A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Hasonló dokumentumok
Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Mátrixok 2017 Mátrixok

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

1. A vektor és a vektortér fogalma

7. gyakorlat. Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

7. gyakorlat. Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

9. Előadás. (9. előadás) Lineáris egyr.(3.), Sajátérték április / 35

Lineáris algebra mérnököknek

10. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 10. előadás Sajátérték, Kvadaratikus alak

Bevezetés az algebrába 2

Lineáris egyenletrendszerek

Lineáris algebra mérnököknek

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Lineáris algebra és a rang fogalma (el adásvázlat, szeptember 29.) Maróti Miklós

Lineáris algebra. (közgazdászoknak)

Első zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

1. Bázistranszformáció

1. zárthelyi,

Rang, sajátérték. Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach/ február 15

Lineáris algebra gyakorlat

Gauss-eliminációval, Cholesky felbontás, QR felbontás

7. gyakorlat megoldásai

Bázistranszformáció és alkalmazásai 2.

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

3. Lineáris differenciálegyenletek

és n oszlopból áll, akkor m n-es mátrixról beszélünk. (Az oszlopok száma a mátrix vízszintes mérete, a sorok 2 3-as, a ij..

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

3. el adás: Determinánsok

Lineáris egyenletrendszerek

1 p, c = p 1 és d = 4. Oldjuk meg az alábbi egyenletrendszert a c és d paraméterek minden értékére. x + 2z = 5 2x y = 8 3x + 6y + cz = d

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

y + a y + b y = r(x),

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

rank(a) == rank([a b])

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, Leontyev-modell

Matematika elméleti összefoglaló

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Numerikus módszerek II. zárthelyi dolgozat, megoldások, 2014/15. I. félév, A. csoport. x 2. c = 3 5, s = 4

LINEÁRIS ALGEBRA (A, B, C) tematika (BSc) I. éves nappali programtervező informatikus hallgatóknak évi tanév I. félév

Gauss elimináció, LU felbontás

3. előadás Stabilitás

Lineáris Algebra. Tartalomjegyzék. Pejó Balázs. 1. Peano-axiomák

Numerikus módszerek 1.

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

karakterisztikus egyenlet Ortogonális mátrixok. Kvadratikus alakok főtengelytranszformációja

Alkalmazott algebra - SVD

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, mátrixegyenlet

II. Két speciális Fibonacci sorozat, szinguláris elemek, természetes indexelés

Szinguláris érték felbontás Singular Value Decomposition

5. Előadás. (5. előadás) Mátrixegyenlet, Mátrix inverze március 6. 1 / 39

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

Gyakorló feladatok I.

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

Gazdasági matematika II. tanmenet

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK október 12. Irodalom A fogalmakat, definíciókat illetően két forrásra támaszkodhatnak: ezek egyrészt elhangzanak

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Matematika (mesterképzés)

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 12. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április / 35

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Paraméteres és összetett egyenlôtlenségek

Példa keresztmetszet másodrendű nyomatékainak számítására

Lineáris algebra zárthelyi dolgozat javítókulcs, Informatika I márc.11. A csoport

Matematika III. harmadik előadás

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Trigonometria

Ortogonalizáció. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Ortogonalizáció / 41

A lineáris algebra forrásai: egyenletrendszerek, vektorok

1. Mátrixösszeadás és skalárral szorzás

9. AZ R k VEKTORTÉR. 9.1 Az R k vektortér fogalma

Lineáris algebra numerikus módszerei

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

1. Geometria a komplex számsíkon

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

BEVEZETÉS A SZÁMÍTÁSELMÉLETBE 1

Magasabbfokú egyenletek

1. Mit jelent az, hogy egy W R n részhalmaz altér?

Geometria II gyakorlatok

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Paraméteres és összetett egyenlôtlenségek

Lin.Alg.Zh.1-2 feladatok

Kongruenciák. Waldhauser Tamás

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 3. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április 3. 1 / 28

Bevezetés a számításelméletbe I. Zárthelyi feladatok október 20.

