Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Σχετικά έγγραφα
Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 12: Κριτήρια Σύγκλισης Σειρών. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Λογισμός 3. Ενότητα 19: Θεώρημα Πεπλεγμένων (γενική μορφή) Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Εκκλησιαστικό Δίκαιο. Ενότητα 10η: Ιερά Σύνοδος της Ιεραρχίας και Διαρκής Ιερά Σύνοδος Κυριάκος Κυριαζόπουλος Τμήμα Νομικής Α.Π.Θ.

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 15: Ολοκληρώματα Με Ρητές Και Τριγωνομετρικές Συναρτήσεις Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Ιστορία της μετάφρασης

Ενότητα 6: Ακρότατα συναρτησιακών διανυσματικών συναρτήσεων. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Λογισμός 3. Ενότητα 13: Τύπος του Taylor. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 1: Συναρτήσεις και Γραφικές Παραστάσεις. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Παράκτια Τεχνικά Έργα

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 14: Ολοκλήρωση Κατά Παράγοντες, Ολοκλήρωση Ρητών Συναρτήσεων Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 9: Κίνηση Σε Πολικές Συντεταγμένες. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Λογισμός 3. Ενότητα 18: Θεώρημα Πεπλεγμένων (Ειδική περίπτωση) Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 16: Ολοκλήρωση Τριγωνομετρικών Συναρτήσεων, Γενικευμένα Ολοκληρώματα Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Μηχανολογικό Σχέδιο Ι

Συμπεριφορά Καταναλωτή

Κλασική Θεωρία Ελέγχου

Ιστορία της μετάφρασης

Οικονομία των ΜΜΕ. Ενότητα 7: Μορφές αγοράς και συγκέντρωση των ΜΜΕ

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Λογισμός 4. Ενότητα 5: Το Θεώρημα του Fubini. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 5: Παράγωγος Πεπλεγμένης Συνάρτησης, Κατασκευή Διαφορικής Εξίσωσης. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 8: Εφαρμογές Σειρών Taylor. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Λογιστική Κόστους Ενότητα 12: Λογισμός Κόστους (2)

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 17: Αριθμητική Ολοκλήρωση, Υπολογισμός Μήκους Καμπύλης Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Γεωργική Εκπαίδευση Ενότητα 9

Εργαστήριο Χημείας Ενώσεων Συναρμογής

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Θερμοδυναμική. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Πίνακες Νερού σε κατάσταση Κορεσμού. Γεώργιος Κ. Χατζηκωνσταντής Επίκουρος Καθηγητής

Λογιστική Κόστους Ενότητα 8: Κοστολογική διάρθρωση Κύρια / Βοηθητικά Κέντρα Κόστους.

Λογισμός 3. Ενότητα 12:Οι κλασικοί μετασχηματισμοί και ο κανόνας της αλυσίδας. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Επιμέλεια μεταφράσεων και εκδοτικός χώρος

Εισαγωγή στην Διοίκηση Επιχειρήσεων

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Αξιολόγηση μεταφράσεων ιταλικής ελληνικής γλώσσας

Οδοποιία IΙ. Ενότητα 14: Υπόδειγμα σύνταξης τευχών θέματος Οδοποιίας. Γεώργιος Μίντσης ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Διεθνείς Οικονομικές Σχέσεις και Ανάπτυξη

ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ

Εργαστήριο Χημείας Ενώσεων Συναρμογής

Συμπεριφορά Καταναλωτή

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 7: Σειρές Taylor, Maclaurin. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Λογισμός 4 Ενότητα 10

Ενότητα 8: Συναρτησιακά καμπύλων οι οποίες υπόκεινται σε δεσμούς. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Διοικητική Λογιστική

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Λογισμός 3. Ενότητα 6: Μερικές παράγωγοι. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών

Διπλωματική Ιστορία Ενότητα 2η:

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΑΝΟΙΚΤΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Γενικά Μαθηματικά Ι Ενότητα 11 : Ακολουθίες και Σειρές Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Στρατηγικό Μάρκετινγκ

