3. Vectori şi valori proprii

Σχετικά έγγραφα
Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

Curs 4 Serii de numere reale

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

Integrala nedefinită (primitive)

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

Esalonul Redus pe Linii (ERL). Subspatii.

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

1.3 Baza a unui spaţiu vectorial. Dimensiune

Curs 1 Şiruri de numere reale

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

Curs 2 Şiruri de numere reale

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

Subiecte Clasa a VIII-a

Capitolul 4. Integrale improprii Integrale cu limite de integrare infinite

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

Seminar Algebra. det(a λi 3 ) = 0

Spatii liniare. Exemple Subspaţiu liniar Acoperire (înfăşurătoare) liniară. Mulţime infinită liniar independentă

Cursul Măsuri reale. D.Rusu, Teoria măsurii şi integrala Lebesgue 15

Conice - Câteva proprietǎţi elementare

MARCAREA REZISTOARELOR

Concurs MATE-INFO UBB, 1 aprilie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

riptografie şi Securitate

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

2.1 Sfera. (EGS) ecuaţie care poartă denumirea de ecuaţia generală asferei. (EGS) reprezintă osferă cu centrul în punctul. 2 + p 2

METODE NUMERICE: Laborator #7 Calculul valorilor proprii si vectorilor proprii prin metodele puterii. Metoda Householder

1.4 Schimbarea bazei unui spaţiu vectorial

8 Intervale de încredere

T R A I A N ( ) Trigonometrie. \ kπ; k. este periodică (perioada principală T * =π ), impară, nemărginită.

PROBLEME DE VALORI ŞI VECTORI PROPRII

Progresii aritmetice si geometrice. Progresia aritmetica.

EDITURA PARALELA 45 MATEMATICĂ DE EXCELENŢĂ. Clasa a X-a Ediţia a II-a, revizuită. pentru concursuri, olimpiade şi centre de excelenţă

Principiul Inductiei Matematice.

Matrice. Determinanti. Sisteme liniare

Profesor Blaga Mirela-Gabriela DREAPTA

SEMINARUL 3. Cap. II Serii de numere reale. asociat seriei. (3n 5)(3n 2) + 1. (3n 2)(3n+1) (3n 2) (3n + 1) = a

INTERPOLARE. y i L i (x). L(x) = i=0

Lectia VI Structura de spatiu an E 3. Dreapta si planul ca subspatii ane

Olimpiada Naţională de Matematică Etapa locală Clasa a IX-a M 1

Criptosisteme cu cheie publică III

z a + c 0 + c 1 (z a)

BARAJ DE JUNIORI,,Euclid Cipru, 28 mai 2012 (barajul 3)

CONCURS DE ADMITERE, 17 iulie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

VARIANTE PENTRU BACALAUREAT, M1-1, 2007

1. Sisteme de ecuaţii liniare Definiţia 1.1. Fie K un corp comutativ. 1) Prin sistem de m ecuaţii liniare cu n necunoscute X 1,...

Ministerul Educaţiei Naționale Centrul Naţional de Evaluare şi Examinare

VII.2. PROBLEME REZOLVATE

Capitolul 4 PROPRIETĂŢI TOPOLOGICE ŞI DE NUMĂRARE ALE LUI R. 4.1 Proprietăţi topologice ale lui R Puncte de acumulare

Subiecte Clasa a VII-a

Lucrare. Varianta aprilie I 1 Definiţi noţiunile de număr prim şi număr ireductibil. Soluţie. Vezi Curs 6 Definiţiile 1 şi 2. sau p b.

Examen AG. Student:... Grupa: ianuarie 2016

CONCURSUL INTERJUDEȚEAN DE MATEMATICĂ TRAIAN LALESCU, 1998 Clasa a V-a

Ecuaţia generală Probleme de tangenţă Sfera prin 4 puncte necoplanare. Elipsoidul Hiperboloizi Paraboloizi Conul Cilindrul. 1 Sfera.

O generalizare a unei probleme de algebră dată la Olimpiada de Matematică, faza judeţeană, 2013

Să se arate că n este număr par. Dan Nedeianu


6 n=1. cos 2n. 6 n=1. n=1. este CONV (fiind seria armonică pentru α = 6 > 1), rezultă

prin egalizarea histogramei

Capitolul 3. Serii Fourier. a unei funcţii periodice de perioadă Dezvoltarea în serie Fourier

GEOMETRIE PLANĂ TEOREME IMPORTANTE ARII. bh lh 2. abc. abc. formula înălţimii

Toate subiectele sunt obligatorii. Timpul de lucru efectiv este de 3 ore. Se acordă din oficiu 10 puncte. SUBIECTUL I.

