Γραμμικά συστήματα. - όπου Α είναι ένας (m x n) πίνακας, ο οποίος περιέχει. - όπου Β είναι ένας (m x 1) πίνακας που περιέχει τους

Σχετικά έγγραφα
Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Παραδείγματα Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

ΠΛΗ 12 - Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα

Ένα διάνυζμα παριστάνεται ως μια μονοδιάστατη λίστα. a = {x 1, x 2,..., x n } Πράξεις με δυανύσματα. b = Map[y # &, Range[3]] ή διαφορετικά

Διαγωνοποίηση μητρών. Στοιχεία Γραμμικής Άλγεβρας

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση 19/6/2018 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου Ι. Λυχναρόπουλος

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (ΗΥ-119)

1 ιαδικασία διαγωνιοποίησης

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιμές και Ιδιοδιανύσματα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Λύσεις των Θεμάτων της Εξέτασης Ιανουαρίου 2010 στο μάθημα: «Γραμμική Άλγεβρα» (ΗΥ119)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Λύσεις των Θεμάτων της Εξέτασης Σεπτεμβρίου 2010 στο μάθημα: «Γραμμική Άλγεβρα» (ΗΥ119)

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

= 7. Στο σημείο αυτό θα υπενθυμίσουμε κάποιες βασικές ιδιότητες του μετασχηματισμού Laplace, δηλαδή τις

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση 8/6/2017 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση Ι. Λυχναρόπουλος

ΘΕΩΡΙΑ ΠΙΝΑΚΩΝ. Ορισμός 1: Ένας πίνακας Α με m γραμμές και n στήλες,

ΤΜΗΜΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΑΚ. ΕΤΟΣ Μαθηματικά για Οικονομολόγους ΙI-Μάθημα 4 Γραμμικά Συστήματα

2 3x 5x x

Ιδιάζουσες τιμές πίνακα. y έχουμε αντίστοιχα τις σχέσεις : Αυτές οι παρατηρήσεις συμβάλλουν στην παραγοντοποίηση ενός πίνακα

Χαρακτηριστική Εξίσωση Πίνακα

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (Εξ. Ιουνίου - 02/07/08) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 9ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Διανυσματικοί Χώροι

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 10ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Ιδιοτιμές - Ιδιοδιανύσματα

Λύσεις και Υποδείξεις Επιλεγµένων Ασκήσεων

Γραμμική Άλγεβρα Ι,

, ορίζουμε deta = ad bc. Πρόταση Ένας πίνακας Α είναι αντιστρέψιμος τότε και μόνο αν deta 0.

ΚΕΦ.6:ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ. ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ

Περιεχόμενα. Πρόλογος 3

Αριθμητική Ανάλυση 4.5 Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα πινάκων. Γ. Παπαευαγγέλου, ΕΔΙΠ, ΤΑΤΜ/ΑΠΘ

b. Για κάθε θετικό ακέραιο m και για κάθε A. , υπάρχουν άπειρα το πλήθος πολυώνυμα ( x) [ x] m και ( A) 0.

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss Jordan

7 ΑΛΓΕΒΡΑ ΜΗΤΡΩΝ. 7.2 ΜΗΤΡΕΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΜΟΡΦΗΣ (Ι)

Κεφάλαιο 9 1 Ιδιοτιμές και Ιδιοδιανύσματα

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss-Jordan Παραγοντοποίηση LU, LDU

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 3 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 7 Ιανουαρίου 2008

ΠΛΗ 12- Σχέση ισοδυναμίας, γραμμικά συστήματα και απαλοιφή Gauss

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

D = / Επιλέξτε, π.χ, το ακόλουθο απλό παράδειγμα: =[IA 1 ].

Βασικά μαθηματικά εργαλεία

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 7ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Γραμμικά Συστήματα- Απαλοιφή Gauss Επιμέλεια: I. Λυχναρόπουλος

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Λύσεις των Θεμάτων εξέτασης προόδου στο μάθημα «Γραμμική Άλγεβρα» (ΗΥ119)

3. Μια πρώτη προσέγγιση στην επίλυση των κανονικών μορφών Δ. Ε.

