MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Samankaltaiset tiedostot
MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ominaisarvo ja ominaisvektori

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

Similaarisuus. Määritelmä. Huom.

Matriisihajotelmat. MS-A0007 Matriisilaskenta. 5.1 Diagonalisointi. 5.1 Diagonalisointi

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

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

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

Insinöörimatematiikka D

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 5 - Ratkaisut / vko 41

MS-A0003/A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

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?

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

OMINAISARVOISTA JA OMINAISVEKTOREISTA

Numeeriset menetelmät

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

Matematiikka B2 - TUDI

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

Alkeismuunnokset matriisille, sivu 57

Matriisi-vektori-kertolasku, lineaariset yhtälöryhmät

Ortogonaalisen kannan etsiminen

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

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

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

Milloin A diagonalisoituva?

Ominaisarvo ja ominaisvektori

MATRIISIN HESSENBERGIN MUOTO. Niko Holopainen

1 Avaruuksien ja lineaarikuvausten suora summa

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

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

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.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra II P

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

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

Kanta ja Kannan-vaihto

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Avaruuden R n aliavaruus

800350A / S Matriisiteoria

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Tällä viikolla viimeiset luennot ja demot. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/162

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Singulaariarvohajotelma ja pseudoinverssi

Matriisin eksponenttifunktio ja differentiaaliyhtälöryhmät

(1.1) Ae j = a k,j e k.

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

Paikannuksen matematiikka MAT

MATRIISIALGEBRA. Harjoitustehtäviä syksy Olkoot A =, B =

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

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

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II Syksy 2009 Laskuharjoitus 1 ( ) Ratkaisuehdotuksia Vesa Ala-Mattila

Insinöörimatematiikka D

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

LINEAARIALGEBRA P. LUENTOMONISTE ja HARJOITUSTEHTÄVÄT

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

2, E = Määrää 3A, B 2A ja E + F. 2. Laske (mikäli mahdollista) AB, BA, A 2, BC, CB ja F = 1 0 0

Neliömatriisit A ja B ovat similaareja toistensa suhteen, A B, jos on olemassa kääntyvä matriisi P, jolle pätee A = PBP 1.

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

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 )

Sisätuloavaruudet. 4. lokakuuta 2006

Insinöörimatematiikka D

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

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Transkriptio:

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Ominaisarvoteoriaa Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 2015 1 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: ominaisarvot Määritelmä 1 Jos n n-matriisille A pätee Ax = λx jollakin vektorilla x C n \ {0} ja skalaarilla λ C, niin λ on matriisin A ominaisarvo ja x sitä vastaava ominaisvektori. Ominaisyhtälö Ax = λx on yhtäpitävästi (A λi)x = 0, missä I on identtinen matriisi. Tälle löytyy nollasta eroava ratkaisu x täsmälleen silloin, kun det(a λi) = 0 jollekin λ R. 2 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: ominaisarvot Huomioita reaalisia ominaisvektoreita ei aina ole olemassa ominaisvektori on määritelmän mukaan nollasta eroava ominaisarvo voi olla nolla Ax = λx A(tx) = λ(tx) kaikilla t R, joten ominaisvektorin x sijaan voidaan puhua x:n suuntaisesta ominaissuorasta {tx t R}. (Kulkee origon kautta.) Jos lineaarikuvauksen A R n n ominaisarvo λ 0, niin vastaava ominaissuora kuvautuu itselleen ja ominaisarvo λ ilmoittaa ominaissuoran suuntaisen venytyksen. Jos λ < 0, niin suunnistus ominaissuoralla kääntyy, ts. venytyksen lisäksi lineaarikuvaus peilaa ominaissuoran normaalin suhteen. Jos λ = 0, niin kuvaus litistää ominaissuoran origoksi. 3 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: ominaisarvot Ominaisarvot ja -vektorit lasketaan siis seuraavasti: Muodosta karakteristinen polynomi p(λ) = det(a λi). Etsi karakteristisen polynomin nollakohdat p(λ) = 0, nämä ovat ominaisarvot. Ratkaise kullakin ominaisarvolla λ i sitä vastaava ominaisvektori/suora yhtälöstä (A λ i I)x = 0. 4 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: ominaisarvot Määritelmä 2 Polynomin det(a λi ) juuren kertaluku on kyseisen ominaisarvon λ algebrallinen kertaluku m a (λ). Ominaisarvon λ geometrinen kertaluku m g (λ) on sitä vastaavan ominaisavaruuden dimensio, eli lineaarisesti riippumattomien ominaisvektorien lukumäärä. Huom: Geometrinen kertaluku ei koskaan voi olla suurempi kuin algebrallinen kertaluku, m g (λ) m a (λ). 5 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: ominaisarvot Esimerkki 3 Etsi matriisin A = 1 0 2 0 3 0 2 0 1 ominaisarvojen algebralliset ja geometriset kertaluvut. Ratkaisu: Lasketaan ominaisarvot karakteristisen polynomin nollakohtina: det(a λi) =... = (3 λ) 2 (λ + 1) = 0, joten ominaisarvon λ = 3 algebrallinen kertaluku on 2 ja ominaisarvon λ = 1 on 1. Lasketaan sitten ominaisvektorit: 6 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: ominaisarvot Kun λ = 1, yhtälö on (A + 1I)x = 0, ja saadaan x 2 = 0 ja x 3 = x 1, eli ominaissuora {t(1, 0, 1) t R}. Näin ollen geometrinen kertaluku on m g ( 1) = m a ( 1) = 1. Arvolle λ = 3 saadaan yhtälöstä (A 3I)x = 0 ehdot x 2 R ja x 3 = x 1, joten tätä ominaisarvoa vastaten saadaankin ominaistaso {s(1, 0, 1) + t(0, 1, 0) s, t R}. (Lineaarisesti riippumattomat ominaisvektorit esim. (1, 0, 1) ja (0, 1, 0)). Geometrinen kertaluku on siis m g (3) = 2. 7 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Ominaisarvot Ominaisarvoista voidaan puhua myös yleisemmin lineaarikuvauksille, ei vain matriiseille: Määritelmä 4 Olkoon V K -kertoiminen vektoriavaruus. Lineaarikuvausta avaruudelta itselleen: T : V V kutsutaan tavallisesti (lineaari-)operaattoriksi. Jos on olemassa λ K ja vektori v V \ {0} siten, että T v = λ v, niin sanotaan, että λ on T :n ominaisarvo ja vektori v on tähän liittyvä T :n ominaisvektori. 8 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Ominaisarvot Esimerkki 5 Tarkastellaan polynomeja {ˆp 1, ˆp 2, ˆp 3, ˆp 4 } = {1, 1 x, (1 x) 2, (1 x) 3 } ja lineaarikuvausta Tp(x) = p(2 x) polynomiavaruudessa P 3.Tällöin pätee T ˆp 1 = ˆp 1, T ˆp 2 = ˆp 2, T ˆp 3 = ˆp 3 ja T ˆp 4 = ˆp 4. Täten T :llä on ominaisarvot 1 ja 1. Ominaisarvoa 1 vastaavat ominaisvektorit ovat polynomit 1 ja (1 x) 2, ominaisarvoa 1 vastaavia ominaisvektoreita ovat 1 x ja (1 x) 3. 9 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Ominaisarvot Jos u ja v ovat lineaarikuvauksen T samaan ominaisarvoon λ liittyviä ominaisvektoreita, niin T (α u + β v) = α T u + β T v = α λ u + β λ v = λ (α u + β v), joten niiden lineaarikombinaatiokin on λ :aan liittyvä ominaisvektori (jos 0). Yhteen ominaisarvoon λ liittyvät ominaisvektorit muodostavatkin nollan kanssa ominaisavaruuden E T (λ) = { v V T v = λ v } = N(T λi ). 