Vyučující: Jan Chleboun, místnost B-305, linka 3866 Konzultace: čtvrtek 13:00-14:40 nebo dle dohody

Podobné dokumenty
Vyučující: Jan Chleboun, místnost B-305, linka 3866 Konzultace: úterý 14:00-15:40 nebo dle dohody

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

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

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

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

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

Vlastní číslo, vektor

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

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

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

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.

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

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

Arnoldiho a Lanczosova metoda

Základy matematiky pro FEK

2.6. Vlastní čísla a vlastní vektory matice

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

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

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

Vlastní čísla a vlastní vektory

Matematika B101MA1, B101MA2

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Linearní algebra příklady

Vlastní čísla a vlastní vektory

Vlastní čísla a vlastní vektory

Aplikovaná numerická matematika - ANM

NALG 001 Lineární algebra a geometrie 1, zimní semestr MFF UK Doba řešení: 3 hodiny

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

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

stránkách přednášejícího.

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

Operace s maticemi. 19. února 2018

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Algoritmus pro hledání vlastních čísel kvaternionových matic

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

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

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Vlastní čísla a vlastní vektory

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

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

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.

Podobnostní transformace

Úvod do lineární algebry

Čtvercové matice. Čtvercová matice je taková matice, jejíž počet řádků je roven počtu jejích sloupců

Co je obsahem numerických metod?

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Soustavy linea rnı ch rovnic

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 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:

0.1 Úvod do lineární algebry

Operace s maticemi

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

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

Teorie náhodných matic aneb tak trochu jiná statistika

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

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

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

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

Simulace (nejen) fyzikálních jevů na počítači

Kapitola 11: Vektory a matice:

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

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

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

(u, v) u. v. cos φ =

Soustavy lineárních rovnic

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Soustavy lineárních rovnic

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

ČTVERCOVÉ MATICE. Čtvercová matice je taková matice, kde počet řádků je roven počtu jejích sloupců. det(a) značíme determinant čtvercové matice A

Nelineární optimalizace a numerické metody (MI NON)

0.1 Úvod do lineární algebry

8 Matice a determinanty

)(x 2 + 3x + 4),

15 Maticový a vektorový počet II

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

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

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

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

Lineární algebra : Vlastní čísla, vektory a diagonalizace

AVDAT Vektory a matice

7. Lineární vektorové prostory

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

Numerické metody lineární algebry

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

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

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.

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Úlohy nejmenších čtverců

Matematika 2 pro PEF PaE

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

CHARAKTERISTICKÉ VEKTORY

Transkript:

Předmět: MA04 Vyučující: Jan Chleboun, místnost B-305, linka 3866 (jan.chleboun@cvut.cz) Konzultace: čtvrtek 13:00-14:40 nebo dle dohody Sledovat informace na webových stránkách vyučujícího (o zkoušce, část studijních materiálů aj.): stránka FSv ČVUT katedra matematiky Chleboun nebo http://mat.fsv.cvut.cz/chleboun/ Hlavní literatura zdroje na webové stránce přednášejícího skripta O. Zindulka: MA 3 skripta K. Rektorys: MA 43 (knihovna)

Volitelný předmět: Seminář k Matematice 4 (101XSM4) Více informací na webu. Kdy a kde: středa 14:00 15:40, B-368. 10 0 Jacobiova metoda 10 0 Gaussova Seidelova metoda max norma max norma 10 5 10 10 10 10 10 0 10 10 10 20 norma rezidua norma chyby 0 500 1000 1500 Cislo iterace Superrelaxacni metoda (SOR) norma rezidua norma chyby 0 20 40 60 80 Cislo iterace max norma max norma 10 5 10 10 10 15 10 0 10 10 10 20 norma rezidua norma chyby 0 200 400 600 Cislo iterace Metoda sdruzenych gradientu norma rezidua norma chyby 0 5 10 15 Cislo iterace

Magisterské studium náročnější úroveň než bak. studium Bakalář jak? Inženýr jak a proč? Matematika řešení příkladů Cíl předmětu: Trocha matematické teorie stojící za řešením úloh, s nimiž se setkáte i v jiných předmětech (NAK). Připomenutí matematických souvislostí. Částečné opakování. Procvičení mozku; abstraktní myšlení. Rozšíření obzorů. Základy mostu dorozumění při spolupráci s odborníky, kteří hovoří náročnějším matematickým jazykem (absolventi FJFI ČVUT, MFF UK aj.).