Η ΚΑΝΟΝΙΚΗ ΜΟΡΦΗ JORDAN

Μαθηματικά ΜΕΡΟΣ 5 ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΜΕ ΠΙΝΑΚΕΣ

Διανύσµατα στο επίπεδο

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση Ι. Λυχναρόπουλος

Σημειώσεις για το μάθημα: «Βασικές Αρχές Θεωρίας Συστημάτων» (Μέρος Α )

ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Gauss. x + y + z = 2 3x + 3y z = 6 x y + z = 1. x + y + z = r x y = 0 3x + y + sz = s 0

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Ασκήσεις4 48. P AP τριγωνικό. Αφού δείξτε ότι ο A δεν είναι διαγωνίσιμος, βρείτε αντιστρέψιμο A 1 3 1

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ. ρ Χρήστου Νικολαϊδη

Ασκήσεις3 Διαγωνίσιμες Γραμμικές Απεικονίσεις

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (ΗΥ-119)

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Συστήματα αυτομάτου ελέγχου (ΙΙ) Modern Control Theory

Ασκήσεις3 Διαγωνισιμότητα Βασικά σημεία Διαγωνίσιμοι πίνακες: o Ορισμός και παραδείγματα.

AX=B (S) A A X=A B I X=A B X=A B I X=A B X=A B X=A B X X

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

Δίνεται το σύστημα μιας εισόδου και μιας εξόδου, το οποίο περιγράφεται από τις κάτωθι εξισώσεις:,, πίνακας,

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ ΠΟΛΥΩΝΥΜΟ ΠΙΝΑΚΑ: Έστω Α ένας n nπίνακας επί ενός σώματος F. Για χ στο F, ορίζεται το πολυώνυμο ( ως προς χ ) : h ( x) = det( A- xi ).

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 2 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 28 Νοεμβρίου 2011

Υπολογισμός του πίνακα A n, n Z Νίκος Χαλιδιάς Τμήμα Στατιστικής και Αναλογιστικών - Χρηματοοικονομικών Μαθηματικών Πανεπιστήμιο Αιγαίου

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 1 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 20 Οκτωβρίου 2008

8.1 Διαγωνοποίηση πίνακα

Παραδείγματα Διανυσματικοί Χώροι Ι. Λυχναρόπουλος

Γραμμική Αλγεβρα ΙΙ Διάλεξη 1 Εισαγωγή Χρήστος Κουρουνιώτης Πανεπισ τήμιο Κρήτης 19/2/2014 Χ.Κουρουνιώτης (Παν.Κρήτης) Διάλεξη 1 19/2/ / 13

Κεφάλαιο 4 Διανυσματικοί Χώροι

( ) 10 ( ) εποµ ένως. π π π π ή γενικότερα: π π. π π. π π. Άσκηση 1 (10 µον) Θεωρούµε το µιγαδικό αριθµό z= i.

Πίνακες >>A = [ 1,6; 7, 11]; Ή τον πίνακα >> B = [2,0,1; 1,7,4; 3,0,1]; Πράξεις πινάκων

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών : Στοιχεία Γραμμικής Άλγεβρας

1. Για καθένα από τους ακόλουθους διανυσματικούς χώρους βρείτε μια βάση και τη διάσταση. 3. U x y z x y z x y. {(,, ) } a b. c d

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ιούνιος 2010 Επιλεγµένες απαντήσεις και σχόλια

5.1 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

1 Επανάληψη εννοιών από τον Απειροστικό Λογισμό

Στοχαστικά Σήματα και Τηλεπικοινωνιές

Ασκήσεις6 Το σύνηθες εσωτερικό γινόμενο στο

Εισαγωγικές έννοιες. Κατηγορίες προβλημάτων (σε μια διάσταση) Προβλήματα εύρεσης μεγίστου. Συμβολισμοί

Μαρία Λουκά. Εργαστήριο Matlab Άμεσες Μέθοδοι. Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Παραδείγματα (2 ο σετ) Διανυσματικοί Χώροι Επιμέλεια: Ι. Λυχναρόπουλος

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου 25/9/2017 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Έντυπο Yποβολής Αξιολόγησης ΓΕ

