69321

Властивості власних значень і власних векторів матриці

Лекция

Математика и математический анализ

Метод характеристичного рівняння матриці Коли на деякий вектор х діє матриця А то в загальному випадку отримується новий вектор у = Ах який відрізняється від вектора х як своїм модулем розміром так і орієнтацією в багатовимірному просторі.

Украинкский

2014-10-03

115 KB

0 чел.

Лекція 6. Властивості власних значень і власних векторів матриці

4.1. Метод характеристичного рівняння матриці

Коли на деякий вектор х діє матриця А, то в загальному випадку отримується новий вектор у = Ах, який відрізняється від вектора х як своїм модулем (розміром), так і орієнтацією в багатовимірному просторі. Але можуть бути випадки, коли компоненти вектора у будуть пропорційні компонентам вектора х з коефіцієнтом пропорційності λ, тобто вектор зберігає свою орієнтацію в просторі. Такі вектори х називають власними векторами матриці А, а коефіцієнти λ — власними значеннями (або числами) матриці А.

Власні значення матриць знаходяться з рівняння

або  (4.1)

звідки при x0 отримаємо умову тотожності (4.1) у вигляді: 

 (4.2)

Якщо цей визначник розкрити відносно власних значень, то отримаємо так зване характеристичне рівняння матриці А у вигляді полінома n–степеня відносно власних значень.

4.1.1. Метод Фадєєва-Левер’є

Для знаходження коефіцієнтів характеристичного рівняння крім прямого розкриття самого визначника існує декілька методів, серед яких виділяється метод Фадєєва–Левер’є, з допомогою якого:

1. Визначаються коефіцієнти характеристичного полінома:

det(pE - A) = pn +  (4.3)

2. Обчислюється обернена матриця

A - 1 = К0 0 (4.4)

3. Обчислюється резольвента матриці

A - 1 = К0 / (4.4)

(pE - A) - 1 = . (4.5)

Метод Фадєєва–Левер’є базується на обчисленні слідів матриці А і добутків матриць AKn - i де Kn - i — коефіцієнти чисельника резольвенти матриці (4.5).

Коефіцієнти чисельника і знаменника виразу (4.5) визначаються ітераційно (спочатку коефіцієнт чисельника Kn - i, а потом коефіцієнт знаменника λn - i) відповідно до наступної процедури, де E — одинична матриця, Sp(A) = — слід матриці:

Kn - 1 = E;

Kn - 2 = AKn - 1 + λn - 1E;

Kn - k = AKn - k + 1 + λn - k + 1E;

K0 = AK1 + λ1E;

O = AK0 + λ0  умова перевірки.

Приклад 4.1.

Побудувати характеристичне рівняння матриці

A = , n = 3

Відповідно до методу Фадєєва–Левер’є (4.5):

(pI - A) - 1 = ;

Коефіцієнти чисельника і знаменника визначаються так:

K2 = I, λ2 = - SpA = 7,

K1 = A + 7Е = ; AK1 = ;
= -
Sp(AK1) = 16.
K0 = AK1 + 16Е = ; AK0 = ;
= - Sp(AK0) = 12.

Для контролю перевіряємо умову АК0 + λ0I = 0;

Характеристичне рівняння має вигляд:

з якого можна знайти власні значення матриці λ = [ - 3, - 2, - 1]t.

Обернена матриця

A - 1 =

і резольвента матриці

4.1.2. Метод Крилова

Крім методу Фадєєва–Левер’є досить відомим є також і метод Крилова, який базується на відомій теоремі Келлі–Гамільтона про те, що довільна матриця А задовольняє своє характеристичне рівняння:

. (4.6)

Якщо вираз (4.6) помножити на довільний вектор х, то можна отримати:

 (4.7)

де введено вектори

...,  (4.8)

компоненти яких обчислюються за формулами:

. (4.9)

На основі матрично–векторного рівняння (4.7) формуємо наступну систему лінійних рівнянь для коефіцієнтів характеристичного рівняння матриці:

. (4.10)

Якщо виявиться, що система (4.10) вироджена, то необхідно замінити початковий вектор х, який для зручності звичайно обирають як x = [1,0,0,…,0]t.

Приклад 4.2.

Користуючись методом Крилова, побудувати характеристичне рівняння матриці:

A = .

Обчислимо спочатку

А2 =  та А3 = .

Вибираючи x = [1,1,0]t знаходимо необхідні вектори: x(1) = Ax = [ - 1, - 3,2]t, x(2) = Ax(1) = [5,9, - 10]t, x(3) = Ax(2) = [ - 31, - 27,38]t.

Система рівнянь (4.10) для нашого прикладу набуде вигляду:

,

звідки отримуємо вектор коефіцієнтів λ = [7,16,12]t, який співпадає з результатом, отриманим в Прикладі 4.1.