Orice izometrie f : (X, d 1 ) (Y, d 2 ) este un homeomorfism. (Y = f(x)).

a) (3p) Sa se calculeze XY A. b) (4p) Sa se calculeze determinantul si rangul matricei A. c) (3p) Sa se calculeze A.

CONCURSUL DE MATEMATICĂ APLICATĂ ADOLF HAIMOVICI, 2017 ETAPA LOCALĂ, HUNEDOARA Clasa a IX-a profil științe ale naturii, tehnologic, servicii

7 Distribuţia normală

Ecuatii exponentiale. Ecuatia ce contine variabila necunoscuta la exponentul puterii se numeste ecuatie exponentiala. a x = b, (1)

Cum folosim cazuri particulare în rezolvarea unor probleme

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

Laborator 1: INTRODUCERE ÎN ALGORITMI. Întocmit de: Claudia Pârloagă. Îndrumător: Asist. Drd. Gabriel Danciu

Vectori liberi Produs scalar Produs vectorial Produsul mixt. 1 Vectori liberi. 2 Produs scalar. 3 Produs vectorial. 4 Produsul mixt.

CURS 11: ALGEBRĂ Spaţii liniare euclidiene. Produs scalar real. Spaţiu euclidian. Produs scalar complex. Spaţiu unitar. Noţiunea de normă.

Sisteme de ecuaţii diferenţiale

Probleme pentru clasa a XI-a

Algebră liniară CAPITOLUL 3

ELEMENTE DE GEOMETRIA COMPUTAŢIONALĂ A CURBELOR Interpolare cu ajutorul funcţiilor polinomiale

ELEMENTE DE GEOMETRIE. Dorel Fetcu

f(x) = l 0. Atunci f are local semnul lui l, adică, U 0 V(x 0 ) astfel încât sgnf(x) = sgnl, x U 0 D\{x 0 }. < f(x) < l +

CURS VII-IX. Capitolul IV: Funcţii derivabile. Derivate şi diferenţiale. 1 Derivata unei funcţii. Interpretarea geometrică.

III. Reprezentarea informaţiei în sistemele de calcul

Lucian Maticiuc CURS I II. 1 Matrice şi determinanţi. Sisteme de ecuaţii liniare. 1.1 Matrice şi determinanţi

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

* K. toate K. circuitului. portile. Considerând această sumă pentru toate rezistoarele 2. = sl I K I K. toate rez. Pentru o bobină: U * toate I K K 1

Transcript:

Valori şi vectori proprii 7 Vectori şi valori proprii n Reamintim că dacă A este o matrice pătratică atunci un vector x R se numeşte vector propriu în raport cu A dacă x şi există un număr λ (real sau complex) astfel încât Ax λx Numărul λ se mai numeşte şi valoarea proprie Valorile proprii ale matricei A sunt rădăcinile polinomului caracteristic P( λ) det( A λi) şi sunt invariante la transformările de similitudine ale lui A; acest lucru înseamnă că valorile proprii ale matricei A coincid cu valorile proprii ale matricei C AC oricare ar fi matricea nesingulară C Dacă matricea A este simetrică atunci valorile sale proprii sunt reale şi există o bază ortonormală formată din vectori proprii deci cu proprietatea Avi λ ivi i n în raport cu care matricea A se reduce la forma diagonală λ λ D () λn Baza v v n se poate alege astfel încât λ λ λn Dacă în plus A este şi pozitiv definită atunci λ λ şi n > Ax x λ A sup x x x Fie V matricea de trecere de la baza canonică a spaţiului R n la baza Se verifică imediat că V V deci V este ortogonală Rezultă că v v v n I V V şi că D V AV În practică valorile proprii ale matricei A nu se determină rezolvând numeric ecuaţia caracteristică det ( A λ I) deoarece aşa cum vom arăta în continuare rădăcinile unui polinom sunt foarte sensibile la orice modificare a coeficienţilor polinomului Într-adevăr fie polinomul