Λογισμός 3. Ενότητα 17: Απόδειξη Θεωρήματος Αντιστροφής. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Ενότητα 4: Εισαγωγή στο Λογισμό Μεταβολών. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Φ 619 Προβλήματα Βιοηθικής

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 6: Ακρότατα Συνάρτησης. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Ιστορία των Μαθηματικών

Οικονομετρία. Εξειδίκευση του υποδείγματος. Μορφή της συνάρτησης: Πολυωνυμική, αντίστροφη και αλληλεπίδραση μεταβλητών

Ενότητα 7: Συναρτησιακά καμπύλων με ασυνέχεια στις παραγώγους. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Οικονομία των ΜΜΕ. Ενότητα 9: Εταιρική διασπορά και στρατηγικές τιμολόγησης

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Λογισμός 3. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Λογισμός 3. Ενότητα 16: Θεώρημα Αντιστροφής. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών

Λογισμός 3. Ενότητα 10: Παραγώγιση Διανυσματικών Συναρτήσεων. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΙIΙ Ενότητα 6

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 13: Ακτίνα Σύγκλισης, Αριθμητική Ολοκλήρωση, Ολοκλήρωση Κατά Παράγοντες. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Διδακτική της Πληροφορικής

Λογισμός 3. Ενότητα 1: Τοπολογία των Ευκλείδειων χώρων. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Transcript:

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Ενότητα 4: Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα Νίκος Καραμπετάκης

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Περιεχόμενα Ενότητας Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα e At μέσω ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων. Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα e At μέσω μετασχηματισμού Laplace. Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα e At μέσω συναρτήσεων πινάκων. 4

Σκοποί Ενότητας Μελέτη των τρόπων υπολογισμού του εκθετικού πίνακα e At : Μέσω ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων. Μέσω μετασχηματισμού Laplace. Μέσω συναρτήσεων πινάκων. 5

Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα exp(at) μέσω ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων 6

Μέσω ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων () Υπολογισμός exp(at) e At = I +! At + 2! A2 t 2 + Υπάρχει πίνακας U (πίνακας δεξιών ιδιοδιανυσμάτων) τέτοιος ώστε: λ A u u 2 u n = u u 2 u n λ 2 U U A = UJU λ n J 7

Μέσω ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων (2) και συνεπώς e At = I +! UJU t + 2! UJU 2 t 2 + = όπου: e Jt = = I +! UJU t + 2! UJ2 U t 2 + e λ t e λ 2t e λ nt = Ue Jt U όταν J = λ λ 2 λ n 8

Μέσω ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων (3) και e λ t! teλ t n! tn e λ t e Jt = e λ t n 2! tn 2 e λ t λ e λ nt λ όταν J =. λ λ 9

Παράδειγμα () Έστω A = 2 2 Υπάρχει πίνακας U (πίνακας δεξιών ιδιοδιανυσμάτων) τέτοιος ώστε: 2 2 A 2 2 A U = U = U 3 J 3 J 2 2 U 2 2

Παράδειγμα (2) e At = U e 3t e t e Jt 2 2 U e At = 2 e 3t + e t 2 e 3t + e t 2 e 3t + e t 2 e 3t + e t Συνεπώς το ομογενές σύστημα 2 2

Παράδειγμα (3) x t = 2 x t x, x 2 t 2 x 2 t x 2 = έχει ως λύση την παρακάτω x t = e At x = 2 e 3t + e t 2 e 3t + e t 2 e 3t + e t 2 e 3t + e t = e 3t e 3t 2

Παράδειγμα 2 () Έστω 9 9 A = 2 9 8 4 3 Υπάρχει πίνακας U (πίνακας δεξιών ιδιοδιανυσμάτων); ΟΧΙ Χαρακτηριστικό πολυώνυμο s + 9 9 det si 3 A = det 2 s 9 8 4 s + 3 = s 3 5s 2 + 8s 4 = s s 2 2 Άρα οι ιδιοτιμές είναι οι: και 2 3