Ασκήσεις6 Διαγωνοποίηση Ερμιτιανών Πινάκων

Copyright: Ψωμόπουλος Ευάγγελος, Eκδόσεις Zήτη, Γ έκδοση: Μάρτιος 2012, Θεσσαλονίκη

Κεφάλαιο 3 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ

Κεφάλαιο 9 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

Επίλυση Συστήματος Γραμμικών Διαφορικών Εξισώσεων

Κεφάλαιο 4 Διανυσματικοί Χώροι

Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης Εφαρμοσμένη Θεωρία Πινάκων. Quiz 2. Σύντομες Λύσεις

{ } ΠΛΗ 12: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι 2 η ΓΡΑΠΤΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Απαντήσεις. 1. (15 µονάδες)

Παραδείγματα Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα Ι. Λυχναρόπουλος

Transcript:

Γραμμικά συστήματα Η γενική μορφή ενός τέτοιου συστήματος είναι Α.Χ=Β - όπου Α είναι ένας (m x n) πίνακας, ο οποίος περιέχει τους συντελεστές των αγνώστον. - όπου Χ είναι ένας (n x 1) πίνακας που περιέχει τους αγνώστους του συστήματος - όπου Β είναι ένας (m x 1) πίνακας που περιέχει τους σταθερους όρους του συστήματος αν m=n=3 a 1,1 a 1, a 1,3 a,1 a, a,3. a 3,1 a 3, a 3,3 x 1 x x 3 b 1 b b 3 Η λύση ενός γραμμικού συστήματος με το Mathematica Άσκηση 1 x + y = x - y = 0 Λύση 1η με την εντολή Solve[...] In[1]:= Solve[{x + y, x - y 0}, {x, y}] Out[1]= {{x 1, y 1}}

lecture6.nb Λύση η με την εντολή LinearSolve[A, B] LinearSolve[A, B] Δίνει τη λύση του συστήματος Α.Χ = Β Η εξίσωση και η λύση με την μορφή τις πίνακες 1 1 1-1 x y = 0 A.X=B A= 1 1 1-1, X= x y, B = 0 In[]:= MatrixForm /@ {A = {{1, 1}, {1, -1}}, X = {{x}, {y}}, B = {{}, {0}}} Out[]= 1 1 1-1, x y, 0 In[3]:= LinearSolve[A, B] Out[3]= {{1}, {1}} Λύση 3η Η λύση με το αντίστροφο πίνακα Α -1 Α.Χ = Β Α -1.Α.Χ = Α -1.Β Ι.Χ = Α -1.Β Χ = Α -1.Β

lecture6.nb 3 In[4]:= Inverse[A].B Out[4]= {{1}, {1}} έχουμε λύση {x,y}={1,1} x=1, y=1 Λύση 4η Η λύση με την μέθοδο απαλοιφής Gauss Jordan Σε πρώτο βήμα κατασκευάζεται ο επεκταμένος ή επαυξημένος (extended) πίνακας [A B] = 1 1 1-1 0 και μετά κάνουμε απαλοιφής (Gauss Jordan ) για να έχουμε ελαττωμένη κλιμακωτή μορφή γραμμών (ε.κ.μ.γ.) για αυτο επαυξημένο πίνακα. Αυτό γίνεται με την χρήση την εντολή RowReduce πάνο σε αυτό το πίνακα. RowReduce[M] Δίνει την ελαττωμένη κλιμακωτή μορφή γραμμων του πίνακα Μ In[5]:= MatrixForm /@ {A = {{1, 1}, {1, -1}}, B = {{}, {0}}} Out[5]= 1 1 1-1, 0 In[6]:= AB = Join[A, B, ]; MatrixForm[AB] Out[6]//MatrixForm= 1 1 1-1 0

