23032

Дискретний варіант побудови та дослідження загального розв’язку задачі моделювання динаміки систем з розподіленими параметрами

Лекция

Экономическая теория и математическое моделирование

Псевдообернені матриці та проблеми побудови загального розв’язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь. З цією метою виділимо в матриці C r лінійно незалежних стовпців. Враховуючи що всякий стовпець матриці C може бути розкладений за системою векторів як за базисом матрицю C подамо у вигляді де вектор коефіцієнтів розкладу стовпця матриці С за базисом .10 ранг основної матриці дорівнює рангу розширеної.

Русский

2013-08-04

586 KB

1 чел.

27

 Стоян В.А.

Лекція 3. Дискретний варіант побудови та дослідження загального розв’язку задачі моделювання  динаміки систем з розподіленими параметрами

3.1. Постановка задачі та проблеми її розвязання. Повернемося до питання побудови моделюючих функцій u0(s) та uГ(s) в інтегральних співвідношеннях (1.14), (1.15), якими замикалася проблема переходу від диференціальної моделі динаміки системи у формі (1.1) – (1.4) до її інтегрального представлення у вигляді (1.9) – (1.13). При цьому обмежимося самим простим випадком, коли і початково-крайові умови (1.3) – (1.4) і моделюючі функції u0(s) та uГ(s) дискретизовані. Дискретизацію виконаємо як і в (1.22) точками:

 () – для функцій u0(s) (s,);

 () – для функцій uГ(s) (s,);

 () – для функцій (x) ;

  () для функції 

 .

Як показано в п. 1.3, проблема знаходження наборів

                                          (3.1)

та

                                         (3.2)

моделюючих функцій u0(s) та  при відомих значеннях

                           (3.3)

та

   (3.4)

функцій  та  зводиться (див. П.1.3.) до побудови та дослідження загального розвязку системи лінійних алгебраїчних рівнянь

                                                                            (3.5)

де

, або ;

, або

для початкової (задачі Коші), крайової та початково-крайової задач відповідно, а матриця С для кожної із задач визначена вище (формули (1.21), (1.27) та (1.28)). При цьому під “загальним розвязком” тут розуміється класичний розвязок, якщо він є (єдиний, або певний з множини розвязків), або найкраще наближення до нього (однозначне, або певне з множини можливих наближень), якщо точного розвязку не існує.

3.2. Псевдообернені матриці та проблеми побудови загального розв’язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Зупинимося на проблемах обернення лінійних алгебраїчних систем (3.5), в якій для зручності будемо вважати, що  вимірна матриця, а y та u - заданий та шуканий L та M - вимірні вектори.

Відомо багато підходів до розв’язання задачі (3.5), яка може мати єдиний розв’язок, множину розв’язків, або зовсім їх не мати. Ми будемо виходити з методики, запропонованої та розвиненої  в [22].

Введемо до розгляду матрицю , псевдообернену до  таку, щоб

                      (3.6)

де

          (3.7)

Дослідимо властивості вектора , який надалі будемо називати псевдорозв’язком системи (3.5).

Для початку покажемо, що матриця  існує і може бути однозначно побудована.

З цією метою виділимо в матриці C r лінійно незалежних стовпців. Позначимо через  матрицю, утворену цими стовпцями. Враховуючи, що всякий стовпець матриці C може бути розкладений за системою векторів , як за базисом, матрицю C подамо у вигляді

,

де  - вектор коефіцієнтів розкладу  стовпця матриці С за базисом . Звідки , де

З врахуванням останнього розв’язок задачі (3.5) - (3.6) побудуємо в два етапи:

  1.  розв’яжемо задачу знаходження вектора  такого, щоб

                          (3.9)

  1.  знайдемо мінімальний за нормою вектор  такий, щоб

    .                      (3.10)

Задачі ці мають однозначний розв’язок: перша - як задача розкладу вектора  ; друга - тому, що для системи (3.10) ранг основної матриці дорівнює рангу розширеної.