Παράδειγμα 2 (2) Ιδιοτιμή: Ιδιοτιμή: 2 + 9 9 2 9 8 4 + 3 x y z = k 2 + 9 9 2 2 9 8 4 2 + 3 x y z = k 3 2 x y z, k R x y z, k R = = 4

Γενικευμένα ιδιοανύσματα () Έστω A = Χαρακτηριστικό πολυώνυμο: det si 3 A Ιδιοτιμή: λ = det λ λ λ λ λ λ λ λ λ x y z s λ s λ s λ = x x y z =, x R = s λ 3 5

Γενικευμένα ιδιοανύσματα (2) A u u 2 u 3 U Au = λu Au 2 = u + λu 2 Au 3 = u 2 + λu 3 = u u 2 u 3 U λ λ λ J A λι 3 u = A λι 3 u 2 = u A λι 3 u 3 = u 2 Άρα u 2 = A λι 3 u 3 u = A λι 3 u 2 = A λι 3 2 u 3 A λι 3 3 u 3 = 6

Γενικευμένα ιδιοανύσματα (3) Ορισμός. Ένα διάνυσμα u m καλείται γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τάξης m όπου m του πίνακα A M n, n N, αν,2,, για την ιδιοτιμή λ A λι n m u m = και A λι n m u m. 7

Γενικευμένα ιδιοανύσματα (4) 2 Έστω A = 2 2 Τότε το x 3 = είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τάξης 3 για την ιδιοτιμή λ = 2 αφού A 2Ι 3 3 x 3 = A 2Ι 3 2 x 3 = = = και. 8

Γενικευμένα ιδιοανύσματα (5) 2 Έστω A = 2 2 Τότε το x 2 = είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τάξης 2 για την ιδιοτιμή λ = 2 αφού A 2Ι 3 2 x 2 = A 2Ι 3 x 2 = = = και. 9

Γενικευμένα ιδιοανύσματα (6) 2 Έστω A = 2 2 Τότε το x = είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τάξης για την ιδιοτιμή λ = 2 αφού A 2Ι 3 x = και A 2Ι 3 x = Ιx = x. 2

Παράδειγμα 3 () Να υπολογιστεί ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου 3 για τον παρακάτω πίνακα 5 2 4 5 2 2 A = 5 3 4 A 5Ι 3 4 x 3 = και A 5Ι 2 3 x 3 2

Παράδειγμα 3 (2) 4 A 5Ι 3 4 4 x 3 = 3 2 8 A 5Ι 2 4 4 x 3 = 3 w x y z w x y z z = και y και x 3 = = = 4z 4z 3z z 2y 8z 4z 3z z και 22

Άσκηση Να υπολογιστεί ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου 2 για τον παρακάτω πίνακα που να αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ=2 5 2 A = 2 5 Να υπολογιστεί ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου 2 για τον παρακάτω πίνακα που να αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ=4 A = 4 4 23

Αλυσίδες ιδιοδιανυσμάτων () Έστω ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα x m τύπου m της ιδιοτιμής λ για τον πίνακα Α. Η αλυσίδα που παράγεται από το x m είναι ένα σύνολο διανυσμάτων x m, x m,, x τα οποία δίνονται από x m = A λi x m x m 2 = A λi 2 x m = A λi x m x m 3 = A λi 3 x m = A λi x m 2 x = A λi m x m = A λi x 2 x j = A λi m j x m = A λi x j+ j =,2,, m 24

Αλυσίδες ιδιοδιανυσμάτων (2) Θεώρημα: Το διάνυσμα x j της () είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου j για την ιδιοτιμή λ αφού A λi j x j = A λi j A λi m j x m = A λi m x m = και A λi j x j = A λi j A λi m j x m = = A λi m x m 25

Παράδειγμα 4 () Το x 3 = τον πίνακα A = Το x 2 = A 5Ι 4 x 3 = είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου 3 για 5 2 4 5 2 2. 5 3 4 2 4 2 2 3 = 2 2 είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου 2 για την ιδιοτιμή λ=5. 26

