4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Transkriptio

1 BMA58 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 6, Syksy 5. Olkoon [ 6 6 A =, B = 4 [ 3 4, C = 4 3 [ 5 Määritä matriisien A ja C ominaisarvot ja ominaisvektorit. Näytä lisäksi että matriisilla B ei ole reaalisia ominaisarvoja. Vastaussivulla on mielenkiinnon vuoksi annettu myös B:n ominaisarvot ja ominaisvektorit, jos kompleksiluvut sattuvat olemaan lukiosta tuttuja niin mikään ei näidenkään määrittämistä estäisi mutta nyt sitä ei vaadita).. Määritellään matriisit A = [ 4, B = 8 Laske kullekin matriisille seuraavat laskut: (a) Laske matriisin determinantti. (b) Määritä matriisin rank ja nullity. [ 3, C = (c) Tutki ovatko matriisin sarakkeet toisistaan lineaarisesti riippumattomia. (d) Jos mahdollista, etsi matriisin käänteismatriisi. 3. Käytännön tilanteissa joissa ratkotaan lineaarialgebran ongelmia ei (juuri) koskaan vatkata Gauss- Jordan -eliminaatiota kynällä ja paperilla, vaan se tehdään tietokoneella. Ongelman lopullinen ratkaisu ei kuitenkaan ole vielä siinä vaiheessa käsillä, vaan tietokoneen antama syöte pitää vielä osata tulkita oikealla tavalla. Oletetaan nyt, että meillä on jokin ongelma, joka on puettu matriisiyhtälön muotoon ja ratkaistu tietokoneella. Alla on erinäisiä ratkaistuja matriiseja, jotka ovat siis muodosta à = [A b Gauss-Jordan eliminaatiolla redusoituja matriiseja. A ja b ovat tietysti tutun muodon Ax = b kerroinmatriisi ja epähomogeenisuusosa. Tulkitse näiden matriisien antama ratkaisu. Mieti ratkaisun seuraavia aspekteja (niitä ei tarvitse kirjoittaa ratkaisuun): Mikä on ratkaisuavaruuden dimensio? Mitkä x i saivat kiinteän arvon (kuten x = )? Onko sellaisia x i joiden arvojen muuttaminen ei vaikuta minkään muun muuttujan arvoihin? (a) [ (b) (d) (c) (e) Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C = 3, R =, R = 3 5 ja L =. Tälläinen piiri noudattaa yhtälöä [ [ [ d I = I dt V 3 5. V [ I Merkitään = x ja sijoitetaan yrite x = e V λt v, missä λ ja v ovat vakioita joiden arvot pitää selvittää. Nyt siis systeemillä on ratkaisu jos ja vain jos λe λt v = [ 3 5 e λt v, eli λv = [ 3 5 v.

2 (a) Laske systeemin virta ja jännite ajan funktiona. Eli: laske yllä annetun matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit, jotka ovat tietenkin yhtälössä näkyvät λ ja v. Kun ne on laskettu, ne voidaan sijoittaa suoraan yritteen lausekkeeseen x = e λt v. Tullaan siis saamaan kaksi tämänmuotoista termiä, ja piirin lopullinen ratkaisu on näiden kahden termin summa. Huomaa että vastaukseen jää vapaita parametreja koska ominaisvektorit eivät ole yksikäsitteisiä. (b) Heitetään vielä tehtävään mukaan alkuarvo, jotta kaikkien vakioiden arvot voidaan kiinnittää ja saada yksikäsitteinen ratkaisu: Ajanhetkellä t = pätee I() = ja V () =. Tämä tarkoittaa siis sitä, että alussa piirissä ei kulje virtaa, ja kondensaattoriin on varautuneena voltin jännite. Voimme olettaa, että systeemissä on katkaisija, joka käännetään päälle ajanhetkellä t =. C R R L 5. Olkoon A ja B ei-singulaarisia 3 3 matriiseja. (a) Ratkaise vektori x kun Ay = Bx + y (b) Ratkaise matriisi X yhtälöstä AXB = A, (c) Olkoon a = [ ja b = [ 3. Määritä ne yksikkövektorit c jolle kulmat a:n että b:n kanssa ovat yhtäsuuret. 6. Lineaarialgebralla on paikkansa ekonomiassakin. Kuuluisassa Leontiefin mallissa mietitään minkä verran erilaisten tuotantosektoreiden pitäisi tuottaa resursseja jotta tuotantosektoreiden ulkopuolinen kysyntä saataisiin tyydytettyä. Erilaisia tuotantosektoreita/resurssitarpeita on reaalimaailmassa paljon mutta yksinkertaistetaan ja otetaan tähän tehtävään vain kolme tuotantosektoria: Teollisuus, maatalous ja palvelut. Olkoon teollisuuden tuotantomäärä x, maatalouden tuotantomäärä x ja palvelujen tuotantomäärä x 3. Yksiköillä ei tule olemaan oikeastaan suurempaa väliä tulevassa mallissamme. Vastaavasti merkitään sektoreiden tuotteiden ulkopuolisen kysynnän määriä symboleilla d, d ja d 3. Jos v vektori sisältää tuotantokoneiston itsensä pyörittämisen vaatimien resurssien määrän niin kysynnän tarjonnan tasapainoyhtälö on x = d + v () Jos tiedämme määrät, jonka verran tietty tuottava sektori vaatii muilta sektoreilta yhtä itse tuottamaansa yksikköä kohden, voimme kirjoittaa tämän tiedon sarakevektoriksi c i, jolloin saadaan v = x c + + x n c n = Cx, missä C = [ c c n. Tarkoituksena on löytää tuotantovektori x joka toteuttaa yhtälön (). Kyseinen vektori edustaa siis tilannetta jossa miltään tuotantosektorilta ei tule ylimääräistä tuotantoa, eikä myöskään mikään sektori joudu kärsimään pulaa tarvitsemistaan raaka-aineista (tai palveluista). Alla olevan taulukko esittää nyt matriisia C. Tulkinta menisi siten että esimerkiksi yhden maatalousresurssiyksikön tuottaminen kuluttaa.4 yksikköä teollisuusresursseja,.3 yksikköä maatalouden omia resursseja ja. yksikköä palveluresursseja. Teollisuuden kysyntä Maatalouden kysyntä Palvelujen kysyntä Teollisuus.5.4. Maatalous..3. Palvelut...3 (a) Jos teollisuussektori aikoisi tuottaa yksikköä omaa tuotettaan, minkä verran se loisi kysyntää kullekin kolmesta sektorista?

