Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Inverz matrike Racunanje
Transcription
Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Inverz matrike Racunanje
Matrike Inverz matrike Inverz matrike ˇ za matriko A ∈ Rn×n obstaja taka matrika B ∈ Rn×n , da je Ce AB = BA = In , pravimo, da je matrika A obrnljiva, matrika B pa inverz matrike A. Inverz matrike A oznaˇcimo z A−1 . Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrika A ∈ Rn×n je obrnljva natanko tedaj, ko je det(A) 6= 0. ˇ je matrika A ∈ Rn×n obrnljiva, je obrnljiva tudi matrika Ce A−1 in velja (A−1 )−1 = A. ˇ Matjaˇz Zeljko BF – Biologija 12. teden ˇ sta matriki A, B ∈ Rn×n obrnljivi, je obrnljiva tudi matrika Ce AB ∈ Rn×n in velja (Zadnja sprememba: 30. maj 2011) (AB)−1 = B −1 A−1 . 1 ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) ˇ Matjaˇz Zeljko 2 Inverz matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Inverz matrike Raˇcunanje inverza s pomoˇcjo Gaussove eliminacije Naj bo A ∈ Rn×n dana matrika. Iˇscˇ emo matriko X AX = I. Skratka x11 . . . x1n 1 a11 . . . a1n .. .. = .. .. · .. . . . . . Za poljubni matriki A, B ∈ Rn×n velja produktna formula za determinante det(AB) = det(A) det(B). | ˇ je A obrnljiva matrika, velja Ce 1 det(A−1 ) = . det(A) xn1 . . . xnn an1 . . . ann {z } | {z } A X ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) ... 0 . . .. . . . 0 ... 1 | {z } I ˇ z xj oznaˇcimo j-ti stolpec matrike X , z bj pa j-ti stolpec Ce matrike I, vidimo, da je v gornji matriˇcni enaˇcbi pravzaprav skritih n sistemov enaˇcb: Axj = bj , 3 ∈ Rn×n , da bo 4 ˇ Matjaˇz Zeljko j = 1, 2, . . . , n. Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Inverz matrike Matrike Ker imajo sistemi enaˇcb Axj = bj , j = 1, 2, . . . , n, isto matriko ˇ torej matriko A koeficientov, jih lahko reˇsujemo hkrati. Ce razˇsirimo desno z identiˇcno matriko I, tj. a11 a12 . . . a1n 1 0 . . . 0 a21 a22 . . . a2n 0 1 . . . 0 [A|I] = . .. .. . . .. , .. .. .. . . . . . . Zgled Izraˇcunaj inverz matrike A = [A|I] = in s pomoˇcjo Gaussove eliminacije preoblikujemo to matriko v 1 0 . . . 0 b11 b12 . . . b1n 0 1 . . . 0 b21 b22 . . . b2n [I|B] = . . . .. .. .. , .. . . . . . . . . . . [A|I] ∼ Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 1 0 1 4 0 −5 −2 1 A 6 Inverz matrike . ∼ 0 1 4 1 2 0 1 5 − 15 −1 = − 53 2 5 ˇ Matjaˇz Zeljko 4 5 − 15 ∼ 1 0 − 35 2 0 1 5 4 5 − 15 . Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike 1 0 1 Izraˇcunaj inverz matrike A = −1 2 −1 . 2 −3 1 Inverz matrike ˇ Vrnimo se sˇ e enkrat k sistemu enaˇcb Axj = bj , j = 1, 2, . . . , n. Ce piˇsemo x1j x2j xj = . , . . xnj Raˇcunajmo 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 ∼ 0 1 1 0 ∼ 0 1 2 0 [A|I] ∼ 0 2 2 0 1 3 0 −3 −1 −2 0 1 0 0 −1 − 2 2 1 3 0 0 1 0 1 1 1 0 0 12 1 2 1 1 0 ∼ 0 1 0 12 ∼ 0 1 0 12 0 . 2 2 1 3 1 3 0 0 1 2 − 2 −1 0 0 1 2 − 2 −1 7 1 4 1 0 2 3 0 1 Raˇcunanje inverza s pomoˇcjo Cramerjevega pravila Zgled Torej je Torej je A−1 . ˇ Matjaˇz Zeljko Sledi 0 0 . . . 1 bn1 bn2 . . . bnn 5 1 4 . 2 3 Razˇsirjena matrika je an1 an2 . . . ann 0 0 . . . 1 je B = Inverz matrike A−1 = 1 2 1 2 1 2 ˇ Matjaˇz Zeljko 3 2 1 2 − 23 1 0 . −1 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) lahko po Cramerjevem pravilu zapiˇsemo xij = det(Bij ) , det(A) kjer je matrika Bij enaka matriki A, v kateri smo i-ti stolpec zamenjali s stolpcem bj . Torej je det(Bij ) = (−1)i+j det Aji , kjer je Aji poddeterminanta elementa aji v matriki A. 8 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) . Matrike Inverz matrike Matrike Zgled Izrek ˇ je det(A) 6= 0, je Ce Izraˇcunaj inverz matrike A = A−1 = 1 e T (A) , det A Torej je Opomba. V raˇcunski praksi skoraj vedno raˇcunamo inverz matrike s pomoˇcjo Gaussove eliminacije, saj bi morali pri raˇcunanju inverza s pomoˇcjo prirejenke izraˇcunati n2 + 1 determinant reda (n − 1) × (n − 1). ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Zgled A Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) ˇ Matjaˇz Zeljko 1 = −5 3 −2 −4 1 T 1 = −5 ˇ Matjaˇz Zeljko 10 Matrike 2 −1 −3 1 0 1 e A= − −3 1 0 1 2 −1 1 0 1 Izraˇcunaj inverz matrike A = −1 2 −1 . 2 −3 1 11 −1 Inverz matrike Za matriko A je 1 0 1 2 −1 + 1 −1 2 det(A) = −1 2 −1 = 1 2 −3 −3 1 2 −3 1 = 1 · (−1) + 1 · (−1) = −2. Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 1 4 . 2 3 Za matriko A je det(A) = −5 in 3 −2 e A= . −4 1 e prirejenka matrike A, torej matrika z elementi kjer je A e = [(−1)i+j det Aij ], kjer je Aij matrika, ki jo dobimo iz matrike A A, tako, da v njej odstranimo i-to vrstico in j-ti stolpec. 9 Inverz matrike Torej je = A−1 12 3 −4 −2 1 = − 35 2 5 4 5 − 51 . Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Inverz matrike −1 −1 −1 2 − 2 −3 2 1 1 1 − 1 0 2 1 2 −3 1 0 1 − 1 − −1 −1 −1 2 −1 −1 −1 = −3 −1 3 . −2 0 −2 T −1 −1 −1 −1 −3 −2 1 1 −3 −1 3 = −1 −1 0 = = −2 −2 −2 0 −2 −1 3 −2 1 3 1 2 2 1 1 = 0 . 2 2 1 3 2 − 2 −1 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Inverz matrike Matrike Inverz matrike je tesno povezan z reˇsevanjem sistemov enaˇcb. Recimo, da imamo linearen sistem n enaˇcb z n neznankami, ki ga v matriˇcni obliki zapiˇsemo kot Zgled Naj bo A = enaˇcbo Ax = b. ˇ je detA 6= 0, obstaja Ce A−1 . Torej je x =A −1 ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike = A−1 b oziroma b. 15 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) AX X 14 Inverz matrike 3 2 . Reˇsi matriˇcno 1 −1 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) = 7I − B 2 , = A−1 (7I − B 2 ). ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Inverz matrike ˇ Matrika 2. nacin jo z X je razseˇznosti 2 × 2. Oznaˇcimo 2a − 5c 2b − 5d a b , lahko . Ker je AX = X= −a + 3c −b + 3d c d enaˇcbo AX = 7I − B 2 zapiˇsemo v obliki 2a − 5c 2b − 5d −4 −4 = . −a + 3c −b + 3d −2 4 Iz enakosti gornjih matrik razberemo dva sistema enaˇcb: 2a − 5c = −4, −a + 3c = −2; 2b − 5d = −4, −b + 3d = 4. 3 5 −4 −4 −22 8 · = . 1 2 −2 4 −8 4 ˇ Matjaˇz Zeljko in B = AX + B 2 = 7I, Torej je X = A−1 (7I − B 2 ) = ˇ Enaˇcbo najprej preoblikujemo 1. nacin Po vrsti izraˇcunamo 3 2 3 2 11 4 2 B = · = , 1 −1 1 −1 2 3 1 0 11 4 −4 −4 2 7I − B = 7 · − = , 0 1 2 3 −2 4 2 −5 = 1, det(A) = −1 3 −1 3 5 2 −5 −1 = A = . 1 2 −1 3 2 −5 −1 3 AX + B 2 = 7I. A−1 Ax Sistem je torej enoliˇcno reˇsljiv. Njegovo reˇsitev izraˇcunamo tako, da najprej izraˇcunamo A−1 , nato pa matriko A−1 ∈ Rn×n pomnoˇzimo z matriko b ∈ Rn×1 in dobimo x ∈ Rn×1 . 13 Inverz matrike Iz prvih dveh enaˇcb sledi c = −8 in a =−22, iz drugih dveh pa −22 8 d = 4 in b = 8. Torej je X = . −8 4 16 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Inverz matrike Matrike Inverz matrike Raˇcunajmo Zgled Naj bo A = 1 −2 3 1 in B = a b a b 1 −2 AX + XA = + = c d c d 3 1 a − 2c b − 2d a + 3b −2a + b = + = 3a + c 3b + d c + 3d −2c + d 2a + 3b − 2c −2a + 2b − 2d 5 0 , = = 5 −1 3a + 2c + 3d 3b − 2c + 2d 5 0 . Reˇsi matriˇcno enaˇcbo 5 −1 AX + XA = B. Ker matriˇcno mnoˇzenje ni komutativno, iz izraza AX + XA ne moremo izpostaviti matrike X . Torej nam preostane le, da a b zapiˇsemo X = in iz enakosti AX + XA = B razberemo c d sistem 4 linearnih enaˇcb s 4 neznankami. 1 −2 3 1 od koder sledi 2a + 3b − 2c = 5 −2a + 2b − 2d = 0 3a + 2c + 3d = 5 3b − 2c + 2d = −1. ˇ Matjaˇz Zeljko 17 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Inverz matrike 5 1 0 0 1 ∼ 0 0 0 0 Torej je 0 0 1 0 5 16 5 −4 0 2 0 1 . 