4 lecture6.nb In[7]:= RowReduce[AB] // MatrixForm Out[7]//MatrixForm= 1 0 1 0 1 1 Μπορούμε να διαβάσουμε την λύση x = 1 και y = 1 απευθείας από αυτό το πίνακα, να θυμόμαστε ότι αυτός ο πίνακας αντιπροσωπεύει την εξίσωση 1 0 0 1 x y = 1 1 x y = 1 1 x=1, y=1 το οποίο είναι ισοδύναμο με την αρχική μας εξίσωση λόγω του γεγονότος ότι οι στοιχειώδείς πράξεις για το Gauss Jordan απαλοιφής δεν αλλάζουν την λύση ενός σύστηματος των εξισώσεων. κάνουμε επαλήθευση για την λύση x=1, y=1 In[8]:= A.X B /. {x 1, y 1} Out[8]= True In[9]:= Reduce[eqns, vars] Επιλύει τις εξισώσεις eqns ως προς τις μεταβλητές vars Άσκηση a x + y = x - a y = 0 Reduce[{a * x + y, x - a * y 0}, {x, y}, Reals] Out[9]= x a 1 + a && y - a x

lecture6.nb 5 Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα. Όταν έχουμε ειδική περίπτωση A.X=λX όπου Α= a 11 a 1 a 1 a, X= x y και λ είναι αριθμό (A-λI).X=0 το σύστημα αυτό λέγεται ομογενείς σύστημα για να έχουμε μη μηδενική λύση πρέπει να έχουμε det(a-λi)=0 Άσκηση 3 Αν έχουμε το πίνακα Α = 3 1 να βρείτε ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα του. In[10]:= A = {{3, 1}, {, }}; MatrixForm[A] Out[10]//MatrixForm= 3 1 A-λI

6 lecture6.nb In[11]:= A - λ * IdentityMatrix[] // MatrixForm Out[11]//MatrixForm= 3 - λ 1 - λ Χαρακτηριστικό πολυώνυμο του πίνακα Α είναι Det(A-λI) ή A-λI In[1]:= A - λ * IdentityMatrix[] // Det Out[1]= 4-5 λ + λ ή διαφορετικά In[13]:= CharacteristicPolynomial[A, λ] Out[13]= 4-5 λ + λ Ιδιοτιμές είναι λυσεις της εξίσωσης 4-5 λ + λ = 0 In[14]:= Solve[CharacteristicPolynomial[A, λ] 0] Out[14]= {{λ 1}, {λ 4}} In[15]:= Όταν λ=1 έχουμε A - λ * IdentityMatrix[] /. λ 1 // MatrixForm Out[15]//MatrixForm= 1 1 Η εξίσωση (A-I).X=0 (που αντιστοιχεί στην εξίσωση A.X=X ) πέρνει την μορφή 1 1 x y = 0 0

lecture6.nb 7 βλέπουμε ότι έχουμε x+y=0 => x= -y => αν πέρνουμαι x=1 βρίσκουμε y= - => έχουμαι ιδιοδιάνυσμα x y 1 - πού αντιστοιχεί ιδιοτιμή λ=1 In[16]:= Όταν λ=4 έχουμε A - λ * IdentityMatrix[] /. λ 4 // MatrixForm Out[16]//MatrixForm= -1 1 - Η εξίσωση (A-4I).X=0 (που αντιστοιχεί στην εξίσωση A.X=4X ) πέρνει την μορφή -1 1 - x y = 0 0 βλέπουμε ότι έχουμε -x+y=0 => y= x => αν πέρνουμαι x=1 βρίσκεται y= 1 => έχουμε ιδιοδιάνυσμα x y 1 1 πού αντιστοιχεί ιδιοτιμή λ=4 1 Τελικά έχουμε ιδιοδιανύσματα -, 1 1 αντιστοιχούν στις ιδιοτιμές λ=1,4 αντίστοιχα. που Γενικά έχουμε άπειρο σύνολο ιδιοδιανυσμάτων k k, όπου k είναι οποιοδήποτε μη μηδενικό - k k