Má to smysl? V životě někdy rozhodují maličkosti. Drobná znalostní převaha může způsobit, že najdete místo nebo si ho udržíte. Možná ponesete odpovědnost za projekty s důležitým podílem výpočtů. I když na výpočty budete mít odborníky, úspěch projektu a vaše postavení ve firmě bude záviset na tom, zda s nimi budete schopni odborně spolupracovat. (Příběh přehrady Orlík.) Častá námitka: Proč se zatěžovat teorií nebo základy elementárních numerických metod, když technické úlohy stejně počítáme skvělým komerčním programem? (Protože černé skříňky jsou nebezpečné. Sleipner, 1991) Diplom by měl být určitou zárukou schopností absolventa.

Příběh Orlík: Jak rychle betonovat? Uměle chladit? www.czechcarp.cz/images/orlik.jpg The University of Texas at Austin Matematické modelování (1953-1956): skupinu vedl Ivo Babuška ( 1926, stavební inženýr ČVUT 1949, MÚ ČSAV, od 1968 v USA, čestný doktorát ČVUT 2007); snad až 3 000 000 aritmetických operací na ručních kalkulačkách. Zásadní význam měla spolupráce s (prof. dr.) ing. Ladislavem Mejzlíkem (DrSc.) (1922-2002, absolvent ČVŠT v Brně). Obě strany si navzájem rozuměly!!!

Příběh Sleipner: kolaps vrtné plošiny pro těžbu ropy z mořského dna, 1991, škoda USD 700 000 000. https://www.ima.umn.edu/ arnold/disasters/sleipner.html

S chutí do práce.

Komplexní čísla (množinu všech komplexních čísel značíme C) Imaginární osa b α r Reálná osa z=a+ib a z = a+ib z = r(cosα+i sinα) = re iα r = z = a 2 + b 2 a cosα = a 2 + b 2 b sinα = a 2 + b 2 Číslo z = a ib je komplexně sdružené k číslu z = a+ib, w + z = w + z a wz = w z. Počítání s komplexními čísly dle obvyklých pravidel algebry a s využitím vztahu i 2 = 1.

Vlastní čísla a vlastní vektory matic Nechť A je čtvercová matice. Nenulový sloupcový vektor x se nazývá vlastní vektor matice A, platí-li Ax = λx pro nějaké číslo λ C. Toto λ se nazývá vlastní číslo matice A odpovídající vlastnímu vektoru x. λ je vlastní číslo matice A (právě tehdy, když) λ je kořenem charakteristického polynomu matice A, tj. det(a λi) = 0. Návod pro výpočet vl. čísel malé matice! Kořeny mohou být násobné i komplexní (čísla). Vl. vektor(y) odpovídající vl. č. λ získáme vyřešením soustavy lin. alg. rovnic (A λi)x = 0. Počet lineárně nezávislých vl. vektorů může být menší než počet vl. čísel (braných s násobností). Využití: vlastnosti metod NLA, řešení soustav LODR Ẋ = AX + b, hlavní směry napětí a hlavní napětí, vlastní frekvence a vlastní tvary kmitání, Google...

Nechť A je čtvercová matice (reálná nebo komplexní). Matice A je singulární (tj. neexistuje A 1, regulární: existuje A 1 ) právě tehdy, když má vlastní číslo 0. (λ, x) vlastní pár matice A = (λ 2, x) vlastní pár matice A 2. Existuje-li A 1, je (λ, x) vlastním párem matice A právě tehdy, když (1/λ, x) je vlastním párem matice A 1 (tj. A i A 1 mají stejné vlastní vektory). Je-li (λ, x) vlastní pár reálné matice A, pak také ( λ, x) je vlastním párem matice A. Reálná nesymetrická matice může mít komplexní vl. čísla a vektory! Je-li A reálná a symetrická, pak všechna její vlastní čísla jsou reálná a vlastní vektory odpovídající různým vlastním číslům jsou navzájem kolmé. n i=1 λ i = tr A, kde tr A = n i=1 a n ii, i=1 λ i = det A

Definice Množina všech vlastních čísel matice se nazývá spektrum matice. Spektrum matice A budeme označovat σ(a). Definice Reálnému číslu (A) = max{ λ : λ σ(a)} říkáme spektrální poloměr matice A.