0 1 1 −1 X= 19 0 0 0 ˇ Matjaˇz Zeljko 2 1 1 −1 ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Uporabimo Gaussovo eliminacijo na razˇsirjeni matriki sistema: 5 3 0 1 2 3 −2 0 5 2 −1 2 0 −2 2 0 5 −2 −2 5 0 −2 e = ∼ ∼ A 9 5 3 0 5 0 −2 2 3 5 3 −2 0 3 −2 2 −1 0 3 −2 2 −1 5 1 1 0 − 25 − 53 1 0 0 − 34 4 5 0 1 0 −1 0 1 −2 −2 1 5 5 4 4 ∼ ∼ ∼ 16 6 3 5 0 0 2 0 0 1 0 0 − 45 18 8 7 2 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Inverz matrike Simultano reˇsevanje sistemov Matriˇcna enaˇcba AX = B, kjer sta A, B ∈ Rn×n dani matriki, det(A) 6= 0, ima reˇsitev X = A−1 B. Ali lahko do te reˇsitve pridemo brez mnoˇzenja matrik A−1 in B? Matrika B sestoji iz n stolpcev b1 , . . . , bn in le neznanke iz prvega stolpca matrike X so zajete v tistih enaˇcbah iz AX = B, ki vsebujejo elemente prvega stolpca matrike B. Torej lahko sistem AX = B obravnavamo kot n sistemov oblike Axi = bi , kjer je xi ravno i-ti stolpec matrike X , bi pa i-ti stolpec matrike X . Gaussov postopek lahko v tem primeru shematiˇcno zapiˇsemo kot [A|bi ] ∼ [I|xi ]. 8 − 72 Ker pa pri vseh sistemih na levi strani nastopa ista matrika, lahko reˇsitve zdruˇzimo in dobimo . Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) [A|B] ∼ [I|X ]. 20 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Inverz matrike Matrike Zgled −1 1 2 0 3 −4 Naj bo A = 2 −1 3 in B = 7 13 −5 . Reˇsi −3 2 1 −5 −4 −3 matriˇcno enaˇcbo AX = B. Uporabimo prijem [A|B] ∼ [I|X ]. 21 ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 22 Vektorski prostor Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Vektorski prostor distributivnost v skalarnem faktorju (λ + µ )a = λ a + µ a za vsake a ∈ X in λ , µ ∈ R asociativnost seˇstevanja (a + b) + c = a + (b + c) za vsake a, b, c ∈ X homogenost v skalarnem faktorju λ (µ a) = (λ µ )a za vsake a ∈ X in λ , µ ∈ R obstoj nevtralnega elementa za seˇstevanje Obstaja 0 ∈ X , da je a + 0 = 0 + a = a za vsak a ∈ X lastnost enote za mnoˇzenje 1a = a za vsak a ∈ X obstoj nasprotnega elementa za seˇstevanja Za vsak a ∈ X obstaja b ∈ X , da je a + b = b + a = 0. Vektor b imenujeno nasprotni vektor in oznaˇcimo z −a. Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 0 3 −4 7 13 −5 ∼ −5 −4 −3 0 −3 4 7 19 −13 ∼ −5 −13 9 16 −9 19 −13 ∼ 6 −4 1 1 −2 1 = [I|X ]. 3 −2 distributivnost v vektorskem faktorju λ (a + b) = λ a + λ b za vsake a, b ∈ X in λ ∈ R komutativnost seˇstevanja a + b = b + a za vsaka a, b ∈ X ˇ Matjaˇz Zeljko ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Vektorski prostor nad mnoˇzico realnih sˇ tevil R je mnoˇzica X opremljena z operacijama seˇstevanja + : X × X → X in mnoˇzenja s skalarjem · : R × X → X , za kateri velja. 23 −1 1 2 2 −1 3 [A|B] = −3 2 1 1 −1 −2 0 1 7 ∼ 0 −1 −5 1 0 5 7 ∼ 0 1 7 7 0 0 2 2 1 0 0 2 ∼ 0 1 0 0 0 0 1 1 2 1 1 Torej je X = 0 −2 1 . 1 3 −2 Inverz matrike 24 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Vektorski prostor Matrike Vektorski prostor Linearna neodvisnost Naj bodo ai ∈ X poljubni vektorji ter λi ∈ R poljubni skalarji. Izraz Vektorski prostor Rn . Za a = (a1 , . . . , an ) ∈ Rn , b = (b1 , . . . , bn ) ∈ Rn in λ ∈ R definiramo operacije po komponentah λ1 a 1 + λ2 a 2 + . . . + λn a n = ∑ λi a i i=1 (a1 , . . . , an ) + (b1 , . . . , bn ) = (a1 + b1 , . . . , an + bn ), imenujemo linearna kombinacija vektorjev a1 , . . . , an , sˇ tevila λ1 , . . . , λn pa imenujemo koeficiente te linearne kombinacije. λ (a1 , . . . , an ) = (λ a1 , . . . , λ an ). Vektorski prostor Rm×n . Obiˇcajni matriˇcni operaciji seˇstevanja in mnoˇzenja s skalarjem ustrezata vsem aksiomom za vektorski prostor. V posebnem primeru lahko prostor matrik obravnavamo kot vektorski prostor. n Pravimo, da so vektorji ai ∈ X linearno neodvisni, cˇ e iz λ1 a 1 + λ2 a 2 + . . . + λn a n = 0 Rn×1 sledi, da je λ1 = λ2 = . . . = λn = 0. Vektorji so linearno odvisni, cˇ e niso linearno neodvisni. Vektor 0 je linearno odvisen. ˇ Matjaˇz Zeljko 25 Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) ˇ Matjaˇz Zeljko 26 Vektorski prostor Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Vektorski prostor Zgled Ali so vektorji a1 = (1, 3, 1), a2 = (2, 1, −1), a3 = (1, 5, 3) linearno neodvisni? ˇ oznaˇcimo sˇ e x = (λ1 , λ2 , λ3 )T , lahko gornji homogen sistem Ce linearnih enaˇcb zapiˇsemo v matriˇcni obliki kot Zapiˇsimo linearno kombinacijo vektorjev: Ax = 0. λ1 (1, 3, 1) + λ2 (2, 1, −1) + λ3(1, 5, 3) = (0, 0, 0), Ker je kar nam da sistem λ1 + 2 λ2 + λ3 = 0 3 λ1 + λ2 + 5 λ3 = 0 λ1 − λ2 + 3λ3 = 0. 