8 Bazele Analizei Numerice şi fie n n f ( x) an x + an x + + ax + a h( x) f ( x) + ε g( x) polinomul modificat în care ε > este arbitrar iar n n g( x) bn x + bn x + + b x + b este un polinom oarecare Cum g este arbitrar putem considera că bi ai i n sau bi pentru i j şi b j a j etc Aşadar cazul considerat este practic cazul cel mai general Fie x x x n rădăcinile polinomului f Pentru simplificare vom presupune că aceste rădăcini sunt simple deci că f ( x ) şi f ( x ) n Să presupunem că vrem să determinăm rădăcinile ecuaţiei h(x) cu una din metodele numerice cunoscute de exemplu metoda Newton - Raphson Ne aşteptăm ca pentru ε > foarte mic rădăcinile ecuaţiei h(x) să fie apropiate de rădăcinile ecuaţiei iniţiale f(x) Notăm cu z o rădăcină oarecare a ecuaţiei h(x) Conform algoritmului Newton avem z x Dacă notăm cu atunci h( x h ( x ) x ) [ f ( x ) + ε g ( x )] ε g( x ) f ( x ) + ε g ( x g( x ) q( ε ) f ( x ) + ε g ( x ) g( x ) g ( x ) q ( ε ) () q ( ) q() + ε q ( Cum ε ) pentru ε > suficient de mic din () şi () rezultă g( x ) g( x ) g ( x ) g( x ) z x ε ε x ( ) ε () f x [ f ( x )] f ( x ) Să presupunem că b i pentru i j şi b j a j Aşadar modificarea polinomului f constă în faptul că se înlocuieşte coeficientul a j cu coeficientul a ~ j ( + ε ) a j iar ceilalţi coeficienţi rămân neschimbaţi Din () rezultă z Exemplul Fie j a j x x ε (5) f x ) ( ) () Evident f ( x) ( x ) ( x )( x )( x )

Valori şi vectori proprii 9 x şi f ( x ) ( ) ( )!( )! Conform (5) avem j a j z x ε ( )!( )! Se poate arăta că a 7 6966 Să presupunem că ε ceea ce înseamnă că modificarea coeficientului a7 se face cu cantitatea ε a7 6966 7 Acest lucru este oricând posibil datorită erorilor inerente la introducerea datelor Să analizăm efectul acestei modificări asupra rădăcinii x 9 9 a ecuaţiei f(x) Un calcul direct ne arată că z 9 x9 7 Aşadar modificând un singur coeficient şi anume a 7 cu 7 rădăcina x 9 se modifică cu Raportul dintre modificarea rădăcinii x 9 şi modificarea coeficientului a 7 este ceea ce arată sensibilitatea rădăcinilor unui polinom la modificarea coeficienţilor Din cele de mai sus rezultă că nu se recomandă determinarea valorilor proprii ale unei matrice pe calea rezolvării numerice a ecuaţiei caracteristice Metoda recomandată este să se aducă printr-un procedeu oarecare matricea la forma diagonală şi atunci valorile proprii se determină global (toate odată) ele fiind de fapt elementele de pe diagonala principală Se urmăreşte deci ca prin transformări de similitudine care nu modifică valorile proprii să micşorăm eventual până la dispariţie elementele nediagonale ale matricei astfel încât în final să obţinem practic matricea diagonală Metoda rotaţiilor a lui Jacobi Fie A o matrice simetrică Metoda Jacobi constă în efectuarea unei suite de transformări de similitudine ale matricei A utilizând cele mai simple matrice ortogonale netriviale (matricele de rotaţie) de forma

Bazele Analizei Numerice p q O cosϕ sinϕ U M O sinϕ cosϕ Aşadar elementele matricei U sunt: uii dacă i p şi i q u pp cosϕ u pq sinϕ uqp sinϕ uqq cosϕ uij în rest O M p q O asemenea matrice este ortogonală ( U U I şi deci U U ) şi reprezintă din punct de vedere geometric o rotaţie de unghi ϕ în planul determinat de direcţiile ep şi e q Notăm cu A U A şi cu A A U U AU În cazul particular n 5 p şi q matricea A arată astfel a a cosϕa sinϕ a a sinϕ+a cosϕ a 5 a cosϕ a cos ϕa sinϕ a cosϕ (a a )sinϕcosϕ+ a 5 cosϕ a sinϕ cosϕ+a sin ϕ a sinϕ a cosϕ a 5 sinϕ a a cosϕa sinϕ a a sinϕ+a cosϕ a 5 a sinϕ+ (a a )sinϕ a sinϕ+ a sin ϕ+a sinϕ a 5 sinϕ+ a cosϕ cosϕ+a cosϕ a cosϕ cosϕ+ a cos ϕ a 5 cosϕ a 5 a 5 cosϕa 5 sinϕ a 5 a 5 sinϕ+a 5 cosϕ a 55 În general elementele matricei A sunt aij aij dacă i p şi i q a pj a pj cosϕ aqj sinϕ aqj a pj sinϕ + aqj cosϕ j n () iar cele ale matricei A sunt () ()

