Cvičení 5 - Inverzní matice

Podobné dokumenty
Operace s maticemi

Aplikovaná numerická matematika - ANM

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Lingebraické kapitolky - Počítání s maticemi

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

Operace s maticemi. 19. února 2018

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

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

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:

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

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

0.1 Úvod do lineární algebry

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

0.1 Úvod do lineární algebry

1 Determinanty a inverzní matice

Matice přechodu. Pozorování 2. Základní úkol: Určete matici přechodu od báze M k bázi N. Každou bázi napíšeme do sloupců matice, např.

Determinant matice řádu 5 budeme počítat opakovaným použitím rozvoje determinantu podle vybraného řádku nebo sloupce. Aby byl náš výpočet

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Součin matice A a čísla α definujeme jako matici αa = (d ij ) typu m n, kde d ij = αa ij pro libovolné indexy i, j.

Numerické metody a programování. Lekce 4

[1] LU rozklad A = L U

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

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

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.

Soustavy lineárních rovnic

Cvičení z Numerických metod I - 12.týden

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

Princip řešení soustavy rovnic

Soustavy linea rnı ch rovnic

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

Matematika B101MA1, B101MA2

Co je obsahem numerických metod?

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

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Úlohy nejmenších čtverců

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Řešení. Hledaná dimenze je (podle definice) rovna hodnosti matice. a a 2 2 1

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

AVDAT Vektory a matice

D 11 D D n1. D 12 D D n2. D 1n D 2n... D nn

Numerické metody a programování

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

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

1 Vektorové prostory.

Matematika 2 pro PEF PaE

8 Matice a determinanty

Matice se v některých publikacích uvádějí v hranatých závorkách, v jiných v kulatých závorkách. My se budeme držet zápisu s kulatými závorkami.

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

Univerzitní licence MATLABu. Pište mail na: se žádostí o nejnovější licenci MATLABu.

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

Soustavy lineárních rovnic

JčU - Cvičení z matematiky pro zemědělské obory (doc. RNDr. Nýdl, CSc & spol.) Minitest MT4

Soustavy lineárních rovnic

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

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

Úvod do lineární algebry

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

12. Determinanty. 12. Determinanty p. 1/25

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

Arnoldiho a Lanczosova metoda

Stavový model a Kalmanův filtr

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

Kolik existuje různých stromů na pevně dané n-prvkové množině vrcholů?

15 Maticový a vektorový počet II

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Lineární algebra : Změna báze

Numerická matematika 1

[1] Determinant. det A = 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici

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

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Matice. študenti MFF 15. augusta 2008

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

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

5. Maticová algebra, typy matic, inverzní matice, determinant.

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

1 Řešení soustav lineárních rovnic

Program SMP pro kombinované studium

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Dosud jsme se zabývali pouze soustavami lineárních rovnic s reálnými koeficienty.

Obecná úloha lineárního programování

Symetrické a kvadratické formy

pro řešení soustav lineárních rovnic. Gaussova eliminační metoda pro řešení soustavy lineárních rovnic sestává ze dvou kroků:

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

Odpřednesenou látku naleznete v kapitolách skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

SOUČIN MATIC A m n B n p = C m p, přičemž: a i1 b 1j +a i2 b 2j + +a in b nj = c ij, i=1 m, j=1 p. Např: (-2) = -3

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

Číselné vektory, matice, determinanty

Vlastní číslo, vektor

Skalár- veličina určená jedním číselným údajem čas, hmotnost (porovnej životní úroveň, hospodaření firmy, naše poloha podle GPS )

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Základy matematiky pro FEK

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

Kapitola 11: Vektory a matice:

Transkript:

Cvičení 5 - Inverzní matice Pojem Inverzní matice Buď A R n n. A je inverzní maticí k A, pokud platí, AA = A A = I n. Matice A, pokud existuje, je jednoznačná. A stačí nám jen jedna rovnost, aby platilo, že matice je inverzní. Platí:. (A = A 2. (A T = (A T 3. (αa = α A pro 0 4. (AB = B A Příklad 0: Proč platí vlastnost 4.? Řešení: To je díky tomu, že (AB(B A = A(BB A = AA = I n Ze stejných důvodů platí (ABC = C B A. Příklad : Dejme tomu, že ještě nevíme, jak počítat inverzi. Spočítejte inverzní matici k matici ( 2 3 A = 4 4 Řešení: Podíváme se, co vlastně chceme ( ( 2 3 a b = 4 4 c d ( 0 0 Podle definice maticového násobení nám to vede na rovnice 2a 3c = 2b 3d = 0 4a + 4c = 0 4b + 4d = b = 3 2 d a = c

Což po vyřešení dává koeficienty a, b, c, d, a z nich dostaneme matici ( A 3 = 5 20 5 0 Pokud úplně stejným způsobem budeme chtít spočítat inverzní matici pro matici ( α β A = γ δ Dostaneme A = αδ βγ pro αδ βγ 0. Z čehož nám vyplývají dvě věci: ( δ β γ α. Změna jednoho koeficientu v původní matici se promítne všech koeficientů inverzní matice 2. A naopak koeficient v inverzní matici závisí na všech koeficientech v původní matici Z toho vyplývá, že inverzní matice je numericky nestabilní a numerikové ji neradi používají. Naštěstí jen v málo případech je potřeba počítat přímo inverzi, lze ji často obejít, například řešením soustav rovnic. Jak tedy počítat inverze pro větší matice? Například Gauss-Jordanovou eliminací. Historické okénko Wilhelm Jordan (842-899 Pozor nikoli Camille Jordan (Jordanův normální tvar matice, žili současně profesor geodézie na vysokém technickém učení v Karlsruhe současně s touto eliminací přišel i jeden francouz Jordan ji publikoval v roce 888 Pojem Regulární matice Čtvercová matice A řádu n je regulární Ax = 0 má pouze triviální řešení A má hodnost = n k A existuje inverzní matice. Pojem Matice elementárních úprav Elementární řádkové úpravy na matici A lze vyjádřit jako násobení A nějakou maticí zleva, sloupcové úpravy pak násobením stejnou maticí zprava. Matice elementárních úprav E jsou regulární, a tedy pokud A je regulární, pak EA je také regulární. Například díky 2

existenci inverzní matice A E. Ukážeme si jak vypočítat inverzní matici a dvě zdůvodnění proč to platí. Začínáme s maticí (A I, kde A je matice, kterou chceme invertovat a I je jednotková matice odpovídajících rozměrů. Provádíme na obou maticích zároveň řádkové úpravy dokud to jde anebo dokud nepřevedeme matici A do RREF tvaru, tedy pokud jsme došli do konce ten bude jednotková matice. Na pravé straně pak stojí inverzní matice k naší A. Proč to ale platí? Ukážeme dvě vysvětlení: Z přednášky víme, že řádkové úpravy jdou reprezentovat jako násobení původní matice zprava odpovídajícími regulárními maticemi. Budeme je značit E i pro i-tou řádkovou operaci. V matici to pak bude vypadat takto ( ( A I E A E I ( E 2 E A E 2 E I ( Ek... E 2 E }{{} A B E k... E 2 E I }{{} B Poslední matice odpovídá matici (I B, kde B = E k... E 2 E I. No ale pokud se podíváme na levou část této matice, zjistíme, že je to matice BA. Pokud bychom chtěli být důslední, řekli bychom, že to plyne z asociativity násobení matic a sice, že platí E k (... (E 2 (E A... = (E k... E 2 E A. Po vynásobení AB dává jednotkovou matici, B je tedy hledaná inverzní matice. 2 Můžeme úlohu rozkouskovat po jednotlivých sloupečcích. Budeme hledat nejprve jeden i-tý sloupeček inverzní matice B k matici A. Řešíme rovnici Ax i = e i, kde e i je i-tý sloupec jednotkové matice I a x i je vektor. Soustavu budeme řešit Gauss- Jordanovou eliminací. V G-J eliminaci máme na levé straně jednotkovou matici, pokud je původní matice A regulární, takže na pravé straně se nám rovnou objeví řešení soustavy. Je jasně vidět, že když tento postup provedeme pro všechny sloupce i spočítáme postupně inverzní matici. Bude nám platit (a kdo to nevidí, má opět smůlu! A x... x n = e... e n Co nám ale brání, abychom G-J eliminaci provedli pro všechny sloupce najednou? Nic! Můžeme je dát do matice, která bude mít několik pravých stran všechny jednotkové vektory z jednotkové matice (A I, pokud to lze, zeliminujeme na (I B a nyní by již mělo být jasné, proč B je inverzní matice k A. 3

