X(t) = X 0 + tx 1 + t 2 X 2 + t 3 X ,

Samankaltaiset tiedostot
Viitteet. Viitteet. Viitteet

Koska yhteys tavalliseen eksponenttifunktion sarjakehitelmään on selvä, asetetaan seuraava määritelmä.

Matriisieksponenttifunktio

ẍ(t) q(t)x(t) = f(t) 0 1 z(t) +.

5. Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

3 SIGNAALIN SUODATUS 3.1 SYSTEEMIN VASTE AIKATASOSSA

Luento 7 Järjestelmien ylläpito

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 17: Yhden vapausasteen pakkovärähtely, impulssikuormitus ja Duhamelin integraali

a) Miksi signaalin jaksollisuus on tärkeä ominaisuus? Miten jaksollisuus vaikuttaa signaalin taajuussisältöön?

Sisällys. Alkusanat. Alkusanat. Tehtävien ratkaisuja

KANTATAAJUINEN BINÄÄRINEN SIIRTOJÄRJESTELMÄ AWGN-KANAVASSA

Ilpo Halonen Luonnehdintoja logiikasta 4. Luonnehdintoja logiikasta 4. Tautologioita 1. Tautologioita 3. Tautologioita 2. Johdatus logiikkaan

DEE Lineaariset järjestelmät Harjoitus 4, ratkaisuehdotukset

exp(x) = e x x n n=0 v(x, y) = e x sin y

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. y + p(x)y + q(x)y = r(x) (1)

Diskreetillä puolella impulssi oli yksinkertainen lukujono:

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

4 KORKEAMMAN KL:N LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola. luento 13 Black-Scholes malli optioiden hinnoille

Tasaantumisilmiöt eli transientit

( ) ( ) 2. Esitä oheisen RC-ylipäästösuotimesta, RC-alipäästösuotimesta ja erotuspiiristä koostuvan lineaarisen järjestelmän:

>LTI-järjestelmä. >vaihespektri. >ryhmäviive

Tietoliikennesignaalit

( ) 5 t. ( ) 20 dt ( ) ( ) ( ) ( + ) ( ) ( ) ( + ) / ( ) du ( t ) dt

KOHINA KULMAMODULAATIOISSA

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola Luento 5. Termiinihinnan määräytyminen

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Johdatus graafiteoriaan

1. Laske sivun 104 esimerkin tapaan sellainen likiarvo luvulle e, että virheen itseisarvo on pienempi kuin 10 5.

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

( ) ( ) x t. 2. Esitä kuvassa annetun signaalin x(t) yhtälö aikaalueessa. Laske signaalin Fourier-muunnos ja hahmottele amplitudispektri.

Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos se voidaan kirjoittaa muotoon. + p(x)y = r(x) (28)

12. ARKISIA SOVELLUKSIA

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

9. Epäoleelliset integraalit; integraalin derivointi parametrin suhteen. (x + y)e x y dxdy. e (ax+by)2 da. xy 2 r 4 da; r = x 2 + y 2. b) A.

Luento 9. Epälineaarisuus

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

W dt dt t J.

b) Ei ole. Todistus samaan tyyliin kuin edellinen. Olkoon C > 0 ja valitaan x = 2C sekä y = 0. Tällöin pätee f(x) f(y)

Matematiikka B2 - TUDI

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 18: Yhden vapausasteen pakkovärähtely, transienttikuormituksia

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 19: Gaussin integrointi emojanan alueessa.

järjestelmät Luento 4

Mittaustekniikan perusteet, piirianalyysin kertausta

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Ratkaisu. Virittäviä puita on kahdeksan erilaista, kun solmut pidetään nimettyinä. Esitetään aluksi verkko kaaviona:

S Signaalit ja järjestelmät Tentti

Täydennetään teoriaa seuraavilla tuloksilla tapauksista, joissa moninkertaisen ominaisarvon geometrinen kertaluku on yksi:

Käänteismatriisi 1 / 14

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

LIITE 8A: RAKENNELUVUN 137 YHTÄLÖITÄ

6.4 Variaatiolaskennan oletusten rajoitukset. 6.5 Eulerin yhtälön ratkaisuiden erikoistapauksia

Sopimuksenteon dynamiikka: johdanto ja haitallinen valikoituminen

DEE Lineaariset järjestelmät Harjoitus 3, harjoitustenpitäjille tarkoitetut ratkaisuehdotukset

Mallivastaukset KA5-kurssin laskareihin, kevät 2009

Luento 6 Luotettavuus ja vikaantumisprosessit

Huomaa, että aika tulee ilmoittaa SI-yksikössä, eli sekunteina (1 h = 3600 s).

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?