Geršgorinova věta Nechť A = (a ij ) je komplexní nebo reálná čtvercová matice n-tého řádu, tj. typu (n, n). Potom všechna vlastní čísla matice A leží v komplexní rovině ve sjednocení n i=1 K i kruhů K i o středu a ii a poloměru n j=1, j i a ij : n K i = z C : a ii z a ij, i = 1, 2,...,n. j=1, j i V každé komponentě tohoto sjednocení leží právě tolik vlastních čísel matice A, z kolika kruhů tato komponenta vznikla. Speciálně v izolovaném kruhu leží právě jedno vlastní číslo.

Příklad Je dána matice 1 0 5 A = 0 2 0. 2 0 3 Pomocí Geršgorinovy věty zjistěte, a) zda je zaručeno, že matice A je regulární; b) zda by číslo 4+2i mohlo být vlastním číslem matice A; c) zda by číslo 4+2i mohlo být vlastním číslem matice A. Odhadněte spektrální poloměr. Vypočtěte vlastní čísla, spektrální poloměr, případně vlastní vektory.

Řešení: Spočtěme vlastní čísla a porovnejme s odhady danými Geršgorinovými kružnicemi. 1 λ 0 5 det(a λi) = det 0 2 λ 0 2 0 3 λ Kořeny, tj. vlastní čísla = (1 λ)(2 λ)(3 λ)+10(2 λ) = (2 λ)(3 4λ+λ 2 + 10) = (2 λ)(λ 2 4λ+13) det(a λi) = 0 λ 1 = 2+3i, λ 2 = 2 3i, λ 3 = 2

G. kruznice, vl. císla λ, spektr. polomer, jeho h. odhad 6 4 Imaginární osa 2 0 2 λ 1 S 1 S 2 S 3 λ 3 4 λ 2 6 6 4 2 0 2 4 6 Reálná osa a) G. věta regulárnost nezaručí (vypočtená vl. čísla ano). b) Ne (stačí G. věta). c) G. věta připouští, že mohlo. Spektrální poloměr přesný (A) = 13, odhadnutý dle G. věty Geršgorin (A) = 6,

Vlastní vektory: řešíme (A λi)v = (0, 0, 0) T λ 1 = 2+3i 1 3i 0 5 10 0 5 15i 0 3i 0 0 3i 0 2 0 1 3i 10 0 5+15i 2 0 1 3i 0 3i 0 v 1 = 1 3i 0 r, r C\{0} 0 0 0 2 Zkouška: Av 1 = λ 1 v 1 1 0 5 0 2 0 1 3i 0 = 11 3i 0 a (2+3i) 1 3i 0 = 11 3i 0 2 0 3 2 4+6i 2 4+6i

1 0 5 0 λ 1 = 2 0 0 0 v 1 = 1 p, p C\{0} Zk. 2 0 1 0 1+3i 0 5 10 0 5 15i λ 2 = 2 3i 0 3i 0 0 3i 0 2 0 1+3i 10 0 5+15i 2 0 1 3i 0 3i 0 0 0 0 1+3i v 2 = 0 2 q, q C\{0} Zk.

Příklad Je dána matice 1+3i 1+i 2/(1+i) A = 1/2 3 2i (1+i)/i. 2i (1+i)/2 3i Pomocí Geršgorinovy věty zjistěte, a) zda je zaručeno, že matice A je regulární; b) zda by číslo 2+3i mohlo být vlastním číslem matice A; c) zda by číslo 3 2i mohlo být vlastním číslem matice A; d) zda by číslo 2/5 i/5 mohlo být vlastním číslem matice A 1. Odhadněte spektrální poloměr. Geršgorinovy kruhy Kruh K 1 : S 1 = [1, 3], r 1 = 2 2 < 3 Kruh K 2 : S 2 = [3, 2], r 2 = 1 2 + 2 < 2 Kruh K 3 : S 3 = [0, 3], r 3 = 2+ 2 2 < 3

G. kruznice, vl. cisla λ, spektr. polomer, jeho h. odhad 6 4 λ 1 S 1 Imaginární osa 2 0 2 S 3 S 2 λ 3 4 λ 2 6 4 2 0 2 4 6 Reálná osa a) ano b) ano c) ne, protože 3 2i ( 3i) = 3+i = 10 > 3 1 d) ne, neboť = 2+i nemůže být vl. č. matice A. 2/5 i/5