Valori şi vectori proprii aij aij dacă j p şi j q aip aip cosϕ aiq sinϕ aiq aip sinϕ + aiq cosϕ i n () Din () şi () rezultă a pp a pp cos ϕ a pq cosϕ sinϕ + aqq sin ϕ aqq a pp sin ϕ + a pq cosϕ sinϕ + aqq cos ϕ (5) a pq ( a pp aqq )sinϕ cosϕ + a pq cos ϕ aqp a pq Cum intenţia noastră este ca elementul nediagonal cel mai mare (în valoare absolută) să se anuleze în urma rotaţiei vom alege liniile p şi q astfel încât a pq să fie cel mai mare element (în valoare absolută) de deasupra diagonalei principale şi vom pune condiţia ca Ţinând seama de (5) rezultă a pq ( a pq pp a qq )sin ϕ + a pq cos ϕ şi mai departe aqq a pp ctgϕ a (6) Aşadar unghiul de rotaţie se află din relaţia (6) Introducem notaţiile aqq a pp θ şi tg ϕ t (7) a pq tg ϕ Cum ctgϕ din (6) şi (7) rezultă t + θ t Rezolvând tgϕ această ecuaţie obţinem t θ ± θ + θ ± θ + Pentru a evita ca numitorul să fie mic luăm dacă θ t θ + sgn( θ ) θ + (8) dacă θ Conform unor formule elementare de trigonometrie avem

Bazele Analizei Numerice c cosϕ s sinϕ Din (8) şi (9) rezultă că + t t + t (9) t c s şi deci că π π ϕ Dacă notăm cu S(B) suma pătratelor elementelor nediagonale ale unei matrice B oarecare atunci din () şi () un calcul direct ne conduce la S A ) S( A) a pq + a [ ] ( pq Aşadar dacă alegem unghiul rotaţie ϕ conform (8) şi (9) rezultă a şi deci S A ) S( A) a () pq ( pq Deoarece aij a pq pentru i j vom avea S( A) n( n ) a pq sau S( A) a pq n( n ) () Din () şi () rezultă S ( A ) S( A) < ( ) ( ) S A n n pentru n () Să considerăm acum un şir de rotaţii în urma cărora se obţin matricele A A A A unde A A A A A A etc Din () rezultă S( A ) S( A) n( n ) () Cum ( ) pentru n > din () rezultă lim S( A ) n( n ) Aşadar la limită şirul { A } tinde la matricea diagonală Se poate demonstra următoarea teoremă () eorema Fie λ i valorile proprii ale matricei A şi fie a jj elementele diagonale ale matricei A Atunci ( ) a jj λ j S( A ) Deoarece () a pq nediagonal al matricei A rezultă este cel mai mare (în valoare absolută) element

Valori şi vectori proprii ( ) ( ) S ( A ) ( n n)( a pq ) < n ( a pq ) Din eorema obţinem ( ) ( ) a jj λ j < n a pq () Inegalitatea () poate fi luată drept criteriu de oprire Din inegalitatea () n a pq < ε va rezulta numărul al rotaţiilor necesare pentru a aproxima valorile proprii λ j ale matricei A cu elementele diagonale () a jj ale matricei A Şirul de matrice A se calculează recursiv A U A U (5) A A Algoritm pentru determinarea valorilor proprii prin metoda rotaţiilor a lui Jacobi Intrare A ε ; Repetă Determină : max : elementul maxim în valoare absolută de deasupra diagonalei principale a matricei A ; Fie (p q) poziţia acestui element ; Calculează cu formulele (7) (8) (9) respectiv θ t c s ; Determină U prin înlocuirea în I n a elementelor i pp şi i qq cu c şi i pq cu s iar i qp cu -s ; Calculează A : U A U ; calculează S : i j până când S<ε n n a ij Exemplul Pentru matricea A a ; p ; q ; θ ; t ; c s U ; ; ; ; A U AU a p q 9 θ ; + θ ; t ; + t ; c ; s 8 j i

Bazele Analizei Numerice U ; A U AU Rezultă: λ ; λ 5 ; λ 5 Metoda Householder pentru tridiagonalizarea matricelor simetrice Pentru matricele simetrice tridiagonale există o metodă specială de determinare a valorilor proprii bazată pe conceptul algebric de şir Sturm; această metodă va fi prezentată în paragraful următor Prezintă deci interes cunoaşterea unor metode de tridiagonalizare a matricelor simetrice Cele mai cunoscute metode din această categorie sunt metoda Givens şi metoda Householder n Aşa cum am văzut în Capitolul I pentru orice vector x R x există o matrice Householder H astfel încât Hx σ e unde σ este un număr real Algoritmul pentru determinarea matricei H este prezentat în () respectiv () Fie A M n (R ) o matrice simetrică şi fie ai ( a i ai ani ) i n vectorii săi coloană Căutăm o matrice Householder H astfel încât a () a H a M ~ Pentru aceasta alegem H de forma H ~ unde H este H matricea Householder de ordinul (n-) cu proprietatea că