При розв’язанні задачі (3.9) будемо виходити з того, що

.

Звідки

;

.         (3.11)

Розв’язок другої задачі знайдемо шляхом мінімізації функції Лагранжа

.

З врахуванням того, що для

,

при   з (3.10) знаходимо

.

Звідки

,

а шукане

.

З врахуванням (3.11) отримуємо

,                     (3.12)

де

.                    (3.13)

Звідси випливає, що має місце наступна теорема.

Теорема 3.1. Визначена згідно (3.6), (3.7) матриця , псевдо обернена до () – вимірної матриці , визначається співвідношенням (3.13), в якому - матриця, утворена  лінійно незалежними стовпцями матриці , а - матриця коефіцієнтів розкладу за ними всіх вектор-стовпчиків матриці .

Як було сказано вище, система (3.10) має розв’язок при любому. - це вектор коефіцієнтів розкладу вектора  по вектор-стовпцях матриці . Звідки заключаємо, що вектор y теж може бути довільним.

Питань не виникає, якщо розмірність  вектора  дорівнює кількості  векторів  (базису матриці ). Якщо ж , то однозначність та точність розв’язку системи

буде досягатися, якщо за вектор-стовпцями матриці  буде розкладатися - проекція вектора  на лінійну оболонку натягнуту на вектор-стовпці матриці . З врахуванням (3.11) заключаємо, що матриця , а отже і розв’язок системи (3.5) буде однозначним, якщо

.

Поскільки  лінійно незалежних вектор-стовпчиків матриці  є одночасно і лінійно незалежними вектор-стовпцями матриці С, то можемо сформулювати наступний наслідок .

Наслідок 3.1.  Проекція вектора  на лінійну оболонку, натягнену на вектор-стовпці матриці , визначається співвідношенням

.

З використанням сформульованої в наслідку 3.1 особливості псевдообернення системи (3.5) можемо побудувати ще один зручний для практичної реалізації алгоритм побудови , а отже і розв’язання задач (3.9), (3.10). Алгоритм запропонований М. Ф. Кириченком. Вперше він був опублікований в [22] і названий автором методом решетування.

Згідно [22]:

1) Виділимо з   лінійно  незалежних стовпчиків. Одержимо матрицю . Згідно розглянутого вище

;

2) Виділимо з  r лінійно незалежних рядків. З матриці  залишиться матриця , елементи якої належать одночасно виділеним  рядкам і r стовпцям. При цьому

і замість рівняння (3.10) на другому етапі розв’язання задачі побудови матриці  будемо розглядати рівняння

,                      (3.14)

де

;

3) розв’язок рівняння (3.14) такий, щоб

,

,

запишемо у вигляді

,

де

.                   (3.15)

Крім наведеного вище представлення (3.13) та (3.15) псевдооберненої матриці  відомі і інші [12] не менш важливі представлення. Ми зупинимося ще на одному з них, яке носить більше теоретичний характер і яке потрібне буде нам в подальшому викладі матеріалу.

3.3. Сингулярне представлення прямокутних матриць. Як було показано вище, всяку прямокутну матрицю C розмірності LM можна представити у вигляді добутку двох матриць C1 та C2 розмірності L*r та r*M відповідно, де r - ранг матриці C. Тобто

,

де сi(1)  лінійно незалежні стовпці матриці C, а   - рядки матриці C2 визначеної в (3.8). А це значить, що

                                                               (3.16)

Якщо ж вектори та  розкласти за системою ортонормованих векторів   та  відповідно, то представлення (3.16) матиме вигляд

.                                                                 (3.17)

Виникає природнє запитання: ”Як система ортонормованих векторів yi, , та чисел  повязана з матрицею C ?

Розглянемо CCTys . З врахуванням ортогональності векторів  та yi маємо:

   (3.18)

Аналогічно знаходимо, що

.                                            (3.19)

А це значить, що система векторів xi , yi та чисел   існує: вектори xi та yi є власними векторами для матриць CTC та CCT з власним значеннями рівними . Тобто представлення матриці C у вигляді (3.17), можливе хоча практично побудувати його не просто.

