Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Samankaltaiset tiedostot
Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Lineaarinen yhtälöryhmä

802118P Lineaarialgebra I (4 op)

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

Gaussin ja Jordanin eliminointimenetelmä

s = 11 7 t = = 2 7 Sijoittamalla keskimmäiseen yhtälöön saadaan: k ( 2) = 0 2k = 8 k = 4

2.5. Matriisin avaruudet ja tunnusluvut

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Vektoreiden virittämä aliavaruus

Liittomatriisi. Liittomatriisi. Määritelmä 16 Olkoon A 2 M(n, n). Matriisin A liittomatriisi on cof A 2 M(n, n), missä. 1) i+j det A ij.

Kurssin loppuosassa tutustutaan matriiseihin ja niiden käyttöön yhtälöryhmien ratkaisemisessa.

Matriisi-vektori-kertolasku, lineaariset yhtälöryhmät

Insinöörimatematiikka D

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

Matriisilaskenta Luento 8: LU-hajotelma

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. Olkoot A 2 := AA =

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

Insinöörimatematiikka D

DEE Sähkötekniikan perusteet

Matematiikka B2 - TUDI

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Talousmatematiikan perusteet: Luento 11. Lineaarikuvaus Matriisin aste Käänteismatriisi

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Talousmatematiikan perusteet: Luento 10. Lineaarikuvaus Matriisin aste Determinantti Käänteismatriisi

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Ennakkotehtävän ratkaisu

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut

Vektorien virittämä aliavaruus

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Demo 1: Simplex-menetelmä

Vapaus. Määritelmä. Vektorijono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa eli lineaarisesti riippumaton, jos seuraava ehto pätee:

6 Vektoriavaruus R n. 6.1 Lineaarikombinaatio

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

Matriisilaskenta. Harjoitusten 3 ratkaisut (Kevät 2019) 1. Olkoot AB = ja 2. Osoitetaan, että matriisi B on matriisin A käänteismatriisi.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Avaruuden R n aliavaruus

Lineaariset kongruenssiyhtälöryhmät

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

5 Lineaariset yhtälöryhmät

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

Insinöörimatematiikka D

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 5, Syksy 2015

Käänteismatriisin ominaisuuksia

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

Osittaistuenta Gaussin algoritmissa: Etsitään 1. sarakkeen itseisarvoltaan suurin alkio ja vaihdetaan tämä tukialkioiksi (eli ko. rivi 1. riviksi).

Matriisialgebra harjoitukset, syksy x 1 + x 2 = a 0

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

Lineaarialgebra (muut ko)

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Numeeriset menetelmät

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

10 Matriisit ja yhtälöryhmät

Aiheet. Kvadraattinen yhtälöryhmä. Kvadraattinen homogeeninen YR. Vapaa tai sidottu matriisi. Vapauden tutkiminen. Yhteenvetoa.

Insinöörimatematiikka D

Matriisilaskenta (TFM) MS-A0001 Hakula/Vuojamo Ratkaisut, Viikko 47, 2017

Insinöörimatematiikka D

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/210

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A0004/MS-A0006 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6 / vko 42

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Insinöörimatematiikka D

Tehtäväsarja I Kertaa tarvittaessa materiaalin lukuja 1 3 ja 9. Tarvitset myös luvusta 4 määritelmän 4.1.

Insinöörimatematiikka D

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Lineaariset yhtälöryhmät ja matriisit

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Oppimistavoitematriisi

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Transkriptio:

2. MS-A000 Matriisilaskenta 2. Nuutti Hyvönen, c Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 2..205 Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia { 2x x 2 = x x 2 = 5. Matriisimuodossa ( ) tämä( kirjoitetaan ) Ax ( ) = b, missä 2 x A =, x = ja b =, x 2 5 ( ) ( ) ( ) 2 x =. 5 x 2 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2. 2. Tulkinta : kumpikin yhtälöparin yhtälö kuvaa suoraa tasossa R 2, ja mahdollinen ratkaisu x = (x, x 2 ) on suorien leikkauspiste. Tulkinta 2: matriisi A määrittelee kuvauksen (= funktion) R 2 R 2, x Ax. Halutaan löytää piste x R 2, jolle Ax = (, 5). Yleisesti: Lineaarinen yhtälöryhmä Ax = b, missä annettuina ovat A = (a ij ) R m n ja b = (b,..., b m ) R m, ja halutaan ratkaista x = (x,..., x n ) R n : a x a 2 x 2... a n x n = b a 2 x a 22 x 2... a 2n x n = b 2. a m x a m2 x 2... a mn x n = b m. 3 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 4 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2.