Valori şi vectori proprii 5 a () a ~ H M a n Conform algoritmului () descris în Capitolul I avem: / s ( a + + an ) β ( s( a + s) u ( a + s sgn( a) a a n ) ~ sgn( a ) dacă a H I n βuu Dacă notăm cu a ~ ( a ) atunci a n s sgn( a ) ~ Ha ~ M a s sgn( a) a a Mai departe avem H a ~ ~ ~ H ~ a H a M Fie A H AH Atunci a s sgn( a) () () () s sgn( a) a a an () () () a a an A () () () an an ann În continuare se caută o matrice Householder H cu proprietatea că elementele () a i ( i n) din matricea A H A H sunt nule etc Algoritm pentru tridiagonalizarea matricei A A : A ; Pentru i:n- calculează / n s : ; : aij β i+ i s j i+ ( s( a + )) ;

6 Bazele Analizei Numerice ( a + s a ) a a ) u i+ i sgn( i+ i i+ i n i ; dacă a ii+ atunci sgn(a ii+ ) : altfel sgn(a ii+ ) : ; ~ H : I β u u ; i n Ii : ~ ; H i H i Ai : H i Ai H i sfârşit pentru i ; Determinarea valorilor proprii ale matricelor simetrice tridiagonale Următoarea teoremă precizează mulţimea din planul complex (respectiv intervalul din R ) în care se află valorile proprii ale unei matrice eorema (Gerschgorin) Fie A o matrice pătratică de ordinul n n ri aij şi Di { z C ; z aii < ri } ; i n j j i Dacă λ este valoarea proprie a matricei A atunci λ Demonstraţie Fie λ o valoare proprie a matricei A şi fie U n D i i x ( x x n ) vector propriu corespunzător lui λ Atunci x şi Ax λx Rezultă ai x + + aii xi + + ain xn λxi sau n aij x j (λ aii ) xi j i n () j i Fie { n} astfel încât x x > p p Din () rezultă Aşadar λ D p D i x λ a a r U n i pp n j n a pj j x p j j p j p pj p un

Valori şi vectori proprii 7 În cazul particular când A M n (R) şi are toate valorile proprii reale rezultă că U n λ [ aii ri aii + ri ] R i Exemplul Fie A r; r ; r λ [ ] [ 7] [ 5] [ 7 5] O matrice simetrică tridiagonală este de forma a b b a b b a b J bn an bn bn an Pentru o astfel de matrice avem () a a r b ; r b ; r b + b i n ii i ; n n i i i Fie a min ( ai ri ) şi b max( ai + ri ) i n i n Valorile proprii ale matricei A vor aparţine intervalului [ab] Definiţia Un şir ordonat şi finit de polinoame reale f n f n f f numeşte şir Sturm dacă: Polinoamele vecine nu au rădăcini comune; f nu are rădăcini reale; Dacă x α este o rădăcină a unuia din polinoamele intermediare f i i n atunci f i ( α) f i + ( α) < ; Dacă f n ( α ) atunci pentru h > suficient de mic avem fn ( α h) fn ( α + h) sgn şi sgn + fn ( α h) fn ( α + h) În continuare pentru orice x R notăm cu S(x) numărul schimbărilor de semn din şirul f n ( x) f n ( x) f( x) f ( x) după ce am eliminat elementele nule eorema (Sturm) Fie f n f n f f un şir Sturm de polinoame Dacă numerele reale a şi b a < b nu sunt rădăcini ale polinomului f n şi se

8 Bazele Analizei Numerice dacă polinomul f n nu are rădăcini multiple atunci S(a) S(b) şi diferenţa S(a)S(b) este egală cu numărul rădăcinilor reale ale polinomului fn din intervalul (a b) Demonstraţie Deoarece polinoamele sunt funcţii continue atât timp cât x crescând nu întâlneşte nici o rădăcină a vreunuia din polinoamele din şir semnele polinoamelor din şir nu se schimbă şi deci S(x) rămâne neschimbat Rămâne să analizăm următoarele cazuri posibile: a) x α este rădăcină pentru unul din polinoamele intermediare Fie i { ( n) } astfel încât f i ( α) Din Definiţia rezultă f i ( α ) f i + ( α ) < Să presupunem că f i ( α ) < şi fi+ ( α ) > Din continuitate rezultă că există h > astfel încât f i ( x) < şi f i + ( x) > pentru orice x α h α + h Avem următoarea situaţie [ ] x fi--(x) f i (x) f i+ (x) α-h - ± + α - + α+h - m + Rezultă S(α + h) S( α - h) În mod analog dacă f i( α ) > şi fi+ ( α ) < avem următorul tabel ale semnelor x f i- (x) f i (x) f i+ (x) α - h + ± - α + - α + h + m - Rezultă de asemenea S(α + h) S( α- h) b ) x α este o rădăcin ă a polinomului f n Evident în acest caz f n- (α) (Definiţia proprietatea ) Din continuitate şi din proprietatea a Definiţiei rezultă că nu putem avea decât următoarele situaţii x f n- (x) f n (x) α-h - + α - α+h - - x f n- (x) f n (x) α-h + - α + α+h + + Aşadar la trecerea printr-o rădăcină a polinomului f n S scade cu o unitate (S( α + h) S(α h) ) În definitiv am demonstrat că numărul rădăcinilor reale ale polinoamelor f n cuprinse în intervalul (ab) este egal cu