Παράδειγμα 4 (2) Το x = A 5Ι 4 2 x 3 = A 5Ι 4 x 2 = 2 4 2 2 3 είναι ένα γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου για την ιδιοτιμή λ=5. 2 2 = 2 27

Παράδειγμα 4 (3) Για τον πίνακα A = το σύνολο x 3, x 2, x = 5 2 4 5 2 2 5 3 4, 2 2 ιδιοδιανυσμάτων που παράγετει από το x 3., 2 είναι μία αλυσίδα 28

Γενικευμένα ιδιοδιανύσματα - γραμμικά ανεξάρτητα Θεώρημα: Μία αλυσίδα ιδιοδιανυσμάτων είναι ένα σύνολο γραμμικά ανεξάρτητων διανυσμάτων. Έστω x m, x m,, x μία αλυσίδα ιδιοδιανυσμάτων που παράγεται από το x m. j =,2,, m c m x m + c m x m + + c x = A λι n m c j x j = c j A λι n m j A λι n j x j = c j A λι n m j = c m A λι n m x m = όμως A λι n m x m Άρα c m = 29

Άσκηση 2 Κατασκευάστε μια αλυσίδα ιδιοδιανυσμάτων για την ιδιοτιμή λ=2 αν γνωρίζετε ότι το ιδιοδιάνυσμα είναι τύπου 3 2 2 2 Α = 2 3

Κανονική βάση () 3

Κανονική βάση (2) Έστω λ i μία ιδιοτιμή του n n πίνακα Α πολλαπλότητας ν. Αρχικά βρείτε τις βαθμίδες των πινάκων Α λ i Ι, Α λ i Ι 2,, Α λ i Ι m. Ο ακέραιος m είναι ο πρώτος ακέραιος για τον οποίο rank Α λ i Ι m = n ν. Προδιορίστε το m για την ιδιοτιμή λ i = 2 του πίνακα 2 2 Α = 2 2 2 4 n = 6 και η ιδιοτιμή λ i = 2 έχει πολλαπλότητα ν=5. n ν = 32

Κανονική βάση (3) Α 2Ι =, rank Α 2Ι = 4 2 Α 2Ι 2 =, rank Α 2Ι 2 = 2 2 4 33

Κανονική βάση (4) Α 2Ι 3 = 2, rank Α 2Ι 3 = = n ν. 4 8 Για αυτό για την ιδιοτιμή λ i = 2 το m=3. 34

Αλυσίδα ιδιοδιανυσμάτων (3) Ορίζουμε ρ k = r A λ i I k r A λ i I k, k =,2,, m. r A λ i I = r I = n 35

Κανονική βάση (5) rank Α 2Ι = 4 rank Α 2Ι 2 = 2 rank Α 2Ι 3 = = n ν. ρ 3 = r A 2I 2 r A 2I 3 = 2 = ρ 2 = r A 2I r A 2I 2 = 4 2 =2 ρ = r A 2I r A 2I = 6 4 =2 Για αυτό για την ιδιοτιμή λ i = 2 το m=3. 36

Παράδειγμα 5 () Έστω Α = και x 3 = 2 2 2 2 2 4 είναι γενικευμένο ιδιοδιάνυσμα τύπου 3. 37

Παράδειγμα 5 (2) x 2 = Α 2Ι x 3 = x = Α 2Ι x 2 = ρ 2 = r A 2I 3 r A 2I 2 = 4 2 =2 38

Παράδειγμα 5 (3) Α 2Ι = 2 b ή/και e διάφορα του, 2 a b c d e f = b c c e f 2f 39

Παράδειγμα 5 (4) c=f= A 2I 2 = 2 4 2 4 a b c d e f = c f 2f 4f 4

Παράδειγμα 5 (4) Άρα a b c d e f a b d e x 3, x 2, x, y 2 = x 2 + x a b y d 2 = e b ή/και e διάφορα του, 4

Παράδειγμα 5 (5) y 2 = y = Α 2Ι y 2 =, 42

Παράδειγμα 5 (6) λ 2 = 4, z = 2 4 Άρα μία κανονική βάση για τον Α είναι x 3, x 2, x, y 2, y, z 43