Differentiaaliyhtälöt, Syksy 2015 Harjoitus 2, Ratkaisut Ratkaise separoituvat differentiaaliyhtälöt. a) y = y

Nosto- ja Kiinnitysosat

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola. luento 12 Stokastisista prosesseista

Sisältö Sisältö Tietoliikennesignaalit ja niiden tutkiminen aika- ja taajuustasossa Tietoliikenne, informaatio, signaali...

1. Matemaattinen heiluri, harmoninen värähtelijä Fysiikka IIZF2020

PK-YRITYKSEN ARVONMÄÄRITYS. KTT, DI TOIVO KOSKI elearning Community Ltd

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Ennakkotehtävän ratkaisu

VAIHELUKKOTEKNIIKKA JA TAKAISINKYTKETYT DEMODULAATTORIT KULMAMODULAATION ILMAISUSSA

8 USEAN VAPAUSASTEEN SYSTEEMIN VAIMENEMATON PAKKOVÄRÄHTELY

Muuttuvan kokonaissensitiivisyyden mallinnus valvontaohjelman riskinarvioinnissa esimerkkinä munintaparvet

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

joka on separoituva yhtälö, jolla ei ole reaalisia triviaaliratkaisuja. Ratkaistaan: z z(x) dx =

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

Luento 4. Fourier-muunnos

Insinöörimatematiikka D

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

OH CHOOH (2) 5. H2O. OH säiliö. reaktori 2 erotus HCOOCH 3 11.

Tehtävä 1. ö ö. TEL-1360 Sähkömoottorikäytöt Laskuharjoitus 3/2011. P n = 5 kw ; P = 6 kw ; öo = 0 (lämpötila alussa kylmä)

f x dx y dy t dt f x y t dx dy dt O , (4b) . (4c) f f x = ja x (4d)

0 3 y4 dy = 3 y. 15x 2 ydx = 15. f Y (y) = 5y 4 1{0 y 1}.

Systeemimallit: sisältö

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 14: Yhden vapausasteen vaimeneva pakkovärähtely, harmoninen kuormitusheräte

Dynaaminen optimointi ja ehdollisten vaateiden menetelmä

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille II Harjoituksia kevät ja B = Olkoon A = a) A + B b) AB c) BA d) A 2 e) A T f) A T B g) 3A

Luoki?elua: tavallinen vs osi?ais. Osa 11. Differen0aaliyhtälöt. Luoki?elua: kertaluku. Luoki?elua: lineaarisuus 4/13/13

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

Insinöörimatematiikka D

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e) A =

Osi$aisintegroin, Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö: d

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

. 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.

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e)


Osi$aisintegroin, Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö: d

MÄNTTÄ-VILPPULAN KAUPUNKI. Mustalahden asemakaava Liikenneselvitys. Työ: E Tampere

Transkriptio:

Ma-1.1332 Mariisiksponnifunkio, KP3-II, syksy 2007 Pkka Alsalo Johdano. Tämä monis sisälää kurssilla arviava ido mariisiksponnifunkiosa. Mariisiksponnifunkio. Suraavassa A on raalinn n n-mariisi, jonka alkio ova vakioia. Tarkoiuksnamm on rakaisa alkuarvohävä y Ay, y(0) y 0. Tavallisn diffrniaaliyhälön y ay, y(0) y 0, rakaisu saadaan ksponnifunkion avulla muodossa y() y 0 a. Hrää kysymys, voiaisiinko myös dy-ryhmän y Ay rakaisu kirjoiaa suoraan muodossa y() X()y 0 sopivan ajasa riippuvan n n-mariisin X() avulla. Täsä olisi mm. s u, ä alkuarvohävän rakaisu saadaan samalla vaivalla kuin ylinn rakaisu. Sijoiaan ällainn yri yhälöön y Ay, jolloin saadaan X ()y 0 AX()y 0. Tämä ouuu, jos mariisill X() pä X () AX(). Alkuhdosa y(0) y 0 suraa lisäksi, ä X(0) I yksikkömariisi. Yhälön X () AX() ouavaan mariisiin X voidaan pääyä monlla ri avalla. Eräs mahdollisuus on siä mariisia X ponssisarjan avulla: kirjoiaan (formaalisi li ilman huola suppnmissa) X() X 0 + X 1 + 2 X 2 + 3 X 3 +..., missä n n-mariisi X 0, X 1,... ivä riipu ajasa. Koska X(0) I, äyyy olla X 0 I. Lisäksi X () X 1 + 2X 2 + 3 2 X 3 +..., jon sijoiamalla yhälöön X () AX() saadaan X () X 1 + 2X 2 + 3 2 X 3 + A(I + X 1 + 2 X 2 + 3 X 3 +... ) A + AX 1 + 2 X 2 +.... Vraamalla lauskkidn n (mariisi)kroimia, nähdään ä X 1 A, 2X 2 AX 1, 3X 3 AX 2 jn. Rakaismalla saadaan siis X 1 A, X 2 1 2 A2, X 3 1 3! A3 jn. Mariisin X() äyyy siis olla muooa X() I + A + 1 2 (A)2 + 1 3! (A)3 +.... Koska yhys avallisn ksponnifunkion sarjakhilmään on slvä, asaan suraava määrilmä. Määrilmä 1. Olkoon B n n-mariisi. Mariisiksponnifunkio B määrillään sarjakhilmällä B I + B + 1 2 B2 + 1 3! B3 +.... Ensimmäinn onglma on s, miä ämä sarjakhilmä arkoiaa. Jos khilmä kakaisaan (k + 1). rmin jälkn saadaan lausk I + B + 1 2 B2 + 1 3! B3 + + 1 k! Bk,