Příklad 2: Najděte inverzní matici k matici A = 2 3 3 3 2 Řešení: Úpravy jsou zřetelné z matic 0 0 0 0 2 3 3 0 0 0 2 0 3 2 0 0 3 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 3 2 tedy A = 3 0 3 2 Správnost ověříme vynásobením A A. 0 0 0 0 0 0 3 2 0 0 3 0 0 0 0 0 3 2 Příklad 3: Najděte matici X splňující X = AX + B, pro matice 0 0 2 A = 0 0, B = 2 0 0 0 3 3 0 0 0 2 0 0 2 0 0 4 2 0 0 0 0 3 2 Řešení: Stačí nahlédnout, že X = (I A B = 0 0 0 2 2 3 3 = 2 4 2 3 3 Příklad 4: Jak vypadá inverzní matice k diagonální matici? 4

Řešení: Musí zaprvé platit pro původní matici d ii 0, pak inverzní matice vypadá takto: d... 0 d... 0..... =..... 0... d nn 0... d nn Příklad 5: Existuje nějaká nediagonální matice tž. A = A? Řešení: ( ( 0 A =, A 0 2 =. 0 Maticová inverze je hezký teoretický nástroj, který se nám bude hodit v důkazové technice. A později si ukážeme ještě spoustu pěkných výsledků spojených s maticovou inverzí. V praktickém počítání se jí však snažíme vyhnout. Jak jsme totiž viděli výše, maličká změna jednoho koeficientu matice A se promítně do všech koeficientů matice A. Proto soustavu Ax = b typicky neřešíme jako x = A b (samozřejmě pokud je A regulární. Jacobiho metoda Naproti tomu při počítání řešení soustavy můžeme využít, že se inverzní matice k některým maticím počítá snadno. Viz třeba diagonální matice a příklad 4. Ukážeme si tzv. iterační metodu pro řešení soustavy rovnic, konkrétně Jacobiho metodu. Pokud máme nějakou soustavu Ax = b můžeme si matici a přepsat jako A = E + D + F, kde E je horní trojúhelníková, D je diagonální matice, F je dolní trojúhelníková. Prostě roztrhnu původní matici na horní trojúhelník a dám ji do matice E, pak vezmu diagonálu a dám ji do matice D a podobně s maticí F. Celou soustavu můžeme přepsat jako A to se dá upravit jako Dále jako Vytvoříme z této formule iterační vzorec (E + D + F x = b. Dx = (E + F x + b. x = D (E + F x + D b. x k+ = D (E + F x k + D b. Kde začneme s nějakým x 0 jako počátečním odhadem vektoru řešení (třeba samé jedničky a další x vypočítáme podle předchozího předpisu. Pokud jsou matice se kterými pracujeme rozumné (chovají se numericky dobře daný algoritmus by měl zkonvergovat do ekvilibria kdy pro nějaké k platí x k = x k+. Typicky to může trvat mnoho iterací, a nemusí nikdy 5

skončit díky chybám v zaokrouhlováních na počítači, proto často končíme když jsou nějaká dvě po sobě jdoucí řešení blízká. Jinými slovy pro nějaké předem zvolené ɛ > 0. x k+ x k < ɛ, 6