Valori şi vectori proprii 9 S(a) -S(b) Exemplul Fie polinoamele: f ( x) x x + ; f ( x) x x + ; f ( x) x ; f ( x) Din reprezentarea grafică a polinoamelor se observă că ele formează un şir Sturm Alegem a şi b f () ; f () 5; f () ; f () f () ; f () ; f () ; f () ; S() ; S() ; Numărul rădăcinilor reale ale polinomului f cuprinse în intervalul ( ) este Fie J matricea simetrică tridiagonală dată de () şi fie λ a b b λ a b P( λ) det( λi J ) b λ a b n λ a n Introducem următoarele notaţii f ( λ) f( λ) λ a f ( λ) ( λ a ) f( λ) b f ( λ) () f( λ) ( λ a) f ( λ) b f( λ) f n ( λ) ( λ an ) f n ( λ) bn f n ( λ) Se observă imediat că f n ( λ) P( λ) este polinomul caracteristic ataşat matricei A eorema Dacă b i i n atunci fiecare polinom f n are exact rădăcini reale simple Mai mult pentru orice n rădăcinile polinomului f separă rădăcinile polinomului f + f O b y f f f x

Bazele Analizei Numerice Demonstraţie Polinomul f admite rădăcina () < b rezultă f ( λ ) b Pe de altă parte deoarece rezultă că există λ Cum λ () a Din () şi din ipoteza f ( λ) λ + şi deci lim f ( λ) + λ ± () () λ rădăcini reale ale lui f astfel încât () () () λ < λ < λ () () () () f ( λ ) b f( λ ) > şi f ( λ ) b f( λ ) < ( λ) λ + avem lim ( λ) şi lim f( λ) λ λ Ţinând din nou seama de () şi de ipoteza b rezultă f f + Aşadar polinomul f admite rădăcini reale simple () () () () () () () λ ( λ ) λ ( λ λ ) şi λ ( λ ) Prin inducţie matematică se poate arăta că f are rădăcini reale simple şi separă rădăcinile polinomului f + f λ () λ () f λ () λ () λ () λ () f Corolarul Orice matrice simetrică tridiagonală ireductibilă are n valori proprii reale distincte Într-adevăr conform Definiţiei Capitolul I dacă matricea J este ireductibilă atunci b i i n Afirmaţia rezultă acum din eorema şi din observaţia că f n ( λ) P( λ) este polinomul caracteristic al matricei J eorema Dacă J este o matrice simetrică tridiagonală ireductibilă şi

Valori şi vectori proprii f ( λ ) ; f( λ) λ a; f ( λ) ( λ a ) f ( λ) b f ( λ) n atunci f n f n f f este un şir Sturm Demonstraţie Evident f ( λ) pentru orice λ R Fie { n } şi α R astfel încât f ( α) Atunci f+ ( α) b f( α) Din eorema rezultă f+ ( α) şi f ( α) iar din egalitatea precedentă rezultă f + ( α) f ( α) < Fie x α cea mai mare rădăcină a polinomului f n Din eorema şi din faptul că lim fn( x) lim fn( x) + x x rezultă f n ( α ) > şi mai departe că f ( ) ( ) sgn n α + h f şi sgn n α h fn( α + h) fn( α h) pentru h > suficient de mic Dacă x α este următoarea rădăcină a polinomului f n vom avea f n ( α ) < şi deci pentru h > suficient de mic f ( ) ( ) sgn n α + h f şi sgn n α h fn( α + h) fn( α h) ş a md y f n f n - O α α x

Valori şi vectori proprii eorema 5 Fie J o matrice simetrică tridiagonală ireductibilă şi fie a R oarecare Atunci numărul valorilor proprii ale matricei J mai mari ca a este egal cu S(a) Afirmaţia rezultă din eorema eorema şi din observaţia că dacă b>α unde α este cea mai mare rădăcină a polinomului f n atunci S(b) deoarece f i ( b) > i n eorema 5 ne permite să determinăm valorile proprii ale unei matrice simetrice tridiagonale ireductibilă cu metoda înjumătăţirii Fie a b R astfel încât a λ n < < λ < λ < b < Evident S(a) n şi S(b) Fie c mijlocul intervalului [a b] Dorim să localizăm valoarea proprie λ a c λ b Dacă S(c) atunci la dreapta lui c se află valori proprii deci inclusiv λ În acest caz notăm a c b b Dacă dimpotrivă S(c) < atunci λ (ac) şi notăm a a b c a Să presupunem că λ (cb) Fie + b c Dacă S(c ) atunci notăm a c b b iar dacă S(c ) < atunci a a b c etc b a a p + b p Rezultă că λ (a p b p ) unde bp-a p Putem alege λ p b a şi eroarea care se face va fi mai mică decât p Exemplul Fie A Atunci r r r a min( ) ; b max( + + + ) Din eorema Gershgorin rezultă că valorile proprii se află în intervalul [] Fie λ < λ < λ aceste valori proprii Să presupunem că vrem să determinăm valoarea proprie λ Notăm cu a + b c f (λ) ; f (λ) λ ; f (λ) (λ) ; f (λ) (λ) (λ) f () ; f () ; f () ; f () ; S()