8 lecture6.nb αριθμό, που αντιστοιχούν στις ιδιοτιμές λ=1,4 αντίστοιχα. Άλλος τρόπος εύρεσης των ιδιοδιανύσμάτων για το πίνακα Α. Γενικά το σύνολο των λύσεων του συστήματος A.X=0 λέγεται μηδενοχώρος (null space) του Α και συμβολίσεται με null(a). Η εντολή NullSpace[Α] δίνει η λιστά διανυσμάτων τα οποία είναι βάση για το μηδενοχώρο του πίνακα Α. Στη δική μας περίπτωση έχουμε πίνακα A-λΙ με λ=1 και λ=4 Να υπολογίζουμε το ιδιοδιανύσμα του πίνακα Α που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή 1 με την εντολή NullSpace. In[17]:= NullSpace[A - 1 * IdentityMatrix[]] Out[17]= {{-1, }} βρίκαμε ιδιοδιανύσμα {-1,}, κάνουμε επαλήθευση In[18]:= (A - 1 * IdentityMatrix[]).{-1, } Out[18]= {0, 0} Να υπολογίζουμε το ιδιοδιανύσμα του πίνακα Α που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή 4 με την εντολή NullSpace. In[19]:= NullSpace[A - 4 * IdentityMatrix[]] Out[19]= {{1, 1}} βρίκαμε ιδιοδιανύσμα {1,1}, κάνουμε επαλήθευση

lecture6.nb 9 In[0]:= (A - 4 * IdentityMatrix[]).{1, 1} Out[0]= {0, 0} Οι ιδιοτιμές του πίνακα Α θα μπορούσαν να υπολογιστούν επίσης με την συνάρτηση Eigenvalues[A]. Eigenvalues[A] Ιδιοτιμές του τετραγωνικού πίνακα Α In[1]:= Eigenvalues[A] Out[1]= {4, 1} Τα ιδιοδιανύσματα του πίνακα Α θα μπορούσαν να υπολογισθούν και με την συνάρτηση Eigenvectors[A]. Eigenvectors[A] Ιδιοδιανύσματα του τετραγωνικού πίνακα Α In[]:= {Eigenvalues[A], Eigenvectors[A]} Out[]= {{4, 1}, {{1, 1}, {-1, }}} Παρατηρούμε ότι το πρώτο ιδιοδιάνυσμα αντιστοιχεί στην πρώτη ιδιοτιμή ενώ το δέυτερο ιδιοδιάνυσμα αντιστοιχεί στην δέυτερη ιδιοτιμή. Θα μπορούσαμε επίσης να έχουμε και τις ιδιοτιμές και τα ιδιοδιανύσματα μαζί με την μιά συνάρτηση Eigensystem[Α] Eigensystem[A] Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα του τετραγωνικού πίνακα Α

10 lecture6.nb In[3]:= Eigensystem[A] Out[3]= {{4, 1}, {{1, 1}, {-1, }}} Η παραπάνω συνάρτηση Eigensystem[A] επιστρέφει την λίστα με τα στοιχεία λίστες. Η πρώτη λίστα {4,1} περιέχει τις ιδιοτιμές του πίνακα Α, ενώ η δεύτερη λίστα {{1,1},{-1,}} περιέχει τα ιδιοδιανύσματα που ατιστιχούν στις ιδιοτιμές της πρώτης λίστας {4,1}. Διαγωνιοποίηση Έχει παρατηρηθεί ότι ένα ιδιοδυανισμα X i είναι τέτοιο ώστε (A-λ i I)X i =0, for i=1, μπορεί να συνδέεται με κάθε ιδιοτιμή λ i. Αυτή η σχέση μπορεί να εκφραστεί στην εναλλακτική μορφή A.X i =λ i X i (1) όπου i = 1,, Α = a 11 a 1 a 1 a, X i = x i y i Αν θα πάρουμε ένα τετραγωνικό πίνακα (τάξης n=) που συμβολίζεται με X, του οποίου οι στήλες X i είναι τα ιδιοδιανύσματα του A, τότε οι εξισώσεις (1) μπορούν να εκφραστούν με τη μιά εξίσωση της μορφής A.X=X.Λ ()