Άσκηση 3 Να υπολογίσετε μία κανονική βάση για τον πίνακα A = 44

Jordan κανονική μορφή () Ορισμός: Ένας τετραγωνικός πίνακας Α είναι σε Jordan κανονική μορφή εάν είναι διαγώνιος πίνακας ή εάν έχει μία από τις παρακάτω μορφές S S 2 ή όπου ο D είναι διαγώνιος πίνακας και S k = D S S r λ k λ k λ k λ k λ k 45

Jordan κανονική μορφή (2) 2 2 3 3 2 2 2 2 2, 2 2 2 2 2 46

Jordan κανονική μορφή (3) 47

Παράδειγμα 6 () 4 2 2 3 Έστω ο πίνακας Α = 2 4 2 με χαρακτηριστικό πολυώνυμο λ 3 2 λ 2 2 = λ = 3, n ν = 2, m = 2, ρ 2 = και ρ = 3 x 2 =, x = A 3I x 2 = 3 λ 2 = 2, n ν = 2, m = και ρ = 2 48

Παράδειγμα 6 (2) y = Μ = y z x x 2 = Μ = z y x x 2 = και z = 3 3 3 3 49

Παράδειγμα 6 (3) Ay = λ 2 y Az = λ 2 z A λ I x = A λ I x 2 = x A y z x x 2 M = Ay Az Ax Ax 2 = λ 2 y λ 2 z λ x λ x 2 + x = λ 2 = y z x x λ 2 2 λ M λ J 5

Παράδειγμα 6 (4) J = M AM, A = MJM Θεώρημα: Κάθε τετραγωνικός n n πίνακας A είναι όμοιος με έναν πίνακα σε Jordan κανονική μορφή. 4 2 2 3 Για τον πίνακα A = έχουμε 2 4 2 Μ = z y x x 3 2 = 3 5

Παράδειγμα 6 (5) M AM = M = 3 4 2 = 3 4 2 4 2 2 3 2 4 2 2 2 3 3 = J 3 3 = 52

Άσκηση 4 Υπολογίστε την Jordan κανονική μορφή του πίνακα 4 2 Α = 3 8 3 4 8 2 53

Παράδειγμα 7 () Έστω A = Χαρακτηριστικό πολυώνυμο: 9 9 2 9 8 4 3 s 9 9 det Α si 3 = det 2 9 s 8 4 3 s = s 3 + 5s 2 8s + 4 = s s 2 2 Ιδιοτιμή: Για την ιδιοτιμή ισχύει 54

Παράδειγμα 7 (2) rank 9 9 2 9 8 = 2 4 3 = rank 2 9 9 2 8 8 4 4 Άρα 3-2= ιδιοδιανύσματα αντιστοιχούν στο όσο και η αλγεβρική πολλαπλότητα. 2 9 9 x x 2 8 8 y = y = k, k R 4 4 z z Ιδιοτιμή: 2 Για την ιδιοτιμή 2 ισχύει 55

Παράδειγμα 7 (3) rank 2 9 9 2 9 2 8 4 3 2 = rank 3 9 9 2 7 8 4 5 = 2 Άρα 3-2= ιδιοδιανύσματα αντιστοιχούν στο 2 παρόλο που η αλγεβρική πολλαπλότητα είναι 2. rank rank 3 9 9 2 7 8 4 5 3 9 9 2 7 8 4 5 2 3 = rank = rank 2 2 2 2 = = 56

Παράδειγμα 7 (4) 3 9 9 2 7 8 4 5 Α λi 2 2 2 3 9 9 2 7 8 4 5 Α λi 3 x y z u 2 = u 2 = x 2z z u 2 u 2 = x 2z z x 2z z 2 2, x, z R 3x 9z 2x 6z x 3z, x 3z R x y z = 57

Παράδειγμα 7 (5) u = A u u 2 u 3 U x =, z = u 2 = 3 9 9 2 7 8 4 5 Α λi 3 2 u 2 = u u 2 u 3 U = 2 6 4 2 2 2 J 58

