Forelæsning B2 i matematik, onsdag 19/9 2012
Transcription
Forelæsning B2 i matematik, onsdag 19/9 2012
KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Oversigt Forelæsning B2: Lineære og affine afbildninger Ligevægte Matematik og databehandling 2012 1 Lineære afbildninger i planen, arealforhold 2 Ligevægt 3 Affine afbildninger Henrik L. Pedersen Institut for Matematiske Fag henrikp@life.ku.dk 16 14 12 10 10 8 6 x5 4 2 0 2 4 6 t 8 10 12 19. september 2012 — Dias 1/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Lineære afbildninger i planen Eksempel – videre Definition B.4.1 (Lineær afbildning f hørende til en matrix M) x f = y x a M = b y Dias 2/28 c d Y′ Y 9+ 8+ 7+ 6+ 5+ 4+ 3 + (1,2) (3,2) 2+ A 1+ ′ x ax + cy x = = y bx + dy y′ Afbildningen f afbilder punkter i planen over i punkter i planen: ′ x x eller f : (x , y ) 7→ (x ′ , y ′ ) 7→ f : y y′ b Eksempel B.4.3 x x x 2 1 f =M = ; 1 3 y y y 1 3 = , f 1 4 0 3 7 f = 1 6 f b b b (1,1) (3,1) + + + + 1 2 3 4 (8,9) 9+ 8+ 7+ 6+ 5+ 4+ 3+ 2+ 1+ X 0 b (4,7) A′ b b (7,6) b (3,4) + + + + + + + + 1 2 3 4 5 6 7 8 X′ Afbildningen f afbilder det lille rektangel med areal A på den store firkant med areal A′ – Hvor stort er forholdet mellem de to arealer? f (linjen mellem (1, 1) og (3, 1)) = linjen mellem (3, 4) og (7, 6) Dias 3/28 Dias 4/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Arealforhold generelt Opgaver 1 Sætning B.4.1 −1 −2 . Trekanten T med hjørner i (0, 0), (2, 0) og −3 1 (1, 1) afbildes ved den lineære afbildning hørende til matricen M i en figur T ′ . Bestem arealet af T ′ . Lad M = Der gælder 2 A′ = |det M| · A 0 for alle matricer M hvis tilhørende lineære afbildning afbilder et område med areal A på et andet område med areal A′ −3 −2 −1 0 1 2 3 −2 −4 −4 Eksempel – videre −6 2 1 · 2 = 5 · 2 = 10 A′ = |det M| · A = det 1 3 2 En blækklat B med areal 7 afbildes ved en lineær afbildning i en anden brækklat B ′ med areal 21. Hvad kan man sige om determinanten af den tilhørende matrix? Dias 5/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Dias 6/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Ekstra: Hvordan er grafen lavet? Andre eksempler på lineære afbildninger: Drejning R-kode Y x′ y′ b plot(NA,xlim=c(-4,3),ylim=c(-7,2),axes=FALSE) axis(1,pos=0) axis(2,pos=0) polygon(c(0,2,1,0),c(0,0,1,0), col="red") polygon(c(0,-2,-3,0),c(0,-6,-2,0), col="blue") θ b x y X Koordinatudtryk og matrix: ′ x cos θ · x − sin θ · y x cos θ = = =f sin θ sin θ · x + cos θ · y y′ y Dias 7/28 − sin θ cos θ x y Dias 8/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Andre eksempler på lineære afbildninger: Spejling Ligevægt for matrix Definition B.3.1 Y En vektor v∗ er en ligevægt for en matrix M hvis der gælder x y b Mv∗ = v∗ Betingelsen udtrykt i koordinater: ∗ ∗ x x a c = b d y∗ y∗ X b Betingelsen udtrykt ved lineær afbildning: ∗ ∗ x x f ∗ = y y∗ x −y Bemærkning B.3.1 Koordinatudtryk og matrix: ′ x x x x 1 0 =f = = ′ 0 −1 y y −y y 0 0 • Hvis det(M − E) 6= 0 da er den eneste ligevægt for M • Hvis det(M − E) = 0 da er der masser af ligevægte for M Dias 9/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Dias 10/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Opgave Overgangsmatrix Definition B.3.2 a c er en overgangsmatrix hvis b d • a ≥ 0, b ≥ 0, c ≥ 0 og d ≥ 0 En matrix M = Lad 2 2 M= 3 7 2 −1 −1 1 1 Er 2 Er 3 Bestem samtlige ligevægte for M! • a + b = 1 og c + d = 1 Sætning B.3.1 en ligevægt for M? Lad en ligevægt for M? M= a b c d 6= E være en overgangsmatrix. Da kan samtlige ligevægte for M skrives på formen c v=k , b hvor k er et vilkårligt tal. Dias 11/28 Dias 12/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Anvendelseseksempel B.3: Svampesygdom Svampesygdom: • Oplysninger: bestemmelse af ligevægt • En ligevægt for modellen skal opfylde 26000 træer i alt 94% af de raske træer er raske året efter (og 6% er syge) 72% af de syge træer er raske året efter (og 28% er syge) • rt = antallet af raske træer i år t st = antallet af syge