21187

Власні числа та власні вектори оператора. Самоспряжені оператори

Реферат

Математика и математический анализ

1 то він називається власним вектором оператора а число його власним числом. Таким чином дія оператора на власний вектор дає той же вектор помножений на власне число. Це алгебраїчне рівняння степені називається характеристичним рівнянням оператора .

Украинкский

2013-08-02

822 KB

9 чел.

Власні числа та власні вектори оператора. Самоспряжені оператори.

Власні числа та власні вектори. Якщо існує такий ненульовий елемент , що

, (17.1)

то він називається власним вектором оператора , а число  - його власним числом. Таким чином, дія оператора на власний вектор дає той же вектор, помножений на власне число. Щоб знайти ці вектори і числа перепишемо (17.1) у виді , або

. (17.2)

Згідно теореми про обернений оператор такому рівнянню буде задовольняти ненульовий вектор  тоді і тільки тоді, коли оператор  не буде мати оберненого. З цього витікає, що і його матриця не буде мати оберненої, критерієм чого є рівність нулю її детермінанта

. (17.3)

Таким чином, власне число повинно бути корнем рівняння (17.3). Це алгебраїчне рівняння степені  називається характеристичним рівнянням оператора . Згідно основної теореми алгебри алгебраїчне рівняння степені  має  коренів , серед яких можуть бути кратні корені, а також і комплексні корені.

Теорема. Характеристичні рівняння для одного і того ж оператора в різних базисах еквівалентні. Дійсно, хай матриці оператора  в двох різних базисах будуть відповідно  і , і хай  є матриця переходу від одного базиса до другого. Тоді, згідно правил перетворення матриці оператора, маємо

 (17.4)

Для кожного власного числа  рівняння (17.2) визначає власний вектор

. (17.5)

Приклади. 1) Знайти власні вектори і числа оператора, матриця якого в деякому базисі має вид

. Маємо .

Характеристичне рівняння

.

Корені рівняння будуть .

Тепер знайдемо власні вектори. Для  власний вектор буде розв”язком рівняння

 

Звідси маємо

.

де  - довільне число.

Для числа  рівняння для векторів буде мати вид

, або

Звідси маємо

,

де  - довільне число. Власний вектор для числа  відрізнятиметься знаком перед уявною одиницею.

2) Знайти власні числа і вектори оператора проектування на площину. Його матриця

.

Характеристичне рівняння

 

має корні , . Власні вектори

 

3) Знайти власні числа і вектори оператора повороту на кут  навколо осі . Матриця оператора

.

Характеристичне рівняння

 

має корні . Власні вектори

 

Власні вектори і числа оператора являються дуже важливими його характеристиками. Особливе значення придають цьому слідуючі дві теореми.

Теорема 1. Власні вектори оператори, які відповідають різним власним числам є лінійно незалежні.

Доведення. Хай оператор  має власні числа  і відповідні їм власні вектори . Хай всі власні числа різні, . Використаємо метод математичної індукції. Один вектор завжди лінійно незалежний. Хай тепер  лінійно незалежні. Доведемо, що і  лінійно незалежні. Для цього припустимо, що це не так, тобто припустимо, що існують такі числа , серед яких є і ненульові, що

. (17.6)

Подіємо спочатку на (17.6) оператором

. (17.7)

Тепер помножимо (17.6) на  і віднімемо від (17.7)

.

Так як всі , , то із лінійної незалежності векторів  витікає, що . Але тоді із (17.6) слідує, що і , тобто рівняння (17.6) можливе тільки в тому разі, коли всі коефацієнти дорівнюють нулю, а це значить всі вектори лінійно незалежні.

 Теорема 2. Матриця оператора в базисі з власних векторів має діагональний вид.

Доведення. Хай набір власних векторів  оператора  достатній для того, щоб утворювати базис. Знайдемо матрицю оператора. Для цього подіємо на кожний базисний вектор, який до того ж є і власним, оператором

 (17.9)

Звідси маємо діагональну матрицю

, (17.10)

по діагоналі якої стоять власні числа оператора.

Висновок. Якщо оператор  має  різних власних чисел, то в деякому базисі, а саме в базисі з власних векторів, матриця цього оператора має діагональний вид.