Παράδειγμα 7 (6) 9 9 2 9 8 4 3 A 9 9 2 9 8 4 3 A Όμως = 6 4 2 2 U 6 4 2 2 U = 6 4 2 2 U 2 2 J e At = Ue Jt U 2 2 J 4 4 4 3 3 2 2 2 2 U 59

Παράδειγμα 7 (7) Άρα e At = Ue Jt U = = 6 4 2 2 U e 2t te 2t e 2t e t e Jt 4 2 4 3 4 3 2 2 2 U e 2t 3te 2t 9te 2t 9te 2t 2te 2t 2e 2t e t + 6te 2t 2e t 2e 2t 6te 2t te 2t e 2t e t + 3te 2t 2e t e 2t 3te 2t = 6

Παράδειγμα 8 () λ A = λ A λi 3 = λ χάνει τάξη -> Jordan Block λ A = λ A λi 3 = λ χάνει τάξη 2 -> 2 Jordan Block 6

Παράδειγμα 8 (2) λ λ Α = λ A λi 5 = λ λ χάνει τάξη 2 -> 2 Jordan Block 62

Παράδειγμα 8 (3) A λi 5 2 = 2 = χάνει τάξη 3 -> μείωση κατά της τάξης (πριν έχανε 2) -> ένα Jordan block τάξης και ένα Jordan block τάξης μεγαλύτερης ή ίσης του 2. 63

Παράδειγμα 8 (4) A λi 5 3 = 3 = χάνει τάξη 4 -> μείωση κατά της τάξης (πριν έχανε 3) -> ένα Jordan block τάξης και ένα Jordan block τάξης μεγαλύτερης ή ίσης του 3. 64

Παράδειγμα 8 (5) A λi 5 4 = 4 = χάνει τάξη 5 -> μείωση κατά της τάξης (πριν έχανε 4) -> ένα Jordan block τάξης και ένα Jordan block τάξης 4. 65

Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα exp(at) μέσω μετασχηματισμού Laplace. 66

Μέσω μετασχηματισμού Laplace () Από τις ιδιότητες του αντίστροφου μετασχηματισμού Laplace L s a = eat Εάν τότε si 2 A = A = 2 2 s + 2 s + 2 = s+2 s+3 s+ s+3 s+ s+3 s+ s+2 s+3 s+ 67

Μέσω μετασχηματισμού Laplace (2) si 2 A = Άρα 2 s + + 2 s + 3 2 s + 2 s + 3 2 s + 2 s + 3 2 s + + 2 s + 3 e At = L si 2 A = 2 e t + e 3t 2 e t e 3t 2 e t + e 3t 2 e t + e 3t 68

Πίνακας μετασχηματισμών Laplace f t F s δ t u t s tu t s 2 t n u t n! s n+ e at u t s + a sin(ωt)u t ω s 2 + ω 2 cos(ωt)u t s s 2 + ω 2 69

Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα exp(at) μέσω συναρτήσεων πινάκων. 7

Συναρτήσεις πινάκων () S k = λ k λ k λ k λ k λ k f S k = f(λ k ) f (λ k )! f(λ k ) f (λ k ) 2! f (λ k )! f(p) (λ k ) p! f(p ) (λ k ) (p )! f(λ k ) f(p 2) (λ k ) (p 2)! f(λ k ) 7

Συναρτήσεις πινάκων (2) S k = e S k = f S k = 2t 2t 2t f(λ k ) f (λ k ) f λ k 2 f(λ k ) f λ κ f(λ k ) e2t = e2t e2t 2 e 2t e 2t = e2t e 2t 2 λ k = e 2t, f S k = e S k, f λ k = e λ k e λ k = eλ k e λ k 2 e λ k e λ k = 72

Παράδειγμα 9 () Έστω A = 2 2 Βήμα. Υπολογίζω το χαρακτηριστικό πολυώνυμο s + 2 p s = det si 2 A = det s + 2 = s + 2 2 = s 2 + 4s + 3 Βήμα 2. Έστω ένα πολυώνυμο μικρότερου βαθμού κατά ένα από το p(s). g s = a + a s Βήμα 3. Θέλω οι συναρτήσεις g(s) και f s = e st 73