1 2 1 Matrika tega sistema je A = 3 1 5 in sestavljajo jo 1 −1 3 ravno vektorji a1 , a2 in a3 , zloˇzeni v stolpce. 27 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 1 2 1 det(A) = 3 1 5 = −4, 1 −1 3 premore sistem le niˇcelno reˇsitev. Torej x = (0, 0, 0)T oziroma λ1 = λ2 = λ3 = 0. 28 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Vektorski prostor Matrike Vektorski prostor Naj bodo a1 , . . . , an ∈ Rm poljubni vektorji. V sploˇsnem lahko reˇcemo, da so ti vektorji linearno neodvisni natanko tedaj, ko ima matrika A = [aT1 , aT2 , . . . , aTn ] rang n. r r Izrek Naj bodo a1 , . . . , an ∈ Rn poljubni vektorji. Vektorji a1 , . . . , an so linearno neodvisni natanko tedaj, ko je matrika A, katere stolpci so aT1 , aT2 , . . . , aTn , obrnljiva. 1 1 ? m Videli smo zˇ e, da enaˇcbi a1 λ1 + a2 λ2 + . . . + an λn = 0 ustreza homogeni sistem Ax = 0, kjer so stolpci matrike A ravno aT1 , aT2 , . . . , aTn , neznani vektor pa je x = (λ1 , λ2 , . . . , λn ). 0 m 1 0 1 0 0 Vemo, da premore sistem Ax = 0 neniˇcelno reˇsitev natanko tedaj, ko je det(A) = 0. Neniˇcelna reˇsitev sistema pa pomeni, da so vektorji a1 , . . . , an linearno odvisni. n n Ker je r = rang(A) ≤ min{m, n}, v primeru n > m vektorji ne ˇ pa je n ≤ m, mora za morejo biti linearno neodvisni. Ce linearno neodvisnost veljati r = n. ˇ Matjaˇz Zeljko 29 Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 30 Vektorski prostor Matrike Ali so vektorji a1 = (1, 3, 1, 3), a2 = (0, 2, 1, −1), a3 = (2, 4, 1, 7) linearno neodvisni? Ko slednje zapiˇsemo z razˇsirjeno matriko in uporabimo Gaussovo metodo, dobimo: 2 1 0 1 0 2 2 4 e= 3 ∼ 0 1 −1 . A 1 1 1 0 0 0 0 3 −1 7 0 0 Ker ima dobljena matrika rang 2, so vektorji a1 , a2 , a3 linearno ˇ veˇc, iz dobljene matrike na koncu razberemo, da odvisni. Se sta vektorja a1 in a2 (ki jima pripadata neznanki v prvih dveh stolpcih) linearno neodvisna. Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Vektorski prostor λ1 (1, 3, 1, 3) + λ2 (0, 2, 1, −1) = (2, 4, 1, 7). Vektorje a1 , a2 , a3 zapiˇsemo v matriko A po stolpcih in matriko A preoblikujemo s pomoˇcjo Gaussove eliminacije: 1 0 2 1 0 2 1 0 2 3 2 −2 2 4 ∼ 0 ∼ 0 1 −1 . A= 1 1 1 0 1 −1 0 0 0 3 −1 7 0 −1 1 0 0 0 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Ker sta vektorja a1 in a2 linearno neodvisna, skupaj z a3 pa so linearno odvisni, lahko a3 izrazimo kot linearno kombinacijo ˇ je taka izraˇzava moˇzna, mora vektorjev a1 in a2 . Kako? Ce veljati λ1 a1 + λ2 a2 = a3 . Torej Zgled 31 ˇ Matjaˇz Zeljko Torej je λ1 = 2 in λ2 = −1. Opomba. Opazimo, da gre tu za isto matriko, kot smo jo zapisali pri ugotavljanju linearne neodvisnosti. Matriki je potrebno dodati le loˇcevalno cˇ rto med linearno neodvisnimi vektorji in vektorji, ki jih zˇ elimo izraziti kot linearne kombinacije. 32 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Lastne vrednosti Matrike Lastne vrednosti Podobnost matrik ∈ Rn×n Matrika A je podobna matriki B ∈ obrnljiva matrika P, da je B = P −1 AP. Rn×n , ˇ Dana je matrika A ∈ Rn×n . Zelimo hitro izraˇcunati Am za velik m ∈ N. cˇ e obstaja ˇ je A diagonalna matrika, je izraˇcun enostaven: Ce λ1 0 . . . 0 0 λ2 . . . 