Примітка: Задача визначення коефіцієнтів характеристичного рівняння матриці належить до погано обумовлених задач, оскільки потребує дуже високої точності обчислення цих коефіцієнтів. Це положення було проілюстровано в прикладі 1.2 глави 1 на базі штучного полінома, побудованого Уілкінсоном Д.

Тому розглянуті методи Фадєєва–Левер’є і Крилова підходять лише для досить невеликих порядків матриці А, тому що із зростанням її порядку n коефіцієнти характеристичного полінома звичайно збільшуються дуже швидко, ускладнюючи знаходження коренів цього полінома.

У зв’язку з цим в практичних розрахунках методи обчислення власних значень матриць, які використовують характеристичний поліном, майже витіснені ітераційними методами, один з яких (найбільш ефективний) описано нижче.

PAGE  79


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50600. Импульсные стабилизаторы напряжения 143 KB
  Цель работы Изучить назначение принцип действия свойства и возможные схемотехнические решения импульсных стабилизаторов напряжения. Задание Ознакомиться с принципами построения характеристиками и свойствами импульсных стабилизаторов напряжения. Исследовать свойства импульсных стабилизаторов напряжения построенного на биполярных транзисторах.
50601. Схемотехнические решения устройств на операционных усилителях 586 KB
  Принципиальная схема простого аналогового интегратора показана на рис. На этой схеме конденсатор в цепи обратной связи ОУ подсоединен между суммирующим входом и выходом интегратора. Для определения выходного напряжения интегратора при постоянном напряжении Ui на его входе воспользуемся формулой коэффициента передачи усилителя с параллельной отрицательной обратной связью Kip = Uo Ui = Kp [1 bp Kp] 1 в которой Кр = А...
50602. Генераторы электрических колебаний 488 KB
  Зарисовать осциллограммы на выходе RCгенератора при 3х и 4х звенной фазосдвигающей цепочки. Исследовать зависимость амплитуды и частоты выходного сигнала а также периода самовозбуждения генератора от величины R и С и занести полученные значения в таб.5 кОм С мкФ 5 10 20 40 80 Um В 355 327 273 207 143 Т С 026 03 034 037 038 Гц 385 333 294 27 263 Tcв сек Исследование генератора на операционном усилителе.
50603. Пуск-Autodesk-Autodesk 3d Max 8-3d Max 8 516.5 KB
  Находится в верхней части окна программы и обеспечивает доступ к основным командам 3ds Mx 7. Обычно находится под главным меню но может отображаться как плавающая панель или располагаться в других местах окна. Viewports Окна проекций. Расположены в центре окна и занимают его большую часть.
50604. Создание геометрических примитивов. Добавление освещения в сцену 278 KB
  Установив параметры нажмите кнопку Crete Создать. В окне проекции Top Вид сверху нажмите левую кнопку мыши и не отпуская левую клавишу передвиньте мышь определяя первый радиус конуса. Расположение объектов в окне проекции Top Создайте Тор для этого: Нажмите кнопку Torus Тор на панели Cret Создать Создайте тор в окне проекции Top Вид сверху. Создайте трубу для этого: Нажмите кнопку Tube Труба на панели Cret Создать Создайте в окне проекции Top...
50605. Создание интерьера кухни с помощью примитивов 3ds Max 677.5 KB
  Например все объекты сцены на рис. Сцена созданная из примитивов 3ds Mx Цель: Смоделировав подобную сцену вы ознакомитесь с интерфейсом программы научитесь создавать объекты и производить с ними основные операции: выравнивание перемещение вращение клонирование. Научиться производить над объектами основные операции.
50606. Проблемы реализации геополитической стратегии Российской Федерацией 99 KB
  Понятие “геополитика” в современном мире рассматривается, иногда чересчур широко, что, в конечном счете, размывает характерные особенности данного явления.
50607. Создание тел вращения по профилю сечения при помощи сплайнов 923.5 KB
  Сегмент segment это участок линии сплайна между двумя соседними вершинами. Криволинейные сегменты представляются набором прямолинейных отрезков часто незаметных для глаза число которых задается при создании сплайна. Вершины vertex сплайна различаются по типу и определяют степень кривизны сегментов сплайна прилегающих к этим вершинам.
50608. Создание объектов методом Editable Mesh (Редактируемая поверхность) 879 KB
  Переключитесь в режим редактирования Polygon Полигон. Выйдите из режима редактирования Polygon Полигон выделите объект перейдите на вкладку Modify Изменение командной панели выберите из списка Modifier List Список модификаторов модификатор MeshSmooth Сглаживание. Переключитесь в режим редактирования Edge Ребро. Переключитесь в режим редактирования Vertex Вершина.