lecture6.nb 11 όπου Λ είναι ένας διαγώνιος πίνακας των οποίων διαγώνια στοιχεία είναι οι ιδιοτιμές του Α Λ= λ 1 0 0 λ Έχει αποδειχθεί ότι τα ιδιοδιανύσματα που σχετίζονται με διακριτές ιδιοτιμές είναι γραμμικά ανεξάρτητες (Θεώρημα). Ως εκ τούτου, ο πίνακας X θα είναι ομαλός (nonsingular) εάν οι λ i θα είναι διαφορετική μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι ο πίνακας Χ έχει αντίστροφο τού X -1. Τώρα, αν και οι δύο πλευρές της εξίσωσης () πολλαπλασιάζούμε από δεξία πλέυράμε με το X -1 έχουμαι X -1.A.X=Λ (3) Έτσι, με τη χρήση του πίνακα ιδιοδιανυσμάτων και αντίστροφου του, είναι δυνατόν να μετατραπεί κάθε πίνακα Α με διακριτές ιδιοτιμές σε μια διαγώνια πίνακα του οποίου η διαγώνια στοιχεία είναι οι ιδιοτιμες του Α. Ο μετασχηματισμός που εκφράζεται από (3) αναφέρεται ως το Διαγωνιοποίηση (diagonalization) του πίνακα Α. Αν οι ιδιοτιμές δεν είναι διακριτές, η διαγωνοποίηση του πίνακα A δεν είναι δυνατή. Για παράδηγμα για το πίνακα 3 1 0 3 οι ιδιοτιμές είναι λ 1 =λ = 3 για αυτό δεν μπορεί να είναι διαγωνιοποίηση.

1 lecture6.nb Ασκηση 4 Να κάνετε διαγωνιοποίηση του πίνακα Α Α= 3 1 α 11 0 0 α In[4]:= με τη βοήθεια του Mathematica Λύση A = {{3, 1}, {, }}; MatrixForm[A] Out[4]//MatrixForm= 3 1 In[5]:= Eigensystem[A] Out[5]= {{4, 1}, {{1, 1}, {-1, }}} In[6]:= λ = Eigensystem[A][[1]] Out[6]= {4, 1} In[7]:= (Λ = DiagonalMatrix[λ]) // MatrixForm Out[7]//MatrixForm= 4 0 0 1

lecture6.nb 13 In[8]:= X = Transpose[Eigensystem[A][[]]]; MatrixForm[X] Out[8]//MatrixForm= 1-1 1 In[9]:= Inverse[X].A.X // MatrixForm Out[9]//MatrixForm= 4 0 0 1 Ο παραπάνος πίνακας είναι διαγώνιος και τα στοιχεία στην κύρια διαγώνιο είναι οι ιδιοτιμές του Α. Με εντολή Eigensystem βλέπουμε ότι πίνακα Α και πίνακα Χ -1.Α.Χ έχουν τις ίδιες ιδιοτιμές {4,1}, όμως τα ιδιοδιανύσματα τους διαφέρουν. In[30]:= {Eigensystem[A], Eigensystem[Inverse[X].A.X]} Out[30]= {{{4, 1}, {{1, 1}, {-1, }}}, {{4, 1}, {{1, 0}, {0, 1}}}} Οι πίνακες Α και Χ -1.Α.Χ (το οπόιο είναι και Λ) είναι όμοιοι. Θεώρημα Hamilton-Caley Κάθε τετραγωνικό πίνακα Α ικανοποιεί τη δική του χαρακτηριστική εξίσωση det(a-λi)=0. (αν θα αλλάξουμε λ με το πίνακα Α) Ασκηση 5 Δείξτε ότι ο πίνακας

14 lecture6.nb A= 3-1 ικανοποιεί τη δική του χαρακτηριστική εξίσωση. Η χαρακτηριστική εξίσωση χ(λ)=0 για το λ, ισχύει και για το πίνακα A, δηλαδή και χ(a)=0. Λύση In[31]:= Clear[A, λ] In[3]:= A = {{3, -}, {1, }}; MatrixForm[A] Out[3]//MatrixForm= 3-1 Χαρακτηριστικό πολυώνυμο του πίνακα Α είναι In[33]:= Det[A - λ * IdentityMatrix[]] Out[33]= 8-5 λ + λ In[34]:= MatrixForm /@ {IdentityMatrix[], zero = {{0, 0}, {0, 0}}} Out[34]= 1 0 0 1, 0 0 0 0 In[35]:= Out[35]= 8 * IdentityMatrix[] - 5 * A + A.A == zero True Ως εκ τούτου, χ (Α) = 0 και ο Hamilton-Cayley θεώρημα έχει επαληθευτεί για το πίνακα Α. Ασκηση 6

