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

1 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

53800. Стратегии управление оборотными активами 27 KB
  Осторожная стратегия предусматривает наличие большого объёма оборотных средств для обеспечения производственной деятельности фирмы. Такая стратегия является безопасной для фирмы, но в этом случае фирма теряет часть доходов
53801. Экономическая сущность инвестиций 34 KB
  Реальные (капиталообразующие) инвестиции включают следующие элементы: инвестиции в основные фонды (основной капитал), затраты на приобретение земельных участков, инвестиции в нематериальные активы, инвестиции в пополнение запасов материальных оборотных средств.
53802. Оптимизация использования денежных средств 28.5 KB
  Оптимизация среднего остатка денежных активов предприятия предполагает инвестирование избытка денежных средств для получения дополнительной прибыли, обеспечивая при этом необходимую ликвидность.
53803. Методы долгового финансирования 27 KB
  Эмиссия облигаций представляет собой финансовый проект, при реализации которого эмитент оформляет свои долговые обязательства в виде ценной бумаги, доступной любому инвестору, согласному с объявленными, едиными для всех кредиторов условиями.
53804. Тестовий контроль «Зарубіжна література» 149 KB
  Варіант 2 До жанру сатиричного роману слід віднести: А Собор Паризької Богоматері В. Варіант 3 Укажіть у якому столітті Біблію було вперше перекладено українською мовою: А ХIХ ст. Варіант 4 1.
53806. Стоимость капитала: понятие и сущность 26.5 KB
  Капитал - долгосрочные источники финансирования. Общая сумма средств, которую нужно уплатить за использование определенного объема финансовых ресурсов, выраженная в процентах к этому объему, называется стоимостью капитала (cost of capital).
53807. Оцінювання навчальних досягнень учнів. Прийоми усного опитування та письмового контролю 150 KB
  Про це свідчить хоча б той факт що контроль накладає свій відбиток на всі когнітивні процеси дитини і те що саме на одну з функцій контролю оцінювання орієнтовано 54 дітей сучасної школи. Без оцінювання процес засвоєння неможливий. За умови вдалої дидактикометодичної організації уроку добре продумане оцінювання може суттєво сприяти справі підвищення успішності. Серед типових помилок учителів що часто стають джерелами помилок під час оцінювання є наступні: гало ефект тенденція судити про всі аспекти поведінки людини на...
53808. Форми контролю знань на уроках інформатики 199 KB
  Для тестування широко використовую компютер що дозволяє якісно змінити контроль за діяльністю учнів. Компютер дозволяє перевірити всі відповіді учні більш охоче відповідають компютеру і якщо отримують невисоку оцінку то мають велике бажання скоріше її виправити. Практична робота активізує пізнавальну діяльність учнів оскільки від роботи з ручкою та зошитом діти переходять до роботи з компютерами. Учні оформляють свої доклади реферати за допомогою комп'ютера виконують самі малюнки схеми допомагають створювати тести посібники з...