Виходячи з представлення (3.17) матриці C побудуємо аналогічне представлення і для матриці C+.

Згідно (3.13), де

,

знаходимо

                            (3.20)

.

3.4. Проекційні властивості псевдообернених матриць Представлення (3.17) та (3.20) матриць  та  дозволяють в рамках введених вище позначень записати та проілюструвати досить цікаві і потрібні для практики властивості псевдообернених матриць. Сформулюємо це у вигляді наступної теореми.

Теорема 3.2. Для () – вимірної матриці  такої, що для ортонормованих векторів , які є базисними для вектор-стовпчиків матриці , виконуються співвідношення (3.18), та вектора  матриці  та  є проекціями на лінійну оболонку , натягнену на вектор-стовпці матриці , та ортогональне доповнення до цієї оболонки відповідно.

Доведення. Для доведення теореми систему векторів  доповнимо системою ортонормованих векторів  ортогональних до . Тоді

,

а досліджувані в теоремі матриці

;                     (3.21)

.        (3.22)

Якщо розглянути

;                    (3.23)

,         (3.24)

то  є не що інше, як проекція вектора  на , а  є розклад вектора по системі векторів . Якщо , то цей розклад зрозумілий. Якщо ж розмірність вектора  більша , то представлення (3.23) буде давати розклад по  проекції вектора  на лінійну оболонку, натягнуту на вектори , а отже і на вектор стовпці матриці .

Тобто

.

Аналогічними міркуваннями, виходячи з (3.22), доводиться і друге твердження, теореми, згідно якого

.

Аналогічно доводиться  наступна теорема.

Теорема 3.3. Для () – вимірної матриці  такої, що для ортонормованих векторів , які є базисними для вектор-рядків  матриці  і для яких виконуються співвідношення (3.18), (3.19) та вектора  матриці  та  є проекційними на лінійну оболонку, натягнуту на вектор-рядки  матриці , та ортогональне доповнення до цієї оболонки відповідно.

3.5. Загальні розвязки системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Сформульовані в теоремах 3.2 та 3.3 проекційні властивості матриць , , та  дозволяють зручно записати та дослідити загальний розвязок системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Сформулюємо це у вигляді наступної теореми.

Теорема 3.4. Загальний розв’язок системи лінійних алгебраїчних рівнянь

                     (3.25)

де - - вимірна матриця, , , визначається формулою

,                                                            (3.26)

де -довільний вектор розмірності , C- матриця, псевдообернена до , а . Розвязок цей буде:

  1.  єдиним і точним при

;                     (3.27)

;

  1.  даватиме множину розвязків при

;                     (3.28)

;

3) єдиним псевдорозязком таким, що

       (3.29)

при

;          (3.30)

;

  1.  даватиме множину

                                             

псевдорозвязків з невязкою , визначеною співвідношенням (3.29) при

         (3.31)

.

Доведення. Будемо виходити з того, що згідно розглянутого вище розв’язок рівняння (3.25), якщо він існує, записується через псевдообернену матрицю  співвідношенням (3.12).

В загальному ж випадку

,                         (3.32)

де - довільний вектор розмірності  такий, що

.

А це значить, що вектор  мусить бути ортогональним до вектор-рядків матриці . Іншими словами кажучи, мусить належати ортогональному доповненню до лінійної оболонки натягненої на вектор-рядки матриці , а отже

 ,

що і доводить співвідношення (3.26).

Співвідношення (3.27), (3.28), (3.30), (3.31) стануть зрозумілими, якщо враховувати, що  є умовою невиродженості матриці , а  випливає з умови, щоб

,

що є умовою рівності нулю проекції вектора  на ортогональне доповнення до лінійної оболонки, натягненної на вектор-стовпці матриці . Останнє ж описує умову, за якою вектор  може бути розкладений за вектор-стовпцями матриці , тобто умовою, коли точно задовольняється рівняння (3.25).

