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.

Samankaltaiset tiedostot
Ominaisarvo ja ominaisvektori

Similaarisuus. Määritelmä. Huom.

Insinöörimatematiikka D

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Insinöörimatematiikka D

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

Ominaisarvo ja ominaisvektori

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

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

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

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

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

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Matematiikka B2 - TUDI

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Insinöörimatematiikka D

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

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?

Paikannuksen matematiikka MAT

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Milloin A diagonalisoituva?

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Alkeismuunnokset matriisille, sivu 57

Tehtäväsarja I Kerrataan lineaarikuvauksiin liittyviä todistuksia ja lineaarikuvauksen muodostamista. Sarjaan liittyvät Stack-tehtävät: 1 ja 2.

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

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

Lineaarialgebra, kertausta aiheita

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

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 5 - Ratkaisut / vko 41

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

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

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

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

MS-A0003/A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

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

Insinöörimatematiikka D

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Lineaarialgebra a, kevät 2018 Harjoitusta 5 Maplella

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Numeeriset menetelmät

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

Monissa käytännön ongelmissa ei matriisiyhtälölle Ax = b saada ratkaisua, mutta approksimaatio on silti käyttökelpoinen.

ax + y + 2z = 0 2x + y + az = b 2. Kuvassa alla on esitetty nesteen virtaus eräässä putkistossa.

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

OMINAISARVOISTA JA OMINAISVEKTOREISTA

tyyppi metalli puu lasi työ I II III metalli puu lasi työ

Determinantti 1 / 30

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

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

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

Käänteismatriisi 1 / 14

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

Ennakkotehtävän ratkaisu

Kanta ja Kannan-vaihto

i=1 Tarkastellaan ensin inversio-ongelman injektiivisyys: Kun vaaditaan, että 0 = M x x 2

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

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

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

Johdatus lineaarialgebraan

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

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

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

Matriisi-vektori-kertolasku, lineaariset yhtälöryhmät

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

Insinöörimatematiikka D

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

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 13: ti klo 13:00-15:30 ja to 1.4.

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

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 );

Transkriptio:

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II Ylimääräinen harjoitus 6 Ratkaisut A:n karakteristinen funktio p A on λ p A (λ) det(a λi ) 0 λ ( λ) 0 5 λ λ 5 λ ( λ) (( λ) ( λ) 5 ) ( λ)( 8 λ + λ ), joten p A (λ) 0, kun λ tai λ ± Matriisin A ominaisarvot ovat siis, ja 4 Ominaisarvoon liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax x eli yhtälöryhmän x + x + x x x + x x 5x x x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan (esim Gaussin Jordanin eliminointimenetelmällä) x s/5 s/5 s Näin ollen V span([ 5] T ) s 5 5, missä s Ominaisarvoon liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax x eli yhtälöryhmän x + x + x x x + x x 5x x x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan s x 0 s 0, missä s 0 0 Näin ollen V span([ 0 0] T ) Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax 4x eli yhtälöryhmän x + x + x 4x x + x 4x 5x x 4x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan s x s s, missä s s Näin ollen V 4 span([ ] T )

Lasketaan matriisien ominaisarvot ja niihin liittyvät ominaisvektorit Matriisi A on diagonalisoituva silloin ja vain silloin, kun sen ominaisvektoreista voidaan muodostaa :n kanta (a) A:n karakteristinen funktio p A on p A (λ) det(a λi ) ( + λ) λ 0 λ 0 4 λ λ 0 λ + λ 4 (λ + ) ( λ) + 4( λ) λ + λ + λ + ( λ)(λ + λ + ), joten p A (λ) 0, kun λ (ainoa reaalinen ratkaisu) Koska Ae 4 e, niin ominaisarvoon liittyvä ominaisavaruus V Näin ollen A:n ominaisvektoreista ei saada :n kantaa ja A ei siis ole diagonalisoituva (b) Nyt A:n karakteristinen funktio p A on p A (λ) λ 4 4 λ 0 λ 4 λ λ λ 9 4 4λ ( λ)(λ )(λ ), λ 4 4 λ 0 λ λ 9 4 4λ 0 λ + 6λ λ + 6 joten A:n ominaisarvot ovat p A (λ):n nollakohdat λ, λ ja λ Ratkaisemalla yhtälöt Ax λ i x, i,,, saadaan ominaisarvoja vastaaviksi ominaisavaruuksiksi V span([ ] T ), V span([ ] T ) ja V span([ 4] T ) Lauseen 6 mukaan S ([ ] T, [ ] T, [ 4] T ) on :n kanta, ja näin ollen saadaan A:n diagonalisoiva matriisi P 4 Tällöin P AP λ 0 0 0 λ 0 0 0 λ 0 0 0 0 0 0