Bazele Analizei Numerice Rezultă că în intervalul [] se află o singură valoare proprie deci + λ [] Fie c f ) ; f () ; f () ; f () ; S() λ ( 7 ) ( + 7 λ Fie c 7 7 7 5 7 7 f ; f ; f ; f ; S( ) 8 7 Aşadar la dreapta lui Rezultă [ ] etc nu se află nici o valoare proprie Rezultă Exerciţii Folosind metoda rotaţiilor a lui Jacobi să se calculeze valorile şi vectorii proprii pentru matricea A R max a ij a i< j p q Rezultă că aqq a pp a a θ şi t a a 6 pq t cosϕ ; sinϕ iar + t + t

Valori şi vectori proprii 5 U 5 () U A U A () () max a a ij j i < p q Rezultă că 5 ) ( () () a a a a a a pq pp qq θ şi sgn + + θ θ θ t sin ; cos + + t t t ϕ ϕ iar U

6 Bazele Analizei Numerice 6 5 () () U A U A Deoarece S(A () ) am obţinut chiar valorile proprii exacte pentru matricea A 6 6 U U V reprezintă matricea de trecere de la baza în care matricea A este dată ( canonică ) la baza în care A are forma diagonală Se ştie de la cursul de Algebră liniară că această bază este dată de coloanele matricei de trecere Deci vectorii proprii se obţin ca fiind coloanele matricei de trecere astfel: 6 6 6 v v v λ λ λ Folosind metoda Jacobi să se determine valorile proprii aproximative ale matricei 5 5 A R Procedând ca în exerciţiul de mai sus se obţin succesiv:

Valori şi vectori proprii 7 77 77 77 77 U 6 9975 555 9975 77 77 77 555 77 A 857 5 5 857 U 957 75 579 57 65 55 75 65 77 A 579 55 77 89965 66 5 66 89965 U 586 67858 67 67858 57 65 985 67 65 78 985 78 786 A 6 77 77 6 U

8 Bazele Analizei Numerice 886 6595 55 6595 787 67 A 787 56 955 55 67 955 586 şi aşa mai departe se obţine la iteraţia a noua 58 989 U 9 989 58 87 986 7 986 55 6 5 A 9 5 6 587 6 5 6 865 S(A 9 )9 valorile proprii exacte fiind: λ 866 λ 87 λ λ 587 Să se determine valorile proprii aproximative ale matricei A 5 5 folosind metoda Jacobi R Procedând ca în exerciţiul de mai sus se obţine succesiv: 77 77 U 77 77

Valori şi vectori proprii 9 6 88 555 88 88 88 555 A 8887 597 597 8887 U 78 9755 9757 9755 88 6 9757 88 8889 A 6 8889 8 9659 5 5 9659 U 8996 95 8 7 86 95 7 8889 86 8889 8 A 7 967 967 7 U 8996 7689 8 7689 578 8797 8 96 8797 8 A şi aşa mai departe se obţine la iteraţia a zecea

Bazele Analizei Numerice 99999 5 5 99999 U 9995 5 6 598 5 8 89 A 6 89 689 5 598 5 59755 S(A )5855 valorile proprii exacte fiind: λ 7 λ 688 λ 59755 λ 95 Să se aducă la forma tridiagonală matricele următoare folosind metoda Householder A 5 6 7 R s a 75 j j β s ( a + s) ~ H I H a + + s 75 u a a 5775 5775 5775 β u u 5775 78867 5775 78867 5775 5775 5775 5775 78867 5775 78867

Valori şi vectori proprii 5775 5775 5 76 797 A H A H 76 5955 8 ; 797 8 57799 s a 59 j j β 58 s ( a + s) a + s 76 + 59 u a 797 ~ 59 99 H I β u u 99 59 H 59 99 99 59 5775 5775 5 59 A H A H 59 699 779 779 59 5 5 A 7 6 8 R s a j 98 j β 85 s ( a + s)