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

Mer legesség. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Mer legesség / 40

Átírás:

10. gyakorlat Mátrixok sajátértékei és sajátvektorai Azt mondjuk, hogy az A M n mátrixnak a λ IR szám a sajátértéke, ha létezik olyan x IR n, x 0 vektor, amelyre Ax = λx. Ekkor az x vektort az A mátrix λ számhoz tartozó sajátvektorának nevezzük. Megjegyezzük, hogy a sajátérték komlex szám is lehet, és a sajátvektorok is lehetnek komlex elem vektorok. Ebben a fejezetben azonban mi csak valós sajátértékekkel fogunk foglalkozni, és mindig csak valós elem sajátvektorokat keresünk. Pl. 1. Az mátrix minden vektort a kétszeresére nyújt. Azaz A-nak sajátértéke a 2, és sajátvektora minden IR 2 -beli nemnulla vektor. 2. Határozzuk meg az 7 2 4 1 mátrix sajátértékeit és sajátvektorait! Megoldás: λ sajátérték létezik x 0, amelyre Ax = λx. Az Ax = λx egyenlet máskéen úgy is írható: Ax λx = 0. A bal oldalon x kiemelhet a következ kéen: 2 0 0 2 (A λi)x = 0, ahol I jelöli a 2 2-es identitásmátrixot. Ez az egyenlet egy homogén (azaz 0 jobb oldalú) lineáris egyenletrendszert jelent az x sajátvektorra. Összegezve: a λ szám ontosan akkor sajátértéke az A mátrixnak, ha az (A λi)x = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek létezik x 0 megoldása. Megj.: A KroneckerCaelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek mindig van megoldása. Világos, hogy mindig megoldása az x = 0 (triviális megoldás). Ha B = 0, akkor a megoldás egyértelm (azaz csak a triviális megoldás van). Ha B = 0, akkor végtelen sok megoldás van (azaz csak ekkor van nemtriviális megoldás). 1

Bennünket az utolsó eset érdekel: az (A λi)x = 0 egyenletrendszernek ontosan akkor van x 0 megoldása, amikor A λi = 0. A kérdés tehát az, hogy milyen λ esetén lesz A λi = 0. A éldában 7 2 λ 0 7 λ 2 A λi = = 4 1 0 λ 4 1 λ Ennek determinánsa: 7 λ 2 A λi = 4 1 λ = (7 λ)(1 λ) + 8 = λ2 8λ + 15. Azt keressük, hogy ez milyen λ értékekre 0, azaz meg kell oldani a másodfokú egyenletet. A megoldókéletb l: λ 2 8λ + 15 = 0 λ 1,2 = 8 ± 64 60 2 λ 1 = 5, λ 2 = 3. Ezek tehát a keresett sajátértékek. Most rátérünk a hozzájuk tartozó sajátvektorok meghatározására. A λ 1 = 5-höz tartozó sajátvektorok meghatározása: u sajátvektor, ha Au = λ 1 u, azaz (A λ 1 I)u = 0. Ez egy homogén lineáris egyenletrendszer, amelyben keressük az ismeretlen u vektor u 1 és u 2 elemét. A megoldandó egyenletrendszer tehát: 2u 1 2u 2 = 0 4u 1 4u 2 = 0 A második egyenlet nem független az els t l. (Ennek így is kell lennie, mert végtelen sok megoldást kell kanunk.) Minden olyan nemnulla (u 1, u 2 ) számár megoldás, amely kielégíti az els egyenletet, azaz amelyre u 1 = u 2. Így az összes megoldás u =, IR, 0 tetsz leges. Ezzel megadtuk a λ 1 = 5-höz tartozó sajátvektorokat. Ellen rzéskéen: 7 λ 2 4 1 λ = 5 5, 2

azaz az A mátrix valóban 5-szörösére nyújtja a (, ) alakú vektorokat. Hasonlóan számíthatók ki a λ 2 = 3-hoz tartozó v sajátvektorok. A megoldás: v = q 2q, q IR, q 0 tetsz leges. Vegyük észre, hogy a sajátvektorról kikötöttük, hogy az nem lehet a nullvektor, de a sajátérték lehet nulla: nevezetesen, ha A = 0 (hiszen ekkor A λi = A). A továbbiakban jelölje σ(a) az A mátrix sajátértékeinek a halmazát. Egyes seciális mátrixok sajátértékeit könny meghatározni. Pl. legyen D M n diagonális mátrix, a f átlóban a d 1, d 2,..., d n számokkal: d 1 0... 0 0 d 2 0. D =. 0 0... 0 d n A D mátrix jelölése röviden: diagd 1, d 2,..., d n. Számítsuk ki a sajátértékeit! Egy λ szám ontosan akkor sajátértéke D-nek, ha D λi = 0. A D λi mátrix a következ diagonálmátrix lesz: d 1 λ 0... 0 0 d 2 λ 0. D =. 0 0... 0 d n λ Ismeretes, hogy egy diagonális mátrix determinánsa a f átlóban lév elemek szorzata, azaz D λi = (d 1 λ)(d 2 λ) (d n λ). Ez a szorzat edig λ következ értékeire lesz nulla: λ 1 = d 1, λ 2 = d 2..., λ n = d n. Azaz D sajátértékei a f átlóban lév számok: σ(d) = {d 1, d 2,..., d n }. Mik lesznek a hozzájuk tartozó sajátvektorok, ha nincs két egyforma elem a f átlóban? A λ 1 = d 1 sajátértékhez tartozó sajátvektor olyan nemnulla u = (u 1, u 2,..., u n ) vektor, 3