joka on määrily kaikill nliömariisill B. Sarjakhilmän suppnminn arkoiaa yksinkraissi siä, ä jokainn ylläolvan mariisin alkio lähsyy iyä lukua, kun k. Voidaan osoiaa, ä näin odlla käy kaikill nliömariisill, ja sin B on hyvin määrily n n-mariisi. Suraava mariisiksponnifunkion ominaisuud saadaan mlko suoraan määrilmäsä: O I, jos O on nollamariisi I I, sillä I n I kaikilla n jos D on lävisäjämariisi diag([λ 1,..., λ n ), niin D diag([ λ 1,..., λn ). Syy: D k diag([λ k 1,..., λ k n) d d A A A A A (johdiin alussa!) A+B A B, jos AB BA, mua i ylnsä muulloin. ( A ) 1 A aina, ( B ) T BT alkuarvohävän y Ay, y(0) y 0, rakaisu on muooa y() A y 0 diffrniaaliyhälöryhmän y Ay ylinn rakaisu on muooa y() A c, missä c [c 1,..., c n T on vapaisa paramrisa c 1,..., c n muodosu vkori Min A käyännössä laskaan? Diagonalisoiuva mariisi: Hlpoin apaus on jälln diagonalisoiuva mariisi. Jos A XDX 1, missä A:n ominaisarvo ova mariisin D lävisäjällä ja ominaisvkori mariisin X sarakkina, niin nsinnäkin A k (XDX 1 )(XDX 1 )... (XDX 1 )(XDX 1 ) XD k X 1, sillä välissä olva rmi X 1 X supisuva pois! Tämän pruslla A I + A + 1 2 2 A 2 + X(I + D + 1 2 2 D 2 +... )X 1 X D X 1. Ny D diag([ λ1,..., λn ) ja vasaus saadaan kromalla nämä kolm mariisia ksknään. Eriyissi on huomaava, ä vaikka A:n ominaisarvo ja -vkori olisiva komplksisia, niin loppuulos on ällöinkin raalinn, koska kaikki sarjakhilmän ponssi A k ova [ raalisia mariisja! Esimrkki 2. Olkoon A. Tällöin A XDX 0 2 1, missä Ny X 1 [ 1 1, jon A D [ 1 0 0 2 ja X [ [ [ 1 0 2 [. [ 2 0 2.

[ 1 3 Esimrkki 3. Olkoon A. Tällöin ominaisarvo ova 1 ± 3i ja niiä 3 1 vasaava ominaisvkori x 1 [1, i T ja x 2 [1, i T. Edlln on voimassa A XDX 1, jossa [ [ 1 + 3i 0 D ja X. 3i i i [ 1/2 i/2 Ny X 1 ja siis 1/2 i/2 [ [ [ A (1+3i) /2 i/2 i i 0 (1 3i) 1/2 i/2 [ 1 2 (1+3i) + 1 i (1 3i) 2 2 (1+3i) + i 2 (1 3i) i 2 (1+3i) + i 2 (1 3i) 1 2 (1+3i) + 1 2 (1 3i) [ cos(3) sin(3) sin(3) cos(3) sivnnysn jälkn. Kun huomaamm, laskujn välivaih saaava näyää himan hankalila, mua una on joka apauksssa s, ä alkuarvohävin rakaisu saadaan hi. Esimrkki 4. Rakais dllisiin mariisihin liiyvä alkuarvohävä y Ay, y(0) [1, 2 T. Esimrkissä 2 rakaisu on [ [ y() A y(0) 2 1 0 2 2 li y 1 () 2 2 ja y 2 () 2 2. Esimrkissä 3 rakaisu on muooa [ [ y() cos(3) sin(3) 1 sin(3) cos(3) 2 [ 2 2 2 2, [ cos(3) + 2 sin(3) 2 cos(3), sin(3) li y 1 () cos(3) + 2 sin(3) ja y 2 () 2 cos(3) sin(3). Mariisi, joka ivä diagonalisoidu: Kaikki mariisi ivä kuinkaan ol diagonalisoiuvia, ja niidn kohdalla [ on mnlävä oislla avalla. Esimrkki ällaissa mariisisa on A, jolla on kaksinkrainn ominaisar- [ vo λ 1 [ λ 2 [ 1. Kun yriämm laska ominaisvkoria, saamm yhälöparin x1 0, josa i millään avalla saada kaha LRT ominaisvkoria. 0 0 x 2 0 Tällaisill mariisill A on[ laskava jollakin muulla avalla, ja simrkiksi 1 k yllä olvall mariisill on A k, jon A [ 1 0 + [ 1 + + 1 [ + 1 [ 1 2 2 2 2 2 +... + 2 + 1 2 3 +... + + 1 2 2 +... + 1 [ 1 3 3! 3 +... [ 0.

