Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

Samankaltaiset tiedostot
5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Esimerkki 4.4. Esimerkki jatkoa. Määrää matriisin ominaisarvot ja -vektorit. Ratk. Nyt

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

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.

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

Similaarisuus. Määritelmä. Huom.

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 5 - Ratkaisut / vko 41

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

Matriisi-vektori-kertolasku, lineaariset yhtälöryhmät

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Ortogonaalisen kannan etsiminen

C = {(x,y) x,y R} joiden joukossa on määritelty yhteen- ja kertolasku seuraavasti

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

Insinöörimatematiikka D

Numeeriset menetelmät

MS-A0003/A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

Ratkaisuehdotukset LH 10 / vko 48

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Insinöörimatematiikka D

Matematiikka B2 - TUDI

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

Alkeismuunnokset matriisille, sivu 57

Päättelyn voisi aloittaa myös edellisen loppupuolelta ja näyttää kuten alkupuolella, että välttämättä dim W < R 1 R 1

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

Demorastitiedot saat demonstraattori Markus Niskaselta Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/104

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

MS-A0002 Matriisilaskenta Luento 1:Vektorit ja lineaariyhdistelyt

Avaruuden R n aliavaruus

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

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Kanta ja Kannan-vaihto

Kanta ja dimensio 1 / 23

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Milloin A diagonalisoituva?

Insinöörimatematiikka D

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Matemaattinen Analyysi / kertaus

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Insinöörimatematiikka D

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.

Lineaarialgebra II P

Matriisilaskenta (TFM) MS-A0001 Hakula/Vuojamo Ratkaisut, Viikko 48, , c)

1 Avaruuksien ja lineaarikuvausten suora summa

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Paikannuksen matematiikka MAT

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

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

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

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

OMINAISARVOISTA JA OMINAISVEKTOREISTA

Tehtäväsarja I Seuraavat tehtävät liittyvät kurssimateriaalin lukuun 7 eli vapauden käsitteeseen ja homogeenisiin

8 KANNAT JA ORTOGONAALISUUS. 8.1 Lineaarinen riippumattomuus. Vaasan yliopiston julkaisuja 151

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

Tehtäväsarja I Seuraavat tehtävät liittyvät kurssimateriaalin lukuun 7 eli vapauden käsitteeseen ja homogeenisiin

pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Sisätuloavaruus Lineaarikuvaus Ominaisarvo 0-68

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Insinöörimatematiikka D

LINEAARIALGEBRA A 2016 TOMI ALASTE EDITED BY T.M. FROM THE NOTES OF

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Esimerkki 19. Esimerkissä 16 miniminormiratkaisu on (ˆx 1, ˆx 2 ) = (1, 0).

. Mitä olisivat y 1 ja y 2, jos tahdottaisiin y 1 (0) = 2 ja y 2 (0) = 0? x (1) = 0,x (2) = 1,x (3) = 0. Ratkaise DY-ryhmä y = Ay.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

800350A / S Matriisiteoria

Rollen lause polynomeille

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

Lineaarikuvaukset. 12. joulukuuta F (A r ) = F (A r ) r .(3) F (s) = s. (4) Skalaareille kannattaa määritellä lisäksi seuraavat tulot:

Lineaarialgebra, kertausta aiheita

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

Transkriptio:

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit Antti Rasila 2016

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 1/5 Määritelmä Skalaari λ C on matriisin A C n n ominaisarvo ja vektori v C n sitä vastaava ominaisvektori, jos Av = λv, v 0. Intuitiivisesti ominaisvektori on vektori, jonka suunta ei muutu kuvauksessa v Av. Myös vektorin v skalaarikerrannaiset αv C n, α C \ {0} ovat ominaisarvoon λ liittyviä ominaisvektoreita, koska A(αv) = αav = αλv = λ(αv). Matriisilaskenta 2/12

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 2/5 Kompleksiluku α C on matriisin A C n n ominaisarvo, jos ja vain jos yhtälöllä (A λi)v = 0 on ei-triviaali ratkaisu v C n \ {0}. Tämä on yhtäpitävää sen kanssa, että λ C on matriisin A karakteristisen polynomin nollakohta. P A (λ) := det(a λi) (1) Matriisilaskenta 3/12

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 3/5 Algebran peruslauseen mukaan P A = ( 1) n (λ λ 1 ) m 1 (λ λ 2 ) m2 (λ λ k ) m k, (2) missä λ 1,..., λ k ovat matriisin ominaisarvot. Lukuihin m j := m λj liittyen saadaan seuraava määritelmä. Matriisilaskenta 4/12

