Podobnostní transformace

Podobné dokumenty
2. Schurova věta. Petr Tichý. 3. října 2012

Singulární rozklad. Petr Tichý. 31. října 2013

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Arnoldiho a Lanczosova metoda

2 Vektorové normy. Základy numerické matematiky - NMNM201. Definice 1 (Norma). Norma je funkcionál splňující pro libovolné vektory x a y a pro

Úlohy nejmenších čtverců

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

5. Singulární rozklad

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

1 Vektorové prostory a podprostory

15 Maticový a vektorový počet II

Podobnost matic. Definice 8.6. Dány matice A, B M n (C). Jestliže existuje regulární matice P M n (C) tak,

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Vlastní čísla a vlastní vektory

Vlastní číslo, vektor

Vlastní čísla a vlastní vektory

8 Matice a determinanty

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.

(2) [B] Nechť G je konečná grupa tvořena celočíselnými maticemi roměru 2 2 s operací násobení. Nalezněte všechny takové grupy až na izomorfizmus.

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Matematický ústav Slezské univerzity v Opavě Učební texty k přednášce ALGEBRA II, letní semestr 2000/2001 Michal Marvan. 14.

Ortogonální transformace a QR rozklady

Ortogonální transformace a QR rozklady

[1] Motivace. p = {t u ; t R}, A(p) = {A(t u ); t R} = {t A( u ); t R}

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Numerické metody a programování. Lekce 4

Matematika 1 MA1. 2 Determinant. 3 Adjungovaná matice. 4 Cramerovo pravidlo. 11. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 29

a vlastních vektorů Příklad: Stanovte taková čísla λ, pro která má homogenní soustava Av = λv nenulové (A λ i I) v = 0.

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Numerické metody a programování

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

Zdrojem většiny příkladů je sbírka úloh 1. cvičení ( ) 2. cvičení ( )

Lineární algebra : Vlastní čísla, vektory a diagonalizace

Soustavy linea rnı ch rovnic

0.1 Úvod do lineární algebry

Definice : Definice :

Matematika B101MA1, B101MA2

4. LU rozklad a jeho numerická analýza

Soustavy lineárních rovnic

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Symetrické a kvadratické formy

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

0.1 Úvod do lineární algebry

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Dnešní látka Opakování: normy vektorů a matic, podmíněnost matic Jacobiova iterační metoda Gaussova-Seidelova iterační metoda

ALGEBRA. Téma 4: Grupy, okruhy a pole

1. Jordanův kanonický tvar

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

K2 7 E=. 2 1 Snadno zjistíme, že všechny nenulové násobky vektoru( 2, 1) jsou vlastními vektorymatice[ϕ]

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

Program SMP pro kombinované studium

1 Vektorové prostory.

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

1 0 0 u 22 u 23 l 31. l u11

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

7. Lineární vektorové prostory

Linearní algebra příklady

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

)(x 2 + 3x + 4),

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

CHARAKTERISTICKÉ VEKTORY

19. Druhý rozklad lineární transformace

1 Projekce a projektory

Cvičení z Lineární algebry 1

SVD rozklad a pseudoinverse

Operace s maticemi

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Determinanty. Obsah. Aplikovaná matematika I. Pierre Simon de Laplace. Definice determinantu. Laplaceův rozvoj Vlastnosti determinantu.

Michal Zamboj. January 4, 2018

Odhad stavu matematického modelu křižovatek

Vlastní čísla a vlastní vektory

Základy matematiky pro FEK

GEOMETRICKÁ ZOBRAZENÍ. Josef Janyška

DMA Přednáška Rekurentní rovnice. takovou, že po dosazení odpovídajících členů do dané rovnice dostáváme pro všechna n n 0 + m pravdivý výrok.

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

Transkript:

Schurova věta 1

Podobnostní transformace a výpočet vlastních čísel Obecný princip: Úloha: Řešíme-li matematickou úlohu, je často velmi vhodné hledat její ekvivalentní formulaci tak, aby se řešení úlohy stalo zjevným transformace úlohy. Uvažujme matici A C n n a úlohu nalezení jejího spektra. Podobnostní transformace pomocí regulární matice S, B = S 1 A S, zachovává Jordanův kanonický tvar, tj. i spektrum. Jak volit regulární matici transformace S? 3