Alkuarvohävän y Ay, y(0) [1, 2 T rakaisu on ässä apauksssa [ [ [ y() 1 0 + 2 2 2. Huom. Toinn apa laska A yllä olvassa simrkissä on kirjoiaa A I + B ja käyää kaavaa A I B, joka on voimassa yhälön IB BI pruslla. Lisäksi B on hlppo laska suoraan määrilmäsä, koska B 2 O. Ylinn apaus voidaan slviää priaassa samalla avalla, mua diagonalisoinnin sijasa on käyävä ns. Jordan-hajolmaa. Yllä olva simrkki liiyykin yksinkraisimman Jordan-lohkon mariisiksponnifunkion laskmisn, ja vasaava pääly ylisyy suurmmill mariisill. Malabin avulla mariisiksponnifunkio A saadaan kmällä nsin :sää symbolinn muuuja käskyllä syms ja kirjoiamalla sin xpm(a*). Epähomognisn yhälöryhmän rakaisminn. Suraavassa siään, kuinka myös pähomogninn diffrniaaliyhälöryhmä y Ay + g() voidaan rakaisa mariisiksponnifunkion avulla. Tässä A on n n-vakiomariisi ja g() [g 1 (),..., g n () T on pysyvkori. Kirjoiaan yhälö aluksi muooon y Ay g() ja krroaan sn jälkn molmma puol vasmmala mariisilla A, jolloin saadaan yhälö A y A Ay A g(). Koska mariisill on voimassa ulon drivoimissäänö (XY ) X Y + XY (syy: (XY ) ij k x iky kj, misä väi suraa avallisn ulon drivoimissäännön avulla), niin yhälö ul muooon d d ( A y) A g(). Mariisja drivoidaan alkio krrallaan, jon niiä voidaan myös ingroida alkioiain. Näin olln saamm A y A g() d + c, missä ingroini kohdisuu riksn pysyvkorin A g() jokaisn komponniin ja c [c 1,..., c n T on ingroimisvakioisa koosuva pysyvkori. Mariisin A käänismariisi on A, jon rakaisuksi saadaan y() A A g() d + A c. Tässä rmi A c on vasaavan homogniyhälön ylinn rakaisu ja lausk A A g() d on puolsaan alkupräisn yhälön yksiäisrakaisu. Mariisiksponnifunkion avulla yksiäisrakaisull saadaan siis ksplisiiinn lausk. Ylnsä saaaa kuinkin olla hlpompi haka yksiäisrakaisua sopivan yrin avulla, sillä yo. kaava johaa usin osiaisingroinihin. Jos haluaan rakaisa yhälöryhmään y Ay + g() liiyvä alkuarvohävä y(0) y 0, niin voidaan käyää määräyä ingraalia välillä [0,. Koska 0 d ds ( sa y(s)) ds A y() O y(0) A y() y 0,

niin alkuarvohävän rakaisuksi saadaan y() A y 0 + A sa g(s) ds. Esimrkki 5. Rakaisaan ryhmä y Ay + g(), missä A on simrkin 2 mariisi ja g() [1, T. Aikaismmin laskiin [ A 2 0 2, jon Tällöin jon [ A ( )A 2 0 2. [ [ A g() 2 1 0 2 A g() d 0 [ (2 1) d d Ryhmän yksiäisrakaisu on siis muooa [ [ y 0 () A A g() d 2 2 0 2 [ 2 1, [ 2. jonka avulla ylisksi rakaisuksi saadaan { y 1 () (c 1 c 2 ) + c 2 2 1 y 2 () c 2 2. [ 1 Vasaavalla avalla saadaan simrkiksi alkuarvohävän y(0) [1, 2 T rakaisuksi [ [ [ [ y() 2 1 0 2 + 2 [ 2 0 2 0 (2 s 1) ds 3 2 1 3 2. 0 s ds Sabiilisuus. Mariisiksponnifunkion avulla voidaan ukia myös asapainorakaisujn sabiilisuua ja yyppiä. Diagonalisoiuvill mariisill A X D X 1, jon yyppi ja sabiilisuus slviävä suoraan lävisäjämariisin D käyäyymisä ukimalla.,