 Самоспряжені оператори. Розглянемо евклідовий простір (лінійний простір, в якому введено скалярний добуток). Два оператора  і  називаються спряженими, якщо

, (17.11)

де  і  довільні елементи простору. Спряжений оператор позначиють так: . З визначення слідують властивості:

1) ,

2) ,

3) , (17.12)

4) ,

5) .

Доведемо останню властивість. Маємо, згідно (17.11), . Застосовуючи (17.11) послідовно для кожного оператора, одержимо другий результат. . Прирівнюючи праві частини одержимо властивісь 5).

Знайдемо тепер матрицю спряженого оператора в ортонормованому базисі. Хай дія операторів на вектори запишеться як

, (17.13)

і  . (17.14)

Тоді для скалярних добутків одержимо

. (17.15)

. (17.16)

Прирівнюючи (17.15) і (17.16) згідно (17.11) маємо

, (17.17)

тобто матриця спряженого оператора  є транспонована матриця оператора . Звідси, зокрема витікає, що .

Оператор називається самоспряженим, якщо , тобто якщо

. (17.18)

Приклади. 1) Довести, що оператор , де , самоспряжений. Перевіримо безпосередньо:

.

.

2) Хай у просторі многочленів не вище другої степені, елементи якого мають вид  скалярний добуток означено, як , де .

а) Дія оператора - зміна знака у аргумента: . Тоді  

.

.

Оператор самоспряжений.

б) Довести, що оператор  теж самоспряжений.

3) Оператор проектування на площину хОу. У базисі  його матриця

. Тоді  і

;

.

Отже оператор  самоспряжений.

Матриця самоспряженого оператора симетрична, , що зразу ж витікає з (17.17). В ортонормованому бозисі скалярний добуток

. (17.19)

має вид квадратичної форми, де коефіцієнти  є елементи матриці оператора . Якщо матриця має діагональний вид, то квадратична форма приймає канонічний вид

, (17.20)

де  - діагональні елементи матриці оператора .

Очевидно, що в базисі з власних векторів оператора квадратична форма буде мати канонічній вид, причому коефіцієнтами будуть власні числа оператора.

Для самоспряжених операторів дуже велике значення має

Теорема: самоспряжений оператор в -вимірному просторі має  дійсних власних чисел, яким відповідають взаємно ортогональні власні вектори.

Дія самоспряженого оператора зводиться до розтягування  або стискання вздовж напрямків, які задаються власними векторами. Дійсно, хай власні вектори  утворюють базис. Тоді розкладення вектора х в цьому базисі буде мати вид .

Дія оператора дасть результат

, (17.21)

звідки видно, що координати образу вектора  змінились у  раз.

Приклад: Хай оператор  в деякому базисі тривимірного простору породжає квадратичну форму

.

Знайти базис, у якому квадратична форма буде мати канонічний вид і виписати її.

Для того, щоб виписати матрицю оператора, треба прийняти до уваги, що матриця самоспряженого оператора симетрична, отже коефіцієнти у квадратичній формі при перехресних добутках координат треба брати вдвічі меншими, бо

. Таким чином матриця оператора має вид . Характеристичне рівняння

 .

Власні числа: , . Власні вектори:

1) .   нормований вектор .

2) .  нормований вектор .

3), нормований вектор .

Так як всі власні числа різні, то вектори  лінійно незалежні і утворюють базис. Легко перевірити, що він ортонормований. Матриця переходу до цього базису має вид

.

Матриця оператора в новому базисі

 

має діагональний вид, де на діагоналі стоять власні числа. Квадратична форма в новому базисі має канонічний вид

,

де координати в старому і новому базисі зв”язані формулами

 

 

 

Контрольні питання.

1. Дайте означення власних векторів та власних чисел оператора.

2. Яке рівняння називається характеристичним?

3. Доведіть теорему про лінійно незалежні власні вектори оператора.

4. Які оператори називаються спряженими?

5. Доведіть теорему про діагональність матриці оператора.

6. Сформулюйте теорему про власні числа самоспряженого оператора.