(a) Osoitetaan induktiolla k:n suhteen, että A k PD k P kaikilla k Alkuaskel: Kun k, niin D P AP PD P(P AP) (PP )AP I n AP AP PDP APP AI n A Induktio-oletus: Oletetaan, että A k PD k P jollakin k Induktioaskel: Kaava pätee arvolla k +, sillä A k+ AA k io A(PD k P ) PDP (PD k P ) PD(P P)D k P P(DD k )P PD k+ P (b) Osoitetaan induktiolla k:n suhteen, että kaikilla k d k 0 0 d 0 0 0 d k D k 0 0 d 0, kun D 0 0 dn k 0 0 d n Induktio-oletus: Oletetaan, että kaava pätee jollakin k Induktioaskel: Kaava pätee arvolla k +, sillä d 0 0 d k 0 0 D k+ DD k io 0 d 0 0 d k 0 0 0 d n 0 0 dn k d d k 0 0 d k+ 0 d d k 0 0 0 0 d k+ 0 0 0 d n dn k 0 0 dn k+ 4 A:n karakteristinen polynomi p A on p A (λ) det(a λi ) 4 λ λ λ λ + (λ )(λ ), (4 λ)( λ) + 6 joten p A (λ) 0, kun λ tai λ Matriisin A ominaisarvot ovat siis ja Ominaisarvoon liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax x eli yhtälöparin { 4x x x x x x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöparin ratkaisuksi saadaan [ x s ] s [ ], missä s s ([ ]) Näin ollen ominaisarvoon liittyvä ominaisavaruus on V span Ominaisarvoon liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax x eli yhtälöparin { 4x x x x x x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöparin ratkaisuksi saadaan s x s, missä s s

([ Näin ollen ominaisarvoon liittyvä ominaisavaruus on V span () Lauseen 6 mukaan jono S, on :n kanta, joten matriisi A on diagonalisoituva Nyt voidaan muodostaa diagonalisoiva matriisi [ ] [ ] P, jolloin P Tällöin D P AP ]) [ 0 0 ], (tarkista laskemalla!) joten edellisen tehtävän mukaan [ ] A 5 PD 5 P 5 0 0 5 [ ] [ 768 0 980 980 0 6554 655 [ ] 5 (a) Koska lineaarikuvauksen L matriisi on symmetrinen, niin Lauseen 6 mukaan L on symmetrinen eli itseadjungoitu 5 (b) Koska lineaarikuvauksen L matriisi on symmetrinen, niin L:n eri ominaisarvoihin liittyvien ominaisavaruuksien virittävät ominaisvektorit ovat[ Lauseen 69 ] mukaan ortogonaalisia Määrätään lineaarikuvauksen L matriisin A ominaisarvot, jotka 5 ovat A:n karakteristisen funktion p A nollakohdat Nyt p A (λ) det(a λi ) λ 5 λ ] ( λ)(5 λ) 4 6 7λ + λ, joten p A (λ) 0, kun λ tai λ 6 Matriisin A ominaisarvot ovat siis ja 6 Ominaisarvoon liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax x eli yhtälöryhmän { x x x x + 5x x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan s x s, missä s s Ominaisarvoon 6 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax x eli yhtälöryhmän { x x 6x 5 x + 5x 6x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan s x s, missä s s Normittamalla ominaisvektorit ja saadaan kysytty :n ortonormaali kanta ( ] ]), [ [ 5 4

6 Seurataan laskumenetelmää 68; lasketaan ensin A:n ominaisarvot ja -vektorit A:n karakteristinen funktio p A on λ 0 6 p A (λ) det(a λi ) 0 λ 0 ( + λ) λ 6 6 0 λ 6 λ (λ + ) (λ + 50) (λ 5), joten p A (λ) 0, kun λ 5, λ tai λ 50 Matriisin A ominaisarvot ovat siis 5, ja 50 Ominaisarvoon 5 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax 5x eli yhtälöryhmän x 6x 5x x 5x 6x x 5x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan 4s 4 x 0 s 0, missä s s Normittamalla virittävä vektori saadaan V 5 span( 5 [ 4 0 ]T ) Ominaisarvoon liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax 5x eli yhtälöryhmän x 6x x x x 6x x x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan 0 0 x s s, missä s 0 0 Näin ollen V span([0 0] T ), missä virittävä vektori on valmiiksi normitettu Ominaisarvoon 50 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax 5x eli yhtälöryhmän x 6x 50x x 50x 6x x 50x nollavektorista poikkeavat ratkaisut Yhtälöryhmän ratkaisuksi saadaan s x 0 s 0, missä s 4s 4 Normittamalla virittävä vektori saadaan V 50 span( 5 [ 0 4]T ) Näin ollen haetuksi ortogonaalieksi matriisiksi P kelpaa 4 0 5 5 P 0 0, 0 4 5 5 joka diagonalisoi ortogonaalisesti matriisin A Tällöin 5 0 0 P T AP 0 0, 0 0 50 missä lävistäjän alkiot on saatu ominaisarvoista (samassa järjestyksessä kuin niitä vastaavat ominaisvektorit matriisissa P) 5