2. Tulkinta : kukin rivi a k x... a kn x n = b k ( k m) on yhtälö hypertasolle avaruudessa R n. (Suora, kun n = 2; taso, kun n = 3.) Mahdollinen ratkaisu x R n on kaikille hypertasoille (m kpl) yhteinen piste. Tulkinta 2: Matriisi A määrittelee kuvauksen R n R m, x Ax. Etsitään pistettä x R n, joka kuvautuu pisteeksi b R m. 2. Esimerkki (lasketaan luennolla) 3 Olkoon A = 3 5. Määritellään kuvaus T : R 2 R 3 säännöllä T (x) = Ax, ts. T (x) = Ax = 3 3 5 ( x x 2 a) Etsi pisteen u = (2, ) kuva T (u). ) = b) Etsi x R 2 siten, että T (x) = (3, 2, 5). c) Löytyykö b-kohdassa useampia ratkaisuja? x 3x 2 3x 5x 2 x x 2 d) Löytyykö pistettä x R 2 siten, että T (x) = (3, 2, 5)?. 5 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 6 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2. Tarkastellaan hieman laajempaa esimerkkiä. On annettu kolme R 3 :n vektoria: a = 2, 2 a 2 = 4, 3 a 3 = 8. 3 6 Etsitään vektorin b = 6 esitys vektoreiden {a, a 2, a 3 } avulla. Tarkasteltavana on siis yhtälö a x a 2 x 2 a 3 x 3 = b, missä x, x 2, x 3 R ovat tuntemattomia, jotka on tarkoitus ratkaista, jos mahdollista. / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2. Kirjoitetaan tämä yhtälöryhmäksi: x 2x 2 3x 3 = 2x 4x 2 8x 3 = 6 3x 6x 2 x 3 = Etsitään siis toisaalta kolmen tason leikkauspisteitä. Sama matriisimuodossa Ax = b: 2 3 x 2 4 8 x 2 = 6 } 3 6 {{ x 3 }}{{} }{{} A x b 8 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2.

2. 2. Siis: 2 3 x 2 4 8 x 2 = 6 3 6 x 3 2 3 2 x 4 x 2 8 x 3 = 6 3 6 x 2x 2 3x 3 = 2x 4x 2 8x 3 = 6 3x 6x 2 x 3 = Mitä tiedämme ratkaisujen lukumäärästä? Ratkaisuja voi olla 0 kpl: Tasot eivät leikkaa, A ei kuvaa mitään vektoria b:lle. 2 kpl: Tasot leikkaavat yhdessä pisteessä, {a, a 2, a 3 } on kanta. 3 kpl: Tasot leikkaavat pitkin suoraa/tasoa, A:n ydin on ei-triviaali. Hyödyllinen käsite on A:n kuva-avaruus R(A), jonka alkiot ovat kaikki vektoreiden a, a 2, a 3 lineaarikombinaatiot. Jos ratkaisua ei ole olemassa, tulkitaan, että b / R(A). 9 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 0 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2. 2.2 Perinteisesti yhtälöryhmät ratkaistaan lisäämällä ja vähentämällä yhtälöitä toisistaan, jollakin kertoimilla painotettuina. Matriisimuodossa vastaavat operaatiot voidaan tehdä yksinkertaisemmin merkinnöin. Kirjoitetaan matriisiyhtälö liittomatriisiksi a a 2... a n a 2 a 22... a 2n [A b]...... a m a m2... a mn Suoritetaan sitten ratkaisu Gaussin algoritmilla: b b 2.. b m x 2x 2 3x 3 = 2x 4x 2 8x 3 = 6 3x 6x 2 x 3 = x 2x 2 3x 3 = 8x 2 4x 3 = 8 2x 3 = 4 x 2x 2 = 5 8x 2 = 20 x 3 = 2 2 3 2 4 8 3 6 2 3 0 8 4 0 0 2 2 0 0 8 0 0 0 2 6 3 8 4 :2 4 5 20 :8 2 2 3 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2.