Praktické výpočty Vstupní data zatížena chybami, A obsahuje kromě původních dat  rovněž chyby reprezentované maticí chyb E, A =  + E. Hledáme podobnostní transformaci B = S 1 A S = S 1  S + S 1 E S B je podobná  až na transformovanou matici chyb S 1 ES. Její normu pro jednoduchost charakterizujeme odhadem S 1 E S κ(s) E Je-li κ(s) = S S 1 1, může podobnostní transformace výrazně zvětšit chyby obsažené ve vstupních datech. 4

Jaké podobnostní transformace používat? ortogonální, unitární B = S 1 A S. Při κ(s) 1 může dojít k výraznému zvětšení chyb. Vlastní čísla B se pak mohou podstatně lišit od vlastních čísel Â. Jaké transformace používat? Ty, co velikosti chyb výrazně nezvětší, κ(s) 1. Příklad: unitární transformace. 5

Unitární (ortogonální) transformace Řekneme, že čtvercová matice U je unitární, jestliže U U = UU = I. Je-li U reálná, hovoříme o ortogonální matici. Unitární (ortogonální) transformace jsou transformace realizované unitárními (ortogonálními) maticemi. Je-li S unitární, pak S 1 ES = S ES = E. V kapitole o singulárním rozkladu ukážeme, že κ(s) = 1 S je násobek unitární matice. 6

Na jaký tvar transformovat matici A abychom mohli z tvaru vyčíst vlastní čísla? B = S 1 AS Jordanův kanonický tvar podstatný praktický problém: S může být velmi špatně podmíněna. Postačí, když B bude v horním trojúhelníkovém tvaru vlastní čísla jsou na diagonále. Dva požadavky: 1 Vynulovat všechny poddiagonální prvky. 2 Transformace nesmí zvětšovat podstatně velikosti chyb omezíme se na unitární podobnostní transformace. Je to proveditelné? 7

Schurova věta Schurova věta Pro libovolnou čtvercovou matici A existuje unitární matice U tak, že matice R = U A U je horní trojúhelníková s vlastními čísly matice A na diagonále v libovolném předepsaném pořadí. R = U AU A = UR U. Rozklad A = UR U nazveme Schurovým rozkladem A. Velmi důležitý rozklad, základ algoritmů pro výpočet vlastních čísel matic, funkcí matic aj. Lze jej spočíst (aproximovat) numericky stabilním způsobem (pomocí unitárních transformací). 9

Výpočet Schurova rozkladu Schurův rozklad nelze obecně vypočítat konečným algoritmem Korespondence - problémy hledání vlastních čísel matice kořenů polynomu. Existuje vzorec, který pro obecný polynom libovolného řádu určí s použitím +,,, / a jeho kořeny? Věta (Abel, Galois) Obecná polynomiální rovnice n-tého stupně není pro n 5 řešitelná v radikálech. Důsledek: Vlastní čísla matice řádu n 5 nelze obecně spočíst v konečném počtu kroků ani Schurův rozklad obecně vypočítat konečným algoritmem. 10

Důsledky Schurovy věty Spektrální rozklad pro normální matice Definice: Čtvercová matice A se nazývá normální, platí-li A A = A A. Věta (Spektrální věta pro normální matice) Matice A je normální právě tehdy, když existuje unitární matice U a diagonální matice D tak, že U A U = D, neboli A = UD U. 12

Důsledky A je normální existují unitární U a diagonální D tak, že A U = UD. Označme D = diag(λ 1,..., λ n ), rozepišme po sloupcích, Au j = λ j u j, j = 1,..., n. Sloupce U jsou normalizované vlastní vektory A a prvky na diagonále D jsou vlastní čísla A. Vlastnosti spektrálního rozkladu normální matice A C n n je normální existuje ortogonální báze prostoruc n složená z vlastních vektorů A. 13

Dyadický rozklad (rozvoj) normální matice Součin dvou matic lze zapsat pomocí vnějšího součinu. Potom n A = UD U = λ i u i u i, i=1... dyadický rozvoj normální matice A. Z definice 2-normy λ i u i u i = λ i, i = 1,..., n. Pro Frobeniovu normu normální matice platí n A 2 F = λ i 2 (cvičení). i=1 14

Příklady normálních matic Unitární a hermitovské matice Důležité třídy normálních matic: unitární a hermitovské. Věta o unitárních a hermitovských maticích A je unitární je-li normální a její vlastní čísla leží na jednotkové kružnici. A je hermitovská je-li normální a všechna její vlastní čísla jsou reálná. (cvičení) Třída normálních matic je třída matic, které lze unitární podobnostní transformací převést na diagonální tvar. A nazveme diagonalizovatelnou, jestliže existuje regulární matice S taková, že S 1 A S = D, kde D je diagonální matice. 15