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 4/5 Määritelmä Yhtälössä (2) esiintyvät luvut m 1,..., m k ovat ominaisarvojen λ 1,..., λ k C algebralliset kertaluvut, ja E j := E λj (A) := {v C n : Av = λ j v} on ominaisarvoon λ j liittyvä ominaisavaruus. Luku g j := g λj := dim ( E j (A) ) on ominaisarvon λ j geometrinen kertaluku. Matriisilaskenta 5/12

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 5/5 Lisäksi määritellään: Määritelmä Matriisin A C n n spektri on sen ominaisarvojen joukko σ(a) := { λ C : Av = λv jollakin v C n \ {0} } Saadaan seuraava tulos: Lause Matriisin A C n n eri ominaisarvoja vastaavat ominaisvektorit ovat lineaarisesti riippumattomia. Matriisilaskenta 6/12

Todistus 1/2 Olkoot Av j = λ j v j, j = 1,..., k, k n, missä λ j λ p, kun j p. Tehdään vastaoletus: v 1,..., v k ovat lineaarisesti riippuvia. Tällöin yksi vektoreista voidaan esittää toisten lineaarikombinaationa. Olkoon l pienin indeksi, jolle v l+1 voidaan esitää muodossa Nyt saadaan c 1 v 1 +... + c l v k = v l+1 joillekin c 1,..., c l C. (3) Av l+1 = A(c 1 v 1 +... + c l v l ) = c 1 Av 1 +... + c l Av l. Vektorit v j ovat A:n ominaisvektoreita, ja siten c 1 λ 1 v 1 +... + c l λ l v l = λ l+1 v l+1. Matriisilaskenta 7/12

Todistus 2/2 Vähennetään tästä yhtälö (3) kerrottuna luvulla λ l+1. Saadaan c 1 (λ 1 λ l+1 )v 1 +... + c l (λ l λ l+1 )v l = 0. Indeksin l valinnan perusteella vektorit v 1,..., v l ovat lineaarisesti riippumattomia. Siten c 1 (λ 1 λ l+1 ) =... = c l (λ l λ l+1 ) = 0. Koska λ j λ p, kun p j, saadaan edelleen c 1 =... = c l = 0, eli v l+1 = 0. Tämä on ristiriita, koska vektorin v l+1 piti olla ominaisvektori. Matriisilaskenta 8/12

Hermiittisen matriisin ominaisarvot Lause Hermiittisen matriisin ominaisarvot ovat reaalisia. Todistus. Olk. A hermiittinen, λ sen ominaisarvo ja v vastaava ominaisvektori. Tällöin λ v 2 = λ v, v = λv, v = Av, v = v, A v = v, Av = v, λv = λ v 2. Siten λ = λ, eli λ R. Matriisilaskenta 9/12

Esimerkki 1/3 ( ) 1 3 Lasketaan matriisin A = ominaisarvot ja -vektorit. 3 3 Muodostetaan karakteristinen polynomi: P A = det(a λi) = 1 λ 3 3 3 λ = (1 λ)(3 λ) 9 = 3 λ 3λ + λ 2 9 = λ 2 4λ 6. Ratkaistaan nollakohdat P A (λ) = 0. Saadaan λ = 4 ± 4 2 + 24 2 = 2 ± 10 =: λ ±. Matriisilaskenta 10/12

Esimerkki 2/3 Seuraavaksi ratkaistaan ominaisvektorit yhtälöstä Av = λ ± v, eli (A 2 ± 10I)v = 0. Saadaan siis yhtälöt ( ) ( ) 1 10 3 3 1 v1 = 10 v 2 ( ) 0. 0 Gaussin eliminoinneilla matriisi saadaan muotoon ( ) ( ) 1 10 3 3 1 1 10 3 10 0 0 ( ) 1 10 3. 0 0 Matriisilaskenta 11/12

Esimerkki 3/3 Ominaisarvoa λ + = 2 + 10 vastaava ominaisvektori v + voidaan ratkaista yhtälöstä (1 + 10)v 1 + 3v 2 = 0. ( ) 3 Esimerkiksi voidaan valita vektori v + = 1 +. 10 Samaan tapaan ominaisarvoon λ = 2 10 liittyvät ominaisvektorit voidaan ratkaista yhtälöstä (1 10)v 1 + 3v 2 = 0. Tässä tapauksessa voidaan siis valita vektori ( ) 3 v = 1. 10 Matriisilaskenta 12/12