2.2 2.2 x = 0 x 2 = 5/2 x 3 = 2 0 0 0 0 0 0 Ratkaisu on siis x = (x, x 2, x 3 ) = (0, 5/2, 2). (Tarkista sijoittamalla!) 0 5/2 2 Tämä piste on alkuperäisten tasojen ainoa leikkauspiste. Se on myös piste/vektori, jonka matriisi A kuvaa pisteeksi/vektoriksi b. Toisaalta, nämä kertoimet ovat vektorin b koordinaatit, kun se ilmoitetaan kannassa {a, a 2, a 3 }, 0 a 5 2 a 2 2a 3 = b. Esimerkki 2 (lasketaan luennolla) Etsi menetelmällä yhtälöryhmän x 2x 2 x 3 = 0 2x 2 8x 3 = 8 4x 5x 2 9x 3 = 9 ratkaisu. Vastaus: x 29 x 2 = 6 x 3 3 3 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 4 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2.2 2.2 menetelmässä lineaarinen matriisiyhtälö Ax = b kirjoitetaan liittomatriisina [A b], jota muokataan rivioperaatioin: lisämällä (painotettu) rivi toiseen riviin vastaa (painotetun) yhtälön lisäämistä toiseen 2 vaihtamalla kahden rivin paikkaa keskenään vastaa yhtälöiden paikan vaihtoa 3 kertomalla yksittäinen rivi vakiolla c 0 vastaa yhden yhtälön kertomista vakiolla c 0 Jos lineaarisesta yhtälöstä Ax = b saadaan rivioperaatioin C x = d, merkitään [A b] [C d]. Esimerkki 3 (lasketaan luennolla) Etsi virrat I, I 2 ja jännite E. I 60V 3 Ω Ω 80V 3A 2 Ω 3 Ω I 2 E 5 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 6 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2.

2.2 2.2 Ratkaisu: Kirchhoffin virtalain mukaan virtapiirissä tiettyyn pisteeseen tulevien ja siitä lähtevien virtojen summa on sama, joten piirin yläreunan keskellä olevassa risteyksessä täytyy päteä I 3 = I 2 (A). Kirchhoffin jännitelain mukaan potentiaalierojen summan virtapiirin ympäri täytyy olla nolla, joten vasemman puoleisesta piiristä saadaan 60 = 3I 80 I (V ) ja oikeasta E = 2I 2 3I 2 80 (V ), kun muistetaan, että vastuksen aiheuttama potentiaalin muutos on U = RI. Saadaan siis yhtälöryhmä I I 2 = 3 4I = 20 5I 2 E = 80. Matriisimuodossa 0 4 0 0 0 5 I 3 I 2 = 20. E 80 askeleilla tämä saadaan muotoon 0 0 I 5 0 0 I 2 = 8 0 0 E 40 (Huomaa, että kahden ylimmän rivin järjestystä on vaihdettu!). Vastaus on siis I = 5A, I 2 = 8A ja E = 40V. Olisikin näemmä kannattanut valita virran I suunta toisin päin. / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 8 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 2.2 2.2 Esimerkki 4 Etsi yhtälöryhmän kaikki ratkaisut, kun x 2x 2 3x 3 4x 4 = 2x 4x 2 8x 3 0x 4 = 6 3x 6x 2 x 3 4x 4 = Ax = b Ratkaisu: Kirjoitetaan yhtälö matriisimuotoon Ax = b, x 2 3 4 2 4 8 0 x 2 x 3 6 4 3 = 6. x 4 Ennen kuin sijoitamme liittomatriisiin oikealle puolelle vektorin b b = 6, suoritetaan minaatioaskeleet yleisellä b = b 2. b 3 2 3 4 b 2 3 2 4 8 0 b 2 3 6 4 2 3 4 0 0 2 2 0 0 2 2 b 3 b b 2 2b b 3 3b 9 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2. 20 / 32 N. Hyvönen, c R. Kangaslampi 2.