Diagonalizovatelné matice tj. S 1 A S = D, A S = SD. S regulární Vlastní vektory rovněž tvoří bázi prostoru C n. Tato báze může být špatně podmíněná. Lze každou matici libovolně blízko aproximovat pomocí matice diagonalizovatelé? Ano. Množina diagonalizovatelných matic je hustá v C n n. 16

Aproximace libovolné matice pomocí diagonalizovatelné Věta o hustotě diagonalizovatelných matic Pro libovolnou A C n n a pro libovolně malé ǫ > 0 existuje diagonalizovatelná A ǫ C n n s navzájem různými vlastními čísly tak, že A A ǫ < ǫ. 17

Reálný Schurův rozklad Věta o spektrálním rozkladu pro reálné symetrické matice Nechť A je reálná symetrická matice. Potom existují ortogonální matice U a reálná diagonální matice D takové, že D = U T AU. A je reálná symetrická existuje reálný Schurův rozklad. A reálná Schurův rozklad obecně komplexní. Snaha přechod do komplexní aritmetiky co nejvíce oddálit. Je-li A reálná, snažíme se přiblížit Schurovu rozkladu a zároveň zachovat reálné faktory. 19

Reálný Schurův rozklad Definice: Čtvercová matice T je horní kvazi-trojúhelníková, pokud je blokově horní trojúhelníková, kde každý blok na hlavní diagonále je buď 1 1 nebo 2 2, T 1,1 T 1,2... T 1,m 0 T 2,2 T 2,m T =......... 0... 0 T m,m Reálný Schurův rozklad pro obecné pro reálné matice Nechť A je reálná čtvercová matice. Potom existují ortogonální U a reálná kvazi-trojúhelníková T takové, že T = U T AU. Navíc vlastní čísla každého 2 2 diagonálního bloku matice T tvoří komplexně sdružený pár. 20

Funkce matic pro normální matice Jak vhodně zobecnit funkci f :C C na funkci, která dané matici A C n n přiřadí matici f(a) stejné dimenze? Nechť A je normální a f je analytická. Pak je možné definovat funkci matice pomocí Taylorovy řady f(z) = i=0 f (i) (0) i! z i, kde za proměnnou z dosadíme matici A, tj. ( f (i) (0) f(a) A i f (i) (0) = U i! i! i=0 i=0 = Uf(D)U = U f(λ 1 ) D i )... f(λn) U U. 22

Funkce matic pro obecné matice Lze definovat např. pomocí Jordanova kanonického tvaru s r bloky velikosti n 1,..., n r jako f(a) Sf(J)S 1 = S diag(f(j n1 (λ 1 )),..., f(j nr (λ r ))) S 1. Co je to f(j nj (λ j ))? Pomocí Taylorovy řady rozvinuté v λ j lze ukázat f(λ j ) f (λ j )... (n j 1)!. f(λ j )... f(j nj (λ j )) =... f (λ j ) f(λ j ) f (n j 1) (λ j ). 23

Cvičení 2.4 Nechť U C n n je unitární matice. Dokažte, že pro všechny vektory x C n, y C n platí Ux, Uy = x, y, Ux = x. 2.5 Dokažte větu: Čtvercová matice je unitární právě tehdy, když je normální a její vlastní čísla leží na jednotkové kružnici. Čtvercová matice je hermitovská právě tehdy, když je normální a všechna její vlastní čísla jsou reálná. 2.6 Dokažte přímo z definice generované maticové normy, že pro matice λ i u i u i, platí λ iu i u i = λ i. Jak vypadají prvky matice u i u i a jaká je její hodnost? 25

Cvičení 2.7 Ukažte pomocí spektrální věty o normálních maticích aplikované na matici A A, že spektrální normu libovolné matice A C n m lze vypočítat pomocí vzorce A = (A A) 1/2, kde (B) označuje spektrální poloměr matice B. 2.9 Ukažte, že pro unitární matici U C n n a libovolnou matici A C n n platí U = 1, U = 1, UA = A, AU = A, UA F = A F, AU F = A F. 2.10 Dokažte, že pro normální matici A platí n A 2 F = λ i 2, kde sp(a) = {λ 1,..., λ n }. i=1 26