0 A = . .. .. = diag(λ1 , λ2 , . . . , λn ), . . . . Vsaka matrika je podobna sama sebi. ˇ je matrika A podobna matriki B, je tudi B podobna Ce matriki A. Res: Iz B = P −1 AP sledi A = PBP −1. ˇ je matrika A podobna matriki B in matrika B podobna Ce matriki C, je tudi A podobna C. ˇ je B = P −1 AP in C = Q −1 BQ, je Res: Ce C = Q −1 P −1 APQ = (QP)−1 A(QP). ˇ je B = P −1 AP, za vsak m ∈ N velja Ce A m B m = P −1 AP · P −1 AP · · · P −1 AP = P −1 Am P. ˇ Matjaˇz Zeljko 33 Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 0 ... λ2m . . . .. . 0 .. . 0 0 0 0 .. . . . . λnm = diag(λ1m , λ2m , . . . , λnm ). Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti ˇ je A diagonalizabilna matrika, velja D = P −1 AP. Za vsako Ce naravno sˇ tevilo m velja D m = P −1 Am P in od tod Am = PD m P −1 . Zgled Izraˇcunaj −2 3 Matrika A = je diagonalizabilna. 0 1 1 −1 1 1 −1 . Sledi je P = Res: za P = 0 1 0 1 1 −1 −2 3 1 1 −1 P AP = = 0 1 0 1 0 1 −2 2 1 1 −2 0 = = = D. 0 1 0 1 0 1 −2 0 Matrika A je podobna diagonalni matriki D = . 0 1 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 0 λ1m Matrike ˇ Matjaˇz Zeljko . . . λn 0 ˇ Matjaˇz Zeljko Lastne vrednosti Matrika A je diagonalizabilna, cˇ e je podobna kakˇsni diagonalni matriki. 35 = 34 Diagonalizacija matrik Zgled A7 za matriko A = −2 3 . 0 1 Kot smo zˇ e prej videli, A diagonalizabilna, tj. je matrika 1 1 −2 0 P −1 AP = D za P = in D = . Sledi 0 1 0 1 1 −1 (−2)7 0 1 1 7 7 −1 = A = PD P = 0 1 0 17 0 1 1 −1 −128 0 1 1 = = 0 1 0 1 0 1 −128 1 1 −1 −128 129 = = . 0 1 0 1 0 1 36 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Zgled Dokaˇzi, da matrika A = 0 1 0 0 Lastne vrednosti Matrike Lastne vrednosti Poglejmo si lastnost diagonalizabilnosti podrobneje. Naj torej velja P −1 AP = D = diag(λ1 , . . . , λn ). Oznaˇcimo z ek = (0, . . . , 1, . . . , 0)T ∈ Rn×1 matriko–stolpec, ki ima v k-ti vrstici sˇ tevilo 1, vsa ostala sˇ tevila pa so enaka 0. Torej je 0 0 λ1 0 . . . 0 . . .. .. 0 λ2 . . . 0 1 = λk = λk e k . Dek = . . . .. .. .. .. .. . . 0 0 . . . λn 0 0 ni diagonalizabilna. Opazimo, da za matriko A velja A2 = 0. ˇ bi A bila diagonalizabilna, bi veljalo D = P −1 AP in Ce D 2 = P −1 A2 P = 0. Ker pa od tod sledi D = 0, dobimo tudi A = PDP −1 = 0. Protislovje. ˇ oznaˇcimo Iz AP = PD sledi APek = PDek = P λk ek = λk Pek . Ce k-ti stolpec matrike P s pk , velja pk = Pek in Apk = λk pk . Ker je matrika P obrnljiva, so stolpci p1 , . . . , pn linearno neodvisni. 37 ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) ˇ Matjaˇz Zeljko 38 Lastne vrednosti Matrike Lastne vrednosti in lastni vektorji (A − λ I)x = 0. Gornji homogen sistem ima netrivialno reˇsitev, cˇ e je determinanta tega sistema enaka 0, tj. det(A − λ I) = 0. Ax = λ x. Vektor x imenujemo lastni vektor, ki pripada lastni vrednosti λ . Matrika ˇ je x lastni vektor, ki Lastni vektor ni enoliˇcno doloˇcen. Ce pripada lastni vrednosti λ , je tudi kx lastni vektor k isti lastni vrednosti za poljuben k ∈ R \ {0}. Res: A(kx) = kAx = k λ x = λ (kx). A−λI = Kot bomo kasneje videli, je moˇzno, da k neki lastni vrednosti obstaja veˇc linearno neodvisnih lastnih vektorjev. ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti Matriˇcno enaˇcbo Ax = λ x lahko zapiˇsemo v obliki Ax = λ Ix oz. v obliki homogenega sistema linearnih enaˇcb ˇ Stevilo λ je lastna vrednost matrike A ∈ Rn×n , cˇ e obstaja kakˇsen neniˇceln vektor (stolpec) x ∈ Rn×1 , da je 39 Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) a11 − λ a21 .. . a12 a22 − λ .. . an1 an2 ... ... a1n a2n .. . . . . ann − λ se imenuje karakteristiˇcna matrika matrike A, njena determinanta det(A − λ I) pa karakteristiˇcni polinom matrike A. 40 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Lastne vrednosti Matrike Karatkeristiˇcni polinom matrike A ∈ Rn×n je polinom stopnje n z realnimi koeficienti, njegove niˇcle pa so lastne vrednosti matrike A. Polinom det(A − λ I) ima n niˇcel, ki pa niso nujno realna sˇ tevila. Zgled Doloˇci vse lastne vrednosti matrike A = Karakteristiˇcni polinom se glasi cos ϕ − λ − sin ϕ det(A − λ I) = sin ϕ cos ϕ − λ in ima niˇcli λ1,2 = 41 2 cos ϕ ± cos ϕ sin ϕ − sin ϕ cos ϕ Zgled Doloˇ vrednosti in lastne vektorje matrike ci vse lastne −2 3 . A= 0 1 Karakteristiˇcni polinom matrike A je −2 − λ 3 det(A − λ I) = 0 1−λ . = λ 2 − 2λ cos ϕ + 1 in ima niˇcli λ1 = −2, λ2 = 1. Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) = (−2 − λ )(1 − λ ) Lastne vektorje k lastnima vrednostima λ1 in λ2 doloˇcimo tako, da poiˇscˇ emo vse reˇsitve homogenega sistema p (2 cos ϕ )2 − 4 = cos ϕ ± i sin ϕ . 2 ˇ Matjaˇz Zeljko Lastne vrednosti (A − λ I)x = 0, za λ = λ1 in λ = λ2 . 42 Lastne vrednosti ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti Za λ = λ1 = −2 imamo homogeni sistem (A − λ1 I)x = 0, Poglejmo si metodo sˇ e enkrat. Ker je sistem (A − λ1 I)x = 0 homogen, desnih strani ni potrebno pisati. Gornji raˇcun za λ1 = −2 zato na kratko zapiˇsemo kot 3 −2 − (−2) 0 3 0 1 A − λ1 I = = . ∼ 0 1 − (−2) 0 0 0 3 kjer je x = (x1 , x2 )T neznani vektor. Ta sistem lahko v popolnosti popiˇsemo z razˇsirjeno matriko −2 − (−2) 0 3 0 3 0 [A − λ1 I|0] = = ∼ 0 1 − (−2) 0 0 3 0 0 1 0 . ∼ 0 0 0 Ta matriˇcni sistem ima rang 1, izrazljiva neznanka pa je v drugem stolpcu. Sledi x2 = 0, x1 pa je (prost) parameter. Torej x = (x1 , 0)T , kjer je x1 ∈ R poljuben. Vsi lastni vektorji k λ1 = −2 so torej oblike x1 (1, 0)T . Od tod sledi, da je x2 = 0. Ker je x1 poljuben, so vsi lastni vektorji, ki pripadajo lastni vrednosti λ1 , oblike x = (x1 , 0)T = x1 (1, 0)T , kjer je x1 ∈ R. Ker nas pri lastnih vektorjih obiˇcajno zanimajo le linearno neodvisni lastni vektorji, izmed vseh vektojev izberemo le tistega, ki ga najenostavneje zapiˇsemo. V naˇsem primeru je to vektor (1, 0)T . 43 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 44 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Lastne vrednosti Matrike Lastne vrednosti Izrek Matrika A ∈ Rn×n je diagonalizabilna natanko tedaj, ko ima n linearno neodvisnih lastnih vektorjev. Za λ2 = 1 naredimo podobno. Ker gre ponovno za homogeni sistem, desnih strani ne piˇsemo. Skratka −2 − 1 −3 3 3 1 −1 = ∼ A − λ2 I = . 0 0 0 1−1 0 0 ˇ je matrika A diagonalizabilna, velja D = P −1 AP. Obrnljiva Ce matrika P je sestavljena iz linearno neodvisnih vektorjev pk = Pek , ki imajo lastnost Apk = λk pk . Torej so pk lastni vektorji k lastnim vrednostim λk . Tudi ta sistem ima rang 1, izrazljiva neznanka pa je v prvem stolpcu. Sledi x1 = x2 . Za dokaz v drugo smer pa vzemimo, da so p1 , . . . , pn linearno neodvisni lastni vekorji. Matrika, sestavljena iz stolpcev p1 , . . . , pn , je obrnljiva. Iz zveze Apk = λk pk izpeljemo APek = DPek za D = diag(λ1 , . . . , λn ). Ker APek = DPek velja za vsak k (tj. k-ta stolpca se ujemata), je AP = DP oz. Reˇsitev je torej oblike x = (x2 , x2 )T , kjer je x2 ∈ R poljuben. Vsi lastni vektorji k λ2 = 1 so torej oblike x2 (1, 1)T . P −1 AP = D. ˇ Matjaˇz Zeljko 45 Matrike Zgled Diagonaliziraj matriko A = Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti Matrike Zgled −2 3 . 0 1 det(A − λ I) = 2−λ −1 −4 −2 1−λ 4 1 −1 = −3 − λ 2 − λ −2 1 2 − λ −2 −1 1 − λ −1 −1 1 − λ = −4 4 −3 − λ −4 4 = (2 − λ )(1 − λ )(−3 − λ ) − 8 − 4 − = Opozorilo. Lastne vrednosti lahko naˇstejemo tudi v drugem vrstnem redu. Pomembno je le, da v matriko D in matriko P zloˇzimo lastne vrednosti in pripadajoˇce lastne vektorje v enakem vrstnem redu. Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti Najprej moramo izraˇcunati karakteristiˇcni polinom det(A − λ I). bo diagonalizirana matrika enaka λ1 0 −2 0 −1 = . D = P AP = 0 λ2 0 1 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 2 −2 1 Diagonaliziraj matriko A = −1 1 −1 . −4 4 −3 Videli smo zˇ e, da ima matrika lastni vrednosti λ1 = −2 in λ2 = 1 ter pripadajoˇca (linearno neodvisna) lastna vektorja p1 = (1, 0)T ˇ zapiˇsemo in p2 = (1, 1)T . Ce 1 1 P = [p1 p2 ] = , 0 1 47 ˇ Matjaˇz Zeljko 46 −(−4)(1 − λ ) − (−4)(2 − λ ) − 2(−3 − λ ) = = (2 − λ )(1 − λ )(−3 − λ ) + 6 − 6λ = 48 = (1 − λ ) ((2 − λ )(−3 − λ ) + 6) = (1 − λ )(λ + λ 2 ). ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Lastne vrednosti Matrike Karakteristiˇcni polinom Lastne vrednosti Pri λ2 = 0 imamo det(A − λ I) = (1 − λ )λ (1 + λ ) 2−0 −2 1 −1 = det(A − λ2 I) = −1 1 − 0 −4 4 −3 − 0 2 −2 1 1 −1 1 = −1 1 −1 ∼ 2 −2 1 ∼ −4 4 −3 −4 4 −3 1 −1 0 1 −1 1 0 1 . ∼ 0 0 −1 ∼ 0 0 0 0 0 0 1 ima torej niˇcle λ1 = 1, λ2 = 0 in λ3 = −1. Pri λ1 = 1 imamo 2−1 −2 1 1 −2 1 −1 = −1 0 −1 ∼ det(A − λ1I) = −1 1 − 1 −4 4 −3 − 1 −4 4 −4 1 0 1 1 −2 1 ∼ 0 −2 0 ∼ 0 1 0 . 0 0 0 0 −4 0 Reˇsitev tega sistema je x3 = 0 in x1 = x2 , torej vsi vektorji oblike (x2 , x2 , 0) = x2 (1, 1, 0). Pripadajoˇci lastni vektor k λ2 = 0 je npr. p2 = (1, 1, 0). Reˇsitev tega sistema je x2 = 0 in x1 = −x3 , torej vsi vektorji oblike (−x3 , 0, x3 ) = −x3 (1, 0, −1). Pripadajoˇci lastni vektor k λ1 = 1 je npr. p1 = (1, 0, −1). Izrazljivi neznaki pripadata prvemu in tretjemu stolpcu. Izrazljivi neznaki pripadata prvemu in drugemu stolpcu. ˇ Matjaˇz Zeljko 49 Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 50 Lastne vrednosti ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Pri λ3 = −1 imamo Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti Videli smo, da ima matrika lastne vrednosti λ1 = 1, λ2 = 0 in λ3 = −1 ter pripadajoˇce (linearno neodvisne) lastne vektorje ˇ zapiˇsemo p1 = (1, 0, −1)T , p2 = (1, 1, 0)T in p3 = (0, 1, 2)T . Ce 1 1 0 P = [p1 p2 p3 ] = 0 1 1 , −1 0 2 2 − (−1) −2 1 −1 1 − (−1) −1 = A − λ3 I = −4 4 −3 − (−1) 3 −2 1 1 −2 1 = −1 2 −1 ∼ 3 −2 1 ∼ −4 4 −2 −4 4 −2 1 0 0 1 −2 1 ∼ 0 4 −2 ∼ 0 1 − 12 . 0 −4 2 0 0 0 bo diagonalizirana matrika enaka 1 0 0 λ1 0 0 0 . D = P −1 AP = 0 λ2 0 = 0 0 0 0 −1 0 0 λ3 Reˇsitev tega sistema je x1 = 0 in x2 = 12 x3 , torej vsi vektorji oblike (0, 21 x3 , x3 ) = 21 x3 (0, 1, 2). Pripadajoˇci lastni vektor k λ3 = −1 je npr. p3 = (0, 1, 2). Izrazljivi neznaki pripadata prvemu in drugemu stolpcu. 51 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) 52 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Matrike Zgled Lastne vrednosti Matrike Karakteristiˇcni polinom ima lastne vrednosti λ1,2 = −1 in λ3 = 1. Oglejemo si A − λ1,2 I. Matrika homogenega sistema je −1 1 1 Diagonaliziraj matriko A = −2 −2 −3 . 2 1 2 −1 − (−1) 1 −2 −2 − (−1) A − λ1,2 I = 2 1 0 1 1 2 = −2 −1 −3 ∼ 0 2 1 3 0 Najprej moramo izraˇcunati karakteristiˇcni polinom det(A − λ I). −1 − λ 1 1 −1 − λ 1 −2 −2 − λ −3 −2 −2 − λ = det(A − λ I) = 2 1 2−λ 2 1 = (−1 − λ )(−2 − λ )(2 − λ ) − 6 − 2 − = (−1 − λ )(−2 − λ )(2 − λ ) − 3 − 3λ = = (−1 − λ ) ((−2 − λ )(2 − λ ) + 3) = = (−1 − λ )(−1 + λ 2) = −(λ + 1)2 (λ − 1). ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Za vajo doloˇcimo sˇ e lastne vektorje, ki pripadajo lastni vrednosti λ3 = 1. ˇ Matjaˇz Zeljko 54 Lastne vrednosti Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Lastne vrednosti Izrek Razliˇcnim lastnim vrednostim pripadajo linearno neodvisni lastni vektorji. Za λ3 = 1 je matrika homogenega sistema enaka −1 − 1 1 1 A − λ3 I = −2 −2 − 1 −3 = 2 1 2−1 1 0 0 −2 1 1 1 − 21 − 21 = −2 −3 −3 ∼ 0 −2 −2 ∼ 0 1 1 . 0 0 0 2 1 1 0 2 2 55 1 −3 = 2 − (−1) 1 3 1 0 1 1 1 ∼ 0 1 1 . 