PAGE  44


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31807. Сущность, функции, виды и методы контроля управленческого решения 30 KB
  Контроль организации исполнения УР система наблюдения проверки оценки и коррекции положения дел на основе критерия. Виды контроля: 1Постоянный ежедневно 2Регулярный еженедельно 3Промежуточный ежемесячно 4Переодический составление отчета 5Детальный 6Факторный Контроль как функция управления. Контроль УР как на стадии разработки так и на стадии реализации является важнейшей функцией управления. Контроль может осуществляться в двух вариантах: по результатам и по упреждению.
31808. Сущность и виды ответственности руководителей за принятие управленческого решения 30.5 KB
  Ответственность мера соответствия действий человека групп людей или обва взаимным требованиям нормам. Ответственность это необходимость обязанность отдавать комулибо отчет в своих действиях поступках. Ответственность может быть официальная и личная чувство ответственности как черта характера. Виды ответственности: 1Внутрифирменная: аадминистративная выговор бэкономическая лишение премии впрофессиональная понижение в должности 2Внешняя: аюридическая арест бсоциальная вморальная Юридическая ответственность частично или...
31809. Планирование и прогнозирование в процессе принятия управленческих решений 25 KB
  Метод прогнозирования способ исследования объекта прогноза направленный на разработку прогнозов. Состояние объекта в будущем определяется закономерностями выявленным по частным результатам опыта его проведения в прошлом и настоящем. Осущся от имеющегося уровня знаний а конечные результаты развития объекта составляют содержание прогноза. Ориентирован на то что задается цель развития объекта в будущем а содержанием прогнозов становится определение частных путей.
31810. Экспертные методы прогнозирования решения 27 KB
  Экспертные методы базируются на информации которую поставляют специалистыэксперты в процессе систематизированных процедур выявления и обобщения этого мнения. Например при проведении экспертного опроса участникам представляют цифровую информацию об объекте или фактографические прогнозы либо наоборот при экстраполяции тенденции наряду с фактическими данными используют экспертные оценки. Экспертные методы разделяются на два подкласса. Прямые экспертные оценки строятся по принципу получения и обработки независимого обобщенного мнения...
31811. Фактографические методы прогнозирования решения 26 KB
  Фактографические методы прогнозирования решения. Фактографические методы базируются на фактически имеющемся информационном материале об объекте прогнозирования и его прошлом развитии. Экспертные методы базируются на информации которую поставляют специалистыэксперты в процессе систематизированных процедур выявления и обобщения этого мнения. Комбинированные методы выделены в отдельный класс чтобы можно было относить к нему методы со смешанной информационной основой в которых в качестве первичной информации используются фактографическая и...
31812. Комплексные системы прогнозирования решения 30.5 KB
  Позволяет: Выбрать объект прогноза выявить внутренние закономерности его развития написать сценарий сформулировать задачи и генеральную цель прогноза провести анализ иерархии и декомпозицию цели принять внутреннюю и внешнюю структуру объекта прогнозирования провести анкетирование выполнить математическую обработку данных анкетного опроса количественно оценить структуру верифицировать результаты разработать алгоритм распределения ресурсов провести распределение ресурсов оценить распределение ресурсов Методика примечательна тем что сочетает...
31813. Модели процесса принятия решений 27 KB
  2политические система предпочтений лица принимающего решение 3организационные в большинстве организаций есть организованные анархии процесс принятия решений в которых обладает особенностями. 4 Три типа ППР 1Сначала думаю: определение проблемы диагностика проектирование решениевыбор 2Сначала вижу: подготовка инкубирование проектирование верификация 3Сначала делаю: действие выбор закрепление 5 Классификация процессов взаимодействия руководителя со своими подчиненными: 1 Вы решаете задачу самостоятельно используя ту...
31814. Теория игр в разработке управленческих решений: основные понятия, виды 27.5 KB
  Каждая из сторон имеет свою цель и использует некоторую стратегию которая может вести к выигрышу или проигрышу в зависимости от поведения других игроков. Стратегия игрока правила действия игрока в каждой из возможных ситуаций игры. Платежная матрица матрица эффективности матрица игры. Она включает все значения выигрышей.
31815. Позиционные игры и метод «Дерево решений» при разработке управленческих решений 34 KB
  Позиционные игры и метод Дерево решений при разработке управленческих решений. Позиционные игры класс бескоалиционных игр в которых принятие игроками решений т. в ходе процесса принятия решений субъект проходит последовательность состояний в каждом из которых ему приходится принимать некоторое частичное решение. Дерево решений это графоаналитический метод позволяющий визуально оценить различные действия различных факторов на выбор УР.