7 Merkitään w [ 0 ] T, w [ 0 0 ] T ja w [ 0 0] T Valitaan v w [ 0 ] T v w w ( ) v 0 v v v 0 6 0 0 Valitaan nyt v v [ 0 ]T v w w v v v v w v v v v [ 0 0 ]T Valitaan nyt v v [ 0 0 ]T Näin ollen 0 0 ( ) 6 0 ( ) 4 (v, v, v ) ([ 0 ] T, [ 0 ] T, [ 0 0 ] T ) on V:n ortogonaalinen kanta Normitetaan vielä vektorit v, v ja v : u v v 6 [ 0 ] T, u v v [ 0 ] T [ 0 ] T, u v v [ 0 0 ] T Tällöin S 0 (u, u, u ) on V:n ortonormaali kanta 8 (a) Nyt joten kolmion ABC pinta-ala on u AB i j + k v AC i + j k, A K u v ( i j + k) (i + j k) j 4k j k 5 (b) Vektoreiden AB ja AC virittämän suunnikkaan pinta-ala on A S A K 5 9 Etsimme pienimmän neliösumman ratkaisua yhtälöryhmälle Ax b, missä 76 48 4 9 9 90 A 68 8 ja b 64 86 68 69 54 70 50 Pienimmän neliösumman ratkaisu on ˆx 0 x ˆx (AT A) A T b ˆx ja 4,4 0,69 0,799 0 6

Näin ollen funktio y y(t, t ) 4,4 + 0,69t + 0,799t on dataan parhaiten sopiva pienimmän neliösumman yhtälö Funktio ennustaa Annalle pistettä kolmannessa kokeessa 0 (a) Kuvaus L A : n n, y(9, 7) 4,4 + 0,69 9 + 0,799 7 74 L A x A x kaikilla x n, on lineaarinen, sillä A on n n-matriisi, ja näin ollen se on luentomonisteen Esimerkin 4(a) vaatimaa muotoa Kyseisessä esimerkissähän osoitetaan, että kaikki kuvaukset L B : m n, L B x Bx kaikilla x n, missä B m n, ovat lineaarisia (b) Olkoon y Im(L A ) Tällöin on olemassa sellainen x n, että L A x A x y Voimme kirjoittaa y A x A(Ax) Az, missä z Ax Näin ollen y Az Im(L A ), joten Im(L A ) Im(L A ) (a) Oletetaan ensin, että C 0 Tällöin a a b b det(m) A B 0 D a a b b 0 0 d d 0 0 d d a b b a 0 d d 0 d d a a b b 0 d d 0 d d d a a d d d a a d d d d (a a a a ) d d d d det(a) det(d) Vastaavasti voidaan osoittaa, että jos B 0, niin A 0 C D det(a) det(d) Lisähuomautus: Vastaavat tulokset ovat voimassa yleisemminkin neliömatriiseille A, B, C ja D, joilla matriisit A B A 0 ja 0 D C D ovat neliömatriiseja (tässä A:n ja D:n ei edes tarvitse olla samankokoisia) (b) Osoitetaan, että kaava det(m) A B C D det(a) det(d) det(b) det(c) [ 0 0 0 0 ei välttämättä päde Valitaan A D I, B ja C 0 0 0 0 ] 7

Tällöin det(a) det(d) ja det(b) det(c) 0, joten mutta det(a) det(d) det(b) det(c) 0 0, 0 0 0 det(m) A B C D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (a) Koska 0 4 4 4 4 0 6 4 0, niin matriisi on säännöllinen Lasketaan käänteismatriisi laskumenetelmän 67 avulla: 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 4 0 0 7 0 0 7 0 0 8 0 0 0 4 7 0 0 8 Näin ollen käänteismatriisi on 0 4 (b) Koska 0 0 0 0 7 0 0 + 0 + 0 0, niin matriisi ei ole säännöllinen (c) Koska 0 0 0 0 k 0 0 0 + 0 + 0 0 0 0, niin matriisi on säännöllinen Lasketaan käänteismatriisi laskumenetelmän 67 avulla: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0, k 0 0 0 0 0 k 0 0 0 joten käänteismatriisi on 0 0 k 0 8