0 0 0 0 0 Reˇsitev tega sistema je x1 = −x3 in x2 = −x3 , torej vsi vektorji oblike (−x3 , −x3 , x3 ) = −x3 (1, 1, −1). Opazimo, da imamo le ˇ enoparametricno druˇzino reˇsitev, cˇ eprav je bila λ = −1 dvojna niˇcla polinoma. Kot bomo kasneje videli, je zˇ e to zadostna ovira, da matrika ni diagonalizabilna. −2(−2 − λ ) − (−3)(−1 − λ ) − (−2)(2 − λ ) = 53 Lastne vrednosti Naj bodo λ1 , . . . , λm razliˇcne lastne vrednosti in x1 , . . . , xm pripadajoˇci lastni vektorji matrike A. Z indukcijo bomo pokazali, da je za vsak k vektor xk linearno neodvisen od x1 , . . . , xk −1 . ˇ je k = 1, ni kaj dokazovati. Vektor x1 je neniˇceln in je Ce linearno neodvisen. Reˇsitev tega sistema je x1 = 0 in x2 = −x3 , torej vsi vektorji oblike (0, −x3 , x3 ) = −x3 (0, 1, −1). V dokazu indukcijskega koraka pa za hip privzemimo, da je Sedaj lahko tudi na drug naˇcin utemeljimo, da matrika ni diagonalizabilna. Kot je raˇcun pokazal, smo dobili le dva linearno neodvisna lastna vektorja, in sicer (1, 1, −1) in (0, 1, −1), za diagonalizabilnost pa bi potrebovali 3. ˇ to enakost (matriˇcno) pomnoˇzimo z A, dobimo Ce ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) xk = µ1 x1 + µ2 x2 + . . . + µk −1 xk −1 . (1) Axk = µ1 Ax1 + µ2 Ax2 + . . . + µk −1 Axk −1 oziroma λk xk = µ1 λ1 x1 + µ2 λ2 x2 + . . . + µk −1 λk −1 xk −1 . 56 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) (2) Matrike Lastne vrednosti Matrike Posledica Matrika, ki ima same razliˇcne lastne vrednosti, je diagonalizabilna. ˇ pa enakost (1) pomnoˇzimo z λk , dobimo Ce λk xk = µ1 λk x1 + µ2 λk x2 + . . . + µk −1 λk xk −1 . (3) ˇ je λ niˇcla reda r karakteristiˇcnega polinoma det(A − λ I), Ce pravimo, da ima lastna vrednost λ algebraiˇcno veˇckratnost r . ˇ lahko k lastni vrednosti λ poiˇscˇ emo m linearno neodvisnih Ce lastnih vektorjev, pravimo, da ima λ geometriˇcno veˇckratnost m. Iz (2) in (3) sledi protislovna enakost µ1 (λ1 − λk )x1 + µ2 (λ2 − λk )x2 + . . . + µk −1 (λk −1 − λk )xk −1 = 0. Slednje pa ne drˇzi, saj je µi 6= 0 za neki i < k in λi 6= λk , vektorji x1 , . . . , xk −1 pa so pravzaprav linearno neodvisni. 57 ˇ Matjaˇz Zeljko Matrike Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Vedno je 1 ≤ m ≤ r in matrika je diagonalizabilna natanko tedaj, ko je algebariˇcna veˇckratnost vsake lastne vrednosti enaka njeni geometriˇcni veˇckratnosti. Leslijev model populacijske rasti Matrike (t) nk +1 = pk nk . in sicer kot Oznaˇcimo z rk povpreˇcno rodnost v starostnem razredu k. Torej je (t+1) (t) (t) (t) n1 = r1 n1 + r2 n2 + . . . + rm nm . ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) Leslijev model populacijske rasti Skupno sˇ tevilo osebkov v cˇ asu t lahko opiˇsemo z vektorjem (t) (t) (t) N (t) = (n1 , n2 , . . . , nm )T . Zgornje enaˇcbe lahko potem enostavno zapiˇsemo v matriˇcni obliki s pomoˇcjo Leslijeve matrike r1 r2 . . . rm−1 rm p1 0 . . . 0 0 0 0 L = 0 p2 . . . , .. . . .. .. . 0 0 . . . pm−1 0 Razdelimo vse zˇ enske osebke v populaciji v m (enakih) (t) starostnih razredov in oznaˇcimo z nk sˇ tevilo osebkov v k-tem starostnem razredu ob (diskretnem) cˇ asu t. Oznaˇcimo s pk ∈ (0, 1) verjetnost, da osebek preˇzivi k-ti starostni razred in ob naslednjem diskretnem cˇ asu vstopi v razred k + 1. Torej je 59 ˇ Matjaˇz Zeljko 58 Leslijev model populacijske rasti (t+1) Lastne vrednosti (t+1) N = 60 (t+1) n1 (t+1) n2 (t+1) n3 .. . (t+1) nm = r1 r2 p1 0 0 p2 .. . ... ... ... .. . 0 . . . pm−1 0 ˇ Matjaˇz Zeljko rm−1 0 0 (t) n1 (t) n2 n(t) 3 . .. (t) 0 nm rm 0 0 .. . Izbrana poglavja iz matematike (Biologija) = LN (t) . Matrike Leslijev model populacijske rasti Zanima nas, kako bi lahko cˇ imbolj enostavno doloˇcili N (t) , cˇ e je podan N (0) . Zanima nas, ali obstaja kakˇsna “stabilna” porazdelitev populacije, tj. kakˇsen vektor N in sˇ tevilo λ , da je N (t) ≈ λ t N. (Izkaˇze se, da je λ ravno dominantna lastna vrednost, N pa ustrezni lastni vektor.) 61 ˇ Matjaˇz Zeljko Izbrana poglavja iz matematike (Biologija)