3 (b) Jos ulkopuolinen kysyntä on 5 yksikköä teollisuudelta, 3 yksikköä maataloudelta ja yksikköä palveluilta, mikä silloin on optimaalinen tuotantovektori x? (c) Oletetaan että talous on tasapainossa, eli tuotanto vastaa täysin kysyntää. Tuotantovektori x = [ 5 T. Mikä on silloin kysyntä d? Huom. Tämä malli ei ottanut nyt kantaa siihen miten kunkin sektorin tuotannot pitäisi hinnotellla että homma olisi rahallisesti tasapainossa. Tälläinen tasapainohintojen etsiminen on varsin samantyyppinen ongelma kuin tehtävässä käsitelty tuotannon määrien optimointi. 7. (a) Olkoon v = [ T, v = [ T, v3 = [ T ja b = [ 3 3 T. Määritä kertoimet c, c ja c 3 siten että b = c v + c v + c 3 v 3. (b) Jos vektorit v i ovat matriisin B R 3 3 ominaisvektoreita joihin liittyvät ominaisarvot ovat λ =., λ = ja λ 3 =, määritä Bb. Huomaa ettei matriisia B tarvitse määrittää. 8. Olkoon matriisi B kuten edellisessä tehtävässä. Prosessissa alkutuotteista x, x ja x 3 tuotetaan lopputuotteita y, y ja y 3 kaavan Bx = y mukaisesti. Ratkaise seuraavat ongelmat jokaiselle i =,,3: (a) Jos alkutuotteiden määrä laskee määrästä [,, T määrään [,, T v i niin kuinka paljon muuttuu lopputuotteiden määrä? (b) Jos lopputuotteiden määrän on noustava määrästä [,, T määrään [,, T + v i, niin paljonko on alkutuotteiden määrän noustava?

4 Vastauksia: Teht.#: [ [ [ 8 A: 4,,c, c R,c, c R B: 3 ± 4i,c [ [ i C: 6,,c, c R,c, c R, c R,c [ i Teht.#: A: det(a) =, rank(a)=, null(a)=, lineaarisesti riippuvaisia, ei käänteismatriisia [ B: det(b) =, rank(b)=, null(b)=, lineaarisesti riippumattomat, C: det(c) =, rank(c)=3, null(c)=, lineaarisesti riippumattomat, 3, c R Teht.#3: (a) x = 3 + x 3, x 3 R (b) x = 4 + x x 5, x 4, x 5 R (c) x = + x 3 + x , x 3, x 5 R (d) x = 3 + x 3 + x 6, x 3, x 6 R 3 (e) Sama kuin kohdassa (d). Teht.#4: [ [ (a) x = c e t + c e t [ [ 3 (b) x = e t e t 3 Teht.#5: (a) x = B (A I)y (b) X = B (c) c = c [ v v T, missä c = ± ( v v ) +, v = 5 3 ja v = 5. Teht.#6: (a) (5,,). (b) (35.85, 73.48, ) (c) (, 45, 35) Teht.#7: (a) c = (,,) (b) (.,,.)

5 Teht.#8: (a) Lopputuotteet vähenevät λ i v i :n verran. (b) Alkutuotteiden määrän on noustava λ i v i verran.