhp basisene C og B Vi skal nå vise at N = M 1 La w W og la v = T 1 (w), så w = T (v) Da er samtidig som så v] B = T 1 (w)] B = Nw] C, (1) w] C = T ( v)] C = Mv] B, v] B = M 1 w] C (2) Fra (1) og (2) får vi at Nw] C = M 1 w] C Siden w var en vilkårlig vektor i W, følger det at N = M 1, som ønsket Ad 5) : Anta at n = m Hvis T er 1-1 er da T M 1-1 (ved 1)), og vi vet da fra IMT at T M er en isomorfi, slik at T er en isomorfi (ved 3)) Tilsvarende, hvis T er på er da T M på (ved 2)), og vi vet da fra IMT at T M er en isomorfi, slik at T er igjen en isomorfi De to andre implikasjonene som gjenstår er trivielle 2

La oss nå se på et eksempel der dette resultatet er nyttig La a 0, a 1,, a n være innbyrdes forskjellige reelle tall, og betrakt lineær avbildningen T : P n R n+1 definert ved T (p) = (p(a 0 ), p(a 1 ),, p(a n )), p P n Da er T en isomorfi Vi kan nemlig argumentere som følger: Siden dim P n = n + 1 = dim R n+1, er det nok (ved 5)) å sjekke at T er 1-1 Så anta at T (p) = T (q), der p, q P n Da er p(a j ) = q(a j ), j = 0, 1,, n Dette betyr at (p q)(a j ) = 0, j = 1,, n, så polynomet p q har n + 1 forskjellige røtter Siden p q har grad høyst lik n, må da p q være 0-polynomet, dvs p = q At T er en isomorfi betyr at hvis b 0, b 1,, b n er reelle tall, så fins det et entydig bestemt polynom p P n som er slik at p(a 0 ) = b 0, p(a 1 ) = b 1,, p(a n ) = b n, altså som er slik at grafen til p går gjennom alle punktene i planet gitt ved (a 0, b 0 ), (a 1, b 1 ),, (a n, b n ) Videre kan vi bruke siste del av 4) til å finne p : la nemlig M være matrisen til T mhp standardbasisen B = {1, t,, t n } for P n og standardbasisen C for R n+1 Man regner enkelt ut at M = T (1) T (t) T (t n )] = 1 a 0 a n 0 1 a 1 a n 1 1 a n a n n Matrisen M er da invertibel (noe som kan forøvrig sjekkes ved å regne ut at dens determinant er forskjellig fra 0 - men dette krever en viss oppfinnsomhet, og det slipper vi nå) Vi kan nå finne p ved å regne ut M 1 og bruker deretter at p] B = M 1 (b 0, b 1,, b n ) La oss si at vi, noe mer konkret, ønsker å bestemme polynomet p i P 2 som er slik at Vi får da at M = p(0) = b 0, p(1) = b 1, p(2) = b 2 1 0 0 1 1 1 1 2 4, M 1 = 3/2 2 1/2 1 0 0 1/2 1 1/2, 3

slik at p] B = M 1 (b 0, b 1, b 2 ) = (b 0, 3 2 b 0 + 2b 1 1 2 b 2, 1 2 b 0 b 1 + 1 2 b 2), som gir at p(t) = b 0 + ( 3 2 b 0 + 2b 1 1 2 b 2)t + ( 1 2 b 0 b 1 + 1 2 b 2)t 2 Vi skal nå se nærmere på spesialtilfellet der W = V og C = B, dvs vi betrakter en lineær avbildning T : V V og antar at V har en basis B Vi minner om fra avsn 54 at matrisen til T mhp B betegnes med T ] B Ved å bruke 4) ovenfor får vi da at T er en isomorfi T ] B er invertibel, og at da er matrisen til T 1 mhp B gitt ved (T ] B ) 1 For eksempel, la V = Span {e x sin(x), e x cos(x)} og betrakt lineær avbildningen D : V V gitt ved D(f) = f (= den deriverte av f) Det er lett å sjekke at B = {e x sin(x), e x cos(x)} er en basis for V, og at ] 1 1 D] B = 1 1 Denne matrisen har determinant lik 2 og er derfor invertibel Så D er en isomorfi, og hvis g V, finner vi f = D 1 (g) ved f] B = (D] B ) 1 g] B = 1 ] 1 1 g] 2 1 1 B Funksjonen f er p def en antiderivert av g, som man vanligvis ville finne ved hjelp av en delvis-integrasjon prossess Hvis fėks g(x) = e x sin(x) finner vi at f] B = 1 ] ] 1 1 1 = 1 ] 1, 2 1 1 0 2 1 dvs f(x) = e x sin(x)dx = 1 2 (ex sin(x) e x cos(x)) Vi betrakter igjen en lineær avbildning T : V V og antar nå at B og B begge er basiser for V La P betegne koordinatskifte-matrisen fra B til B Da har vi at T ] B = P T ] B P 1 ( ) 4