Παράδειγμα 9 (2) να έχουν τις ίδιες τιμές για όλες τις ιδιοτιμές του πίνακα Α. e t = f = g = a a e 3t = f 3 = g 3 = a 3a 3 = a a = e t e 3t a a = 3 3 2 e t 2 e 3t 2 e t 2 e 3t Βήμα 4. Υπολογίζω τον εκθετικό πίνακα e At e t e 3t 74

Παράδειγμα 9 (3) e At = a I 2 + a A e At = = 3 2 e t 2 e 3t + 2 e t 2 2 e 3t 2 2 e t + e 3t 2 e t e 3t 2 e t + e 3t 2 e t + e 3t 75

Παράδειγμα () Έστω 2 2 A = 3 Βήμα. Υπολογίζω το χαρακτηριστικό πολυώνυμο p s = det si 3 A = det s 2 2 s s 3 = s 2 s 2 Βήμα 2. Έστω ένα πολυώνυμο μικρότερου βαθμού κατά ένα από το p(s). g s = a + a s + a 2 s 2 76

Παράδειγμα (2) Βήμα 3. Θέλω οι συναρτήσεις g(s) και f s = e st f s = te st να έχουν τις ίδιες τιμές για όλες τις ιδιοτιμές του πίνακα Α. (λαμβάνοντας υπόψην και την πολλαπλότητα) e t = f = g = a + a + a 2 te t = f = g = a + 2a 2 e 2t = f 2 = g 2 = a + 2a + 4a 2 77

Παράδειγμα (3) Έχουμε 2 2 4 a a a 2 = = e t te t e 2t a a a 2 = e 2t 2te t 2e 2t + 2e t + 3te t e 2t te t e t Βήμα 4. Υπολογίζω τον εκθετικό πίνακα e At = a I 3 + a A + a 2 A 2 2 2 4 e t te t e 2t 78

Παράδειγμα (4) e At = a I 3 + a A + a 2 A 2 = e 2t 2te t 2 2 + 2e 2t + 2e t + 3te t 3 2 2 2 + e 2t te t e t = 2e t e 2t 2te t 3 2e t 2e 2t = e t e 2t e t te t 2e 2t e t 79

Ασκήσεις για το σπίτι A = 9 5, 45 2 A = 6 43, 24 A = 4 9, 4 9 9 A = 2 3 2, 7 8 8 A = 6 5 4 3 7 6. 8

Βιβλιογραφία () Βαρδουλάκης Α.Ι.Γ., 22, Εισαγωγή στην Μαθηματική Θεωρία Σημάτων, Συστημάτων και Ελέγχου, Τόμος Β.. Εκδόσεις Τζιόλα. Βασιλείου Παναγιώτης - Χρήστος, Τσακλίδης Γεώργιος, 25, Εφαρμοσμένη θεωρία πινάκων, Εκδόσεις Ζήτη. Antsaklis P. and Michel A.N., 977, Linear Systems, The McGraw-Hill Companies Inc. New York. Charles Ε., Donald G., James L., Melsa J., Rohrs C., Schultz D., 996, Γραμμικά συστήματα αυτομάτου ελέγχου, Εκδόσεις Τζιόλα. Chen C.T., 97, Introduction to Linear System Theory, Holt, Renehart and Winston Inc. New York. 8

Βιβλιογραφία (2) Kailath T., 98, Linear Systems, Prentice Hall. Richard Bronson, 99, Matrix Methods An Introduction, Second Edition, Academic Press. 82

Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Νικόλαος Καραμπετάκης. «. Ενότητα 4: Υπολογισμός του εκθετικού πίνακα». Έκδοση:.. Θεσσαλονίκη 24. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://eclass.auth.gr/courses/ocrs43/ 83

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Παρόμοια Διανομή [] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. [] http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4./ 84

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 85

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος Ενότητας Επεξεργασία: Αναστασία Γ. Γρηγοριάδου Θεσσαλονίκη, Εαρινό εξάμηνο 24-25