amelyre Du = d 1 u. Ez a következ egyenletrendszert jelenti: d 1 u 1 = d 1 u 1 d 2 u 2 = d 1 u 2. d n u n = d 1 u n Ez n darab független egyenlet a sajátvektor elemeire. Az els egyenletnek minden u 1 IR szám eleget tesz. A többi egyenlet megoldása: u 2 = 0, u 3 = 0,..., u n = 0. Azaz: u 1 = IR tetsz leges, u i = 0, i = 2, 3,..., n. Így a d 1 sajátértékhez tartozó sajátvektor l. az (1, 0,..., 0) IR n vektor. Hasonlóan, a λ i sajátértékhez tartozó sajátvektorok azok a vektorok, amelyek i-edik eleme tetsz leges, és a többi elemük nulla. Megjegyezzük, hogy a háromszögmátrixokra is igaz, hogy sajátértékeik a f átlóban lév elemek. Feladat. Tegyük fel, hogy λ σ(a). Mutassuk meg, hogy ekkor λ 2 σ(a 2 )! Megoldás: Legyen x egy λ-hoz tartozó sajátvektora az A-nak. Ekkor A 2 x = A(Ax) = A(λx) = λ Ax = λ 2 x. Mivel x 0 (hiszen sajátvektora A-nak), ezért ez ontosan azt jelenti, hogy λ 2 sajátértéke A 2 -nek. Mátrixok sektrálfelbontása Megmutatható, hogy ha az A M n mátrixnak van n darab különböz sajátértéke, akkor A felírható X diagλ 1, λ 2,..., λ n X 1 alakban, ahol X oszloaiban sorra az A mátrix λ 1, λ 2,..., λ n sajátértékeihez tartozó sajátvektorai vannak. Az A mátrix ilyen alakú felírását sektrálfelbontásnak nevezzük. Pl. Adjuk meg a már látott 7 2 4 1 mátrix sektrálfelbontását, ha lehet. Megoldás: Láttuk, hogy A-nak van két különböz sajátértéke: λ 1 = 5 és λ 2 = 3. A-nak 4

létezik sektrálfelbontása. Mindkét sajátértékhez keressünk egy-egy sajátvektort! 1. λ 1 = 5-höz: Láttuk, hogy minden (, ), 0 vektor sajátvektor. Legyen l. u := (1, 1). (Bármelyik sajátvektort választhatjuk.) 2. λ 2 = 3-hoz: Láttuk, hogy minden (q, 2q) vektor sajátvektor. Legyen l. v := (1, 2). Ezzel a keresett X mátrix: 1 1 X = 1 2 Számítsuk ki X inverzét GaussJordan-eliminációval: 1 1 1 0 (2.) (1.) 1 1 1 0 Az X inverze tehát: Ezzel A sektrálfelbontása: 1 2 0 1 (1.) (2.) 1 1 1 2 X 1 = 1 0 2 1 0 1 1 1 2 1 1 1 5 0 0 3 0 1 1 1 2 1 1 1 A sektrálfelbontás ismeretében egyszer l. az invertálás: az X diagλ 1, λ 2,..., λ n X 1 mátrix inverze ugyanis 1 X diag, 1,..., 1 X 1. λ 1 λ 2 λ n Hasonlóan könnyen elvégezhet a hatványozás is: A n = X diag λ n 1, λ n 2,..., λ n n X 1. Négyzetes mátrixoknak nemcsak hatványát, hanem tetsz leges olinomiális függvényét is vehetjük. Ez azt jelenti, hogy a mátrixot behelyettesítjük a (x) = a n x n +a n 1 x n 1 +...+ a 1 x + a 0 függvénybe. Pl. ha a (x) = 2x 2 + 3x + 1 olinomot vesszük az A M n helyen, akkor a (A) = 2A 2 + 3A + I mátrixot kajuk. (Az 1-nek az I M n identitásmátrix felel 5

meg.) Ekkor is jól használható a sektrálfelbontás: (A) = X diag (λ 1 ), (λ 2 ),..., (λ n ) X 1. 6