lecture6.nb 15 Ασκηση Χρησιμοποιήστε το θεώρημα Hamilton-Cayley για να βρείτε το αντίστροφο του πίνακα Α A= 1 0 1-1 1-3 4 Λύση In[36]:= Clear[A, λ] In[37]:= A = {{1, 0, 1}, {-1, 1, -3}, {,, 4}}; Out[37]//MatrixForm= MatrixForm[A] 1 0 1-1 1-3 4 Χαρακτηριστικό πολυώνυμο του πίνακα Α είναι In[38]:= Det[A - λ * IdentityMatrix[3]] Out[38]= 6-13 λ + 6 λ - λ 3 Από το θεώρημα Hamilton-Cayley έχουμαι 6 I - 13 A + 6 A - A 3 = 0 I = A 3-6 A + 13 A 6 A -1 = A -6 A +13 * I 6

16 lecture6.nb In[39]:= A HC = Out[39]//MatrixForm= (MatrixPower[A, ] - 6 * A + 13 * IdentityMatrix[3]) / 6; MatrixForm[A HC ] 5 3-1 3-3 1 3 1 3-1 3 επαλήθευση - 1 6 1 3 1 6 In[40]:= Out[40]= A HC == Inverse[A] True Ασκηση 7 Να ορίζεται την συνάρτηση για το πίνακα Vandermonde και να ελέγξτε ότι, για κάθε n, ισχύει η ακόλουθη ταυτότητα για την ορίζουσα του det 1 1 1... 1 x 1 x x 3... x n x 1 x x 3... x n.............. x 1 n-1 x n-1 x 3 n-1... x n n-1 n-1 = Π x i - x j j=1 i>j αν x =x 1 έχουμε det(...)=0 βγένει ότι έχουμε factor (x -x 1 ) κ.τ.ε.

lecture6.nb 17 κ τ ε Λύση Ορισμός της πίνακας χρησιμοποιώντας Array[] και Which[] In[41]:= Clear[A, n] In[4]:= A[n_] := Array Which #1 1, 1, #1 >=, x #1-1 # &, {n, n} Ας δούμε πως Α πράγματι παράγει πίνακες με αυτή μορφή. In[43]:= A[3] // MatrixForm Out[43]//MatrixForm= 1 1 1 x 1 x x 3 x 1 x x 3 ή διαφορετικά In[44]:= Clear[A] In[45]:= A[n_] := Array Which #1 1, x # #1-1 &, {n, n}

18 lecture6.nb In[46]:= A[3] // MatrixForm Out[46]//MatrixForm= 1 1 1 x 1 x x 3 x 1 x x 3 ή διαφορετικά μόνο με το Array[...] In[47]:= Clear[A] In[48]:= A[n_] := Array x # #1-1 &, {n, n} In[49]:= A[3] // MatrixForm Out[49]//MatrixForm= 1 1 1 x 1 x x 3 x 1 x x 3 ή διαφορετικά με το Table[...] In[50]:= Clear[A, n] In[51]:= A[n_] := Table Which i 1, 1, i >=, x j i-1, {i, 1, n}, {j, 1, n} ; In[5]:= A[3] // MatrixForm Out[5]//MatrixForm= 1 1 1 x 1 x x 3 x 1 x x 3 ή διαφορετικά με το Table[...]

lecture6.nb 19 In[53]:= Clear[A, n] In[54]:= A[n_] := Table x j i, {i, 0, n - 1}, {j, 1, n} ; In[55]:= A[3] // MatrixForm Out[55]//MatrixForm= 1 1 1 x 1 x x 3 x 1 x x 3 Ορισμός της συνάρτησης για την δεξιά μεριά Π x i - x j n-1 j=1 i>j In[56]:= result[n_] := Product x i - x j, {j, 1, n - 1}, {i, j + 1, n} In[57]:= result[3] Out[57]= (-x 1 + x ) (-x 1 + x 3 ) (-x + x 3 ) In[58]:= Table[Det[A[i]] result[i] // Simplify, {i, 1, 7}] Out[58]= {True, True, True, True, True, True, True}