Bazele Analizei Numerice a + + s 75 u a a 8 8 869 ~ H I β u u 8 886 67 869 67 5659 5775 5775 5775 H 5775 78867 5775 78867 5 869 5775 58 76598 699 A H A H 76598 6777 585 ; 699 585 5755 s a j 9585 β 999 j s ( a + s) a + s 76598 9585 u a 699 ~ 567 9 H I β u u 9 567 H 567 9 9 567 5 869 869 58 9585 A H A H 9585 5559 5578 5578 76 6 Să se găsească cea mai mare valoare proprie în valoare absolută pentru matricea

Valori şi vectori proprii A 5 6 7 folosind polinoamele Sturm R r r r r iar rădăcinile polinomului caracteristic se află în intervalul [a b] unde : a ( aii ri i min ) max a + r ) min{ 5 6 7 } şi b ( ii i max{ + 5+ 6+ 7+ } 8 i Polinoamele Sturm pentru această matrice sunt: f (λ) f (λ) λ a λ f (λ) (λ a ) f (λ) a f(λ) (λ 5) (λ ) f (λ) (λ a ) f (λ) a f(λ) (λ 6)f (λ) f (λ) f (λ) (λ a ) f (λ) a f(λ) (λ 7)f (λ) f (λ) Schimbările de semn în şirul Sturm de mai sus : f (a) f (a) f (a) f (a) f (a) 7 arată că la dreapta lui a se află rădăcini ale ecuaţiei caracteristice f (b) f (b) f (b) f (b) 8 f (b) 7 iar la dreapta lui b nu se află nici o rădăcină a ecuaţiei caracteristice Luând a + b c f (c) f (c) 5 f (c) 5 f (c) 75 f (c) 5 la dreapta lui c se află rădăcini ale ecuaţiei caracteristice şi atunci a : c;

Bazele Analizei Numerice a + b c f (c) f (c) 75 f (c) 85 f (c) 98 f (c) 898 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice a : c ; a + b c f (c) f (c) 75 f (c) 756 f (c) 678 f (c) 668 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice a : c ; a + b c f (c) f (c) 6875 f (c) 896 f (c) 9 f (c) 8 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice a : c ; a + b c f (c) f (c) 875 f (c) 9966 f (c) 659 f (c) 795 la dreapta lui c nu se află nici o rădăcină a ecuaţiei caracteristice b : c ; a + b c f (c) f (c) 7656 f (c) 9 f (c) 8565 f (c) 896 la dreapta lui c nu se află nici o rădăcină a ecuaţiei caracteristice ş a m d La iteraţia a 6a se obţine aproximaţia c 7759 iar P(c) P(λ) fiind polinomul caracteristic 7 Să se găsească cea dea doua valoare proprie pentru matricea ( λ > λ > λ > λ )

Valori şi vectori proprii 5 5 A 6 6 8 folosind polinoamele Sturm R r r r r iar rădăcinile polinomului caracteristic se află în intervalul [a b] unde : a min ( aii ri ) min{ 5 6 6 8 } şi i b max( a ii + ri ) max{ 5+ 6+ 6+ 8+ } i Polinoamele Sturm pentru această matrice sunt: f (λ) f (λ) λ a λ5 f (λ) (λ a ) f (λ) a f(λ) (λ 6) (λ 5) f (λ) (λ a ) f (λ) a f(λ) (λ 6)f (λ) f (λ) f (λ) (λ a ) f (λ) a f(λ) (λ 8)f (λ) f (λ) Schimbările de semn în şirul Sturm de mai sus : f (a) f (a) f (a) f (a) f (a) arată că la dreapta lui a se află rădăcini ale ecuaţiei caracteristice f (b) f (b) 5 f (b) 6 f (b) 59 f (b) 5 iar la dreapta lui b nu se află nici o rădăcină a ecuaţiei caracteristice Luând a + b c f (c) f (c) 5 f (c) 5 f (c) 76875 f (c) 5

6 Bazele Analizei Numerice la dreapta lui c se află rădăcini ale ecuaţiei caracteristice şi atunci a : c; a + b c f (c) f (c) 5 f (c) 5 f (c) f (c) 99 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice b : c ; a + b c f (c) f (c) 75 f (c) 77 f (c) 876 f (c) 5597 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice a : c ; a + b c f (c) f (c) 85 f (c) 9765 f (c) 899 f (c) 6 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice b : c ; a + b c f (c) f (c) 5975 f (c) 78 f (c) 85 f (c) 9 la dreapta lui c se află două rădăcini ale ecuaţiei caracteristice a : c ; a + b c f (c) f (c) 7 f (c) 675 f (c) 678 f (c) 978 la dreapta lui c se află o rădăcină a ecuaţiei caracteristice ş a m d La iteraţia a a se obţine aproximaţia c 768 iar P(c) P(λ) fiind polinomul caracteristic