som spesielt viser at T ] B og T ] B er similære matriser Denne nyttige formelen er enkel å utlede hvis man husker hvordan de involverte matrisene virker : for alle v V har vi nemlig at T ] B v] B = T (v)] B = P T (v)] B = P T ] B v] B = P T ] B P 1 v] B Som et første eksempel på hvordan formelen ( ) brukes i praksis betrakter vi lineær ] avbildningen T : R 2 ] R 2 med ] standardmatrise 3 4 2 1 A = og basisen B 1 1 = {, } 1 2 For å finne T ] B, lar vi B betegne standardbasisen for R 2 og lar Q være koordinatskifte-matrisen fra B til B ] ] 2 1 2 1 Da er Q = B ] =, og Q 1 2 1 = 1 Siden 5 1 2 P := Q 1 er koordinatskifte-matrisen fra B til B, så gir ( ) oss at = ( 1 2 1 5 1 2 T ] B = P T ] B P 1 = Q 1 AQ ]) ] ] 3 4 2 1 = 1 1 1 2 1 5 0 1 Som en annen anvendelse av formelen ( ) skal vi nå utlede hvordan man kan finne standardmatrisen A til speilingen S : R 2 R 2 om linjen L : y = ax, der a er et reelt tall Det går an å finne A direkte med litt geometrisk innsikt, men vi kan gjøre dette nokså smertefritt ved å bruke ( ) Vi velger først en basis B for R 2 på følgende vis : vi setter v 1 = (1, a) (som er en retningsvektor for L), v 2 = ( a, 1) (som står ortogonalt på L), og lar B = {v 1, v 2 } Poenegt er at S(v 1 ) = v 1 og S(v 2 ) = v 2, så S] B = 1 0 0 1 La B betegne standardbasisen for R 2 og la P betegne] koordinatskiftematrisen fra B til B Da er P = v 1 v 2 ] = Videre får vi 1 a a 1 da at ] A = S] B = P S] B P 1 ] 5

1 a = a 1 Ved å gange ut får vi at ] 1 0 0 1 A = 1 1 + a 2 ] ( 1 1 a 1 + a 2 a 1 1 a 2 2a 2a a 2 1 ] ]) Legg merke til at i eksemplet ovenfor er B en egenvektorbasis for S og matrisen til S mhp B er da diagonal Dette vil alltid gjelde (cfteorem 8 i avsn 54) Mer generelt, anta at T : V V er en lineær avbildning og at V har en basis B = {v 1,, v n } Da finnes det reelle tall d 1,, d n slik at T (v 1 ) = d 1 v 1,, T (v n ) = d n v n T ] B er diagonalmatrisen med tallene d 1,, d n langs sin hoveddiagonal, og avbildningen T kalles da diagonaliserbar når det fins en slik egenvektorbasis for T Vi har da at hvis B er en vilkårlig annen basis for V, så er matrisen T ] B alltid diagonaliserbar, siden ( ) gir oss at T ] B er similær med diagonalmatrisen T ] B Omvendt, hvis det finnes en basis B for V som er slik at matrisen T ] B er diagonaliserbar, så kan det vises at T er da diagonaliserbar Men dette overlates som en oppgave for spesielt interesserte 6