3.6. Ще деякі представлення та залежності псевдообернених матриць. Сингулярне представлення матриць ,  у вигляді (3.17), (3.20) дозволяє довести ще дві корисні для практичного використання формули:

.                    (3.33)

Достовірність формули (3.33) перевіримо виходячи з (3.17) та (3.20). При цьому

;

.       (3.34)

Звідки

;

.

Зауваження. Представлення (3.34) матриці  з врахуванням (3.17) та (3.20) дозволяє заключити, що

.

А це значить, що

.

Звідки з врахуванням властивостей векторів   заключаємо, що  може мати значення «один», або «нуль»: «один» - коли розвязок (псевдорозвязок) системи (3.25) однозначний; «нуль» - коли цих розвязків (псевдорозвязків) множина.

Останнє дозволяє умову однозначності загального розвязку (3.26) системи лінійних алгебраїчних рівнянь (3.25) в умовах (3.27), (3.28), (3.30), (3.31) замінити наступною

,

або

.

26

Курс лекцій по моделюванню динаміки систем з розподіленими параметрами


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19550. Преобразование Хартли 280.49 KB
  1 Лекция 19. Преобразование Хартли Преобразование Хартли является аналогом преобразования Фурье отображая вещественный сигнал в вещественный. Положим . Тогда . Найдем формулу обращения. Для этого установим связь с преобразованием Фурье. По определению = . Н
19551. Строение матрицы Адамара 448.32 KB
  2 Лекция 20. Строение матрицы Адамара Элементы матрицы можно вычислить непосредственно. Нумерацию строк и столбцов начнем с 0. В этом случае номер строки или столбца задается двоичным вектором: . Положим . Предложение. Элемент матрицы . Доказательство. Для ...
19552. Преобразования Адамара и Хаараара 445.63 KB
  2 Лекция 21. Преобразования Адамара и Хаара Подсчет числа перемен знаков в матрице Адамара Аналогом частоты в базисе Фурье для матриц Адамара является число перемен знаков в строке. Предложение. Для того чтобы найти число перемен знаков в строке с номером...
19553. Фильтрация и преобразование Адамара 260.31 KB
  2 Лекция 22. Фильтрация и преобразование Адамара Результат любого из рассмотренных выше преобразований рассматривается как спектр исходного сигнала. В этой связи имеется возможность изменить спектр произвольным образом а затем применить обратное преобраз
19554. Метод главных компонентов в задаче сжатия 341.43 KB
  1 Лекция 23. Метод главных компонентов в задаче сжатия Идея сжатия сигнала на основе разложения по ортогональному базису была изложена выше. Рассмотренные базисы являются универсальными и не учитывают особенность сигнала. Когда имеется набор сигналов одной п...
19555. Линейное предсказание 442.3 KB
  1 Лекция 24. Линейное предсказание Пусть имеется вещественный случайный процесс с дискретным временем обладающий свойствами: зависит только от . Задача заключается в предсказании следующего значения на основе предыдущих. Требуется выбрать коэффициенты ...
19556. Вивчення приладів магнітоелектричної системи 26.17 KB
  В ході лабораторної роботи досліджувався прилад магнітоелектричної системи М906 для вимірювання струму та напруги. Для розширення меж вимірювання струму використовуються шунти. Шунтами є опори, які підключаються паралельно до приладу.
19557. Технічне конструювання. Основні правила оформлення креслень (типи ліній, нанесення розмірів, застосування масштабу, умовні позначення). Креслярський інструмент 38 KB
  Тема 1.3: Технічне конструювання. Основні правила оформлення креслень типи ліній нанесення розмірів застосування масштабу умовні позначення. Креслярський інструмент. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички креслення рамки і оформляти креслення. Вих...
19558. Прийоми поділу відрізків і кутів на рівні значення 31.5 KB
  Тема 12: Прийоми поділу відрізків і кутів на рівні значення. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички поділу відрізків та кутів. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до інструментів охайне виконання роботи. Розвиваюч...