10 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Ominaisarvot Huom: Ominaisarvon geometrinen kertaluku on siis ominaisavaruuden dimensio: m g (λ) = dim(e A (λ)). Matriisin A K n n ominaisarvojen joukkoa eli spektriä merkitään Λ(A) :lla. Tämä on K :n ei-tyhjä osajoukko, jossa on korkeintaan n alkiota. A :n spektraalisäde ρ(a) on suurin A :n ominaisarvojen itseisarvoista eli ρ(a) = max λ. λ Λ(A) 11 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Ominaisarvot Esimerkki 6 Matriisille A = 1 0 2 0 3 0 2 0 1 laskettiin aiemmin ominaisarvoiksi λ = 3 ja λ = 1. Arvolle λ = 1 saatiin ominaisvektori (1, 0, 1) T ja arvolle λ = 3 ominaisvektorit (1, 0, 1) T ja (0, 1, 0) T. Nyt siis spektri on Λ(A) = { 1, 3} ja spektraalisäde on ρ(a) = max λ Λ(A) λ = 3. Ominaisavaruudet ovat E A ( 1) = N(A + I) = {α(1, 0, 1) T } α R, { E A (3) = N(A 3I) = α(1, 0, 1) T + β(0, 1, 0) T } α, β R. 12 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Ominaisarvot Seuraava, jo mahdollisesti tuttu tulos, on avuksi muodostettaessa ominaisvektoreista kantoja: Lause 7 Olkoot λ 1,..., λ n lineaarikuvauksen T : V V erisuuria ominaisarvoja ja v 1,..., v n näitä vastaavia ominaisvektoreita. Tällöin v 1,..., v n ovat lineaarisesti riippumattomat. (Todistettu Matriisilaskenta-kurssilla) 13 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: Neliömatriisi A, joilla on n riippumatonta ominaisvektoria, voidaan diagonalisoida. Tämä tarkoittaa, että matriisi A voidaan kirjoittaa muodossa A = SΛS 1, missä matriisin S sarakkeet ovat matriisin A ominaisvektorit, ja matriisi Λ on diagonaalimatriisi, jossa kussakin sarakkeessa on matriisissa S samassa sarakkeessa olevaan ominaisvektoriin liittyvä ominaisarvo. Huom n n-matriisi diagonalisoituu, jos sillä on n lineaarisesti riippumatonta ominaisvektoria. Erityisesti tämä tapahtuu silloin, kun matriisilla on n erisuurta ominaisarvoa, mutta voi siis tapahtua muulloinkin! 14 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: Esimerkki 8 ( ) 1 2 Matriisin A = ominaisarvoa 1 vastaa ominaisvektori 2 1 ( ) ( ) 1 1 ja ominaisarvoa 3 vastaa. Diagonalisoi A. 1 1 Vastaus: A = SΛS 1 = ( 1 1 1 1 ) ( 1 0 0 3 ) ( 1/2 1/2 1/2 1/2 ) 15 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: Jos matriisi on diagonalisoituva, sen potensseja on hyvin näppärä laskea: A 2 = SΛ } S 1 {{ S} ΛS 1 = SΛ 2 S 1 =I A 3 = SΛ } S 1 {{ S} Λ } S 1 {{ S} ΛS 1 = SΛ 3 S 1 =I =I A k = SΛ k S 1 Diagonaalimatriisin potenssit ovat helppoja: Λ k = λ 1 0 0 0... 0 0 0 λ n k = λ k 1 0 0 0... 0 0 0 λ k n. 16 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: Käänteismatriisin löytäminenkin on diagonalisoidulle matriisille helppoa: A 1 = (SΛS 1 ) 1 = SΛ 1 S 1. missä diagonaalimatriisi kääntyy näppärästi, λ 1 0 0 Λ 1 =. 0.. 0 0 0 λ n 1 λ 1 1 0 0 =. 0.. 0. 0 0 λ 1 n 17 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Kertaus: Esimerkki 9 Laske A 2014, kun A = ( 5 1 0 4 ) Vastaus: A = SΛS 1 = ( 1 1 0 1 ) ( 5 0 0 4 ) ( 1 1 0 1 ), A 2014 = = ( ) ( 1 1 5 2014 0 0 1 0 4 2014 ( 5 2014 5 2014 4 2014 ) 0 4 2014 ) ( 1 1 0 1 ) 18 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Neliömatriisi A on similaarinen matriisin B kanssa, jos on olemassa säännöllinen matriisi S siten, että B = SAS 1. Tällöin merkitään A B. Muotoa SAS 1 olevaa matriisia kutsutaan A :n similaarimuunnokseksi. Esimerkki 10 Diagonalisoituva matriisi A on similaarinen sellaisen diagonaalimatriisin kanssa, jossa diagonaalilla ovat A:n ominaisarvot. Lineaarioperaattorin matriisiesitykset eri kantojen suhteen ovat keskenään similaariset. 19 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Lause 11 Matriisien similaarisuus eli on ekvivalenssirelaatio, eli sillä on ominaisuudet: [Refleksiivisyys:] A A kaikilla A K n n. [Symmetrisyys:] A B = B A. [Transitiivisuus:] A B ja B C = A C. Todistus. Harjoitustehtävä 20 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Similaarisilla matriiseilla on monia yhteisiä ominaisuuksia. Lause 12 Keskenään similaarisilla matriiseilla on sama karakteristinen polynomi ja siten myös samat ominaisarvot samoine algebrallisine kertalukuineen. Myös ominaisarvojen geometriset kertaluvut ovat samat. Todistus. Taululla. 21 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa

Lause 13 Matriisi on similaarinen diagonaalimatriisin kanssa täsmälleen silloin, kun sen ominaisvektoreista voidaan muodostaa kanta. Näin on erityisesti silloin, kun ominaisarvot ovat erisuuret. Lause 14 Matriisi on similaarinen diagonaalimatriisin kanssa täsmälleen silloin, kun kaikille ominaisarvoille pätee m g (λ) = m a (λ). 22 / 22 R. Kangaslampi matriisiteoriaa