træer i år t • Model 0.94 0.06 ∗ ∗ r r 0.72 = 0.28 s∗ s∗ samt r ∗ + s ∗ = 26000 • M er en overgangsmatrix og har ligevægtene ∗ 0.72 r =k s∗ 0.06 rt+1 = 0.94rt + 0.72st st+1 = 0.06rt + 0.28st for enhver værdi af k • Tallet k bestemmes ved at udnytte at der er 26000 træer i alt: • Model på matrixform samt rt+1 st+1 rt 0.94 =M = 0.06 st 26000 = r ∗ + s ∗ = 0.72 k + 0.06 k = 0.78 k rt 0.72 0.28 st dvs k = 26000/0.78 = 33333.33 . . . rt + st = 26000 Dias 13/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Dias 14/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Svampesygdom: Svampesygdom: udvikling i det lange løb? Startfordeling med 26000 raske og 0 syge: og udregn v1 , v2 , . . . vha formlen vt+1 = Mvt : Sæt v0 = 26000 0 bestemmelse af ligevægt t rt st • Vektoren ∗ 0.72 r 24000 = 33333.33 = s∗ 0.06 2000 0 26000 0 1 24440 1560 2 24097 1903 ... ... ... 10 24000 2000 Startfordeling med 13000 raske og 13000 syge: Sæt v0 = 13000 13000 og gør det samme. . . er en ligevægt for modellen, og angiver et samhørende antal af raske og syge træer, som ikke ændrer sig til de(t) følgende år t rt st 0 13000 13000 1 21580 4420 2 23468 2532 ... ... ... 10 24000 2000 Mere om dette i næste uge! Dias 15/28 Dias 16/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Affin afbildning Opgave Definition B.5.1 (affin afbildning) Afgør for hver af afbildningerne 2 x x 3+x 3 +x f = , g , = 4x + y 4x + y 2 y y En affin afbildning er en afbildning f som kan skrives på formen x x r ax + cy + r a c f = + = b d y y s bx + dy + s om den er Eksempel Servicemeddelelse I: lineær, Affin afbildning: x x 2 2x + y + 2 2 1 f = + = 1 3 y y −1 x + 3y − 1 • Affin afbildning Løsning af ligningen • Lineær afbildning f f ved brug af invers matrix. . . x y +x = 4x + y y II: affin, men ikke lineær eller x a f = b y x 7 = y 4 h c d x r ax + cy + r + = . y s bx + dy + s x a = b y c d x ax + cy = . y bx + dy Dias 17/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET III: ikke affin Dias 18/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Ligevægt for affin afbildning Anvendelseseksempel B.4: Definition B.5.2 ∗ En vektor v = x∗ y∗ f (v∗ ) = v∗ To klasser får • I: får med høj uldproduktion er en ligevægt for en affin afbildning f hvis dvs x∗ f ∗ y = a b c d • II: får med normal uldproduktion ∗ ∗ r x x + = y∗ s y∗ Årlig udvikling • oprykning fra II til I: 20 % Sætning B.5.1 • nedrykning fra I til II: 15 % Lad f (v) = Mv + q være en affin afbildning og antag, at M − E har en invers matrix. Da har f netop en ligevægt og den er givet ved ∗ Fårebestand −1 v = −(M − E) −1 r a−1 c = − b d −1 s x∗ y∗ q • udtagning fra I: 15 % • udtagning fra II: 35 % dvs • tillæg 900 klasse II får Mål • Beskriv den årlige udvikling i klasserne Dias 19/28 Dias 21/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Fårebestand Fårebestand • Fremskrivning fra 1992 til 1993. Matematisk beskrivelse af modellen • xn = antal klasse I får i år n 500 x1993 x1992 = ? = ⇒ y1993 1400 y1992 500 x1993 0 630 0.7 0.2 = + = 0.15 0.45 y1993 1400 900 1605 • yn = antal klasse II får i år n • Sammenhæng på matrixform xn+1 0.7 = 0.15 yn+1 0 xn 0.2 + 0.45 yn 900 . . . det var der ikke mange ben i! • Tilbageskrivning fra 1992 til 1991. Analyse af modellen x1992 = y1992 500 = 1400 • Fremskrivning af bestanden fra et år til det næste • Tilbageskrivning af bestanden fra et år til det foregående • Bestemmelse af ligevægt for bestanden • Fremskrivninger over mange år 500 x1991 = ? ⇒ y1991 1400 0 x1991 0.7 0.2 + 0.15 0.45 y1991 900 Vi vil bestemme x1991 og y1991 Hvordan? Dias 22/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Dias 23/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Fårebestand Fårebestand: Hvordan bestemmes x1991 og y1991 ? • Løsning af ligningen 0.7 0.15 Omskriv ligningen til to ligninger med to ubekendte x1991 og y1991 og løs dem vha. lige store koefficienters metode • Løs ligningen vha invers matrix 0.7 0.15 0 500 x1991 0.2 + = 0.45 900 y1991 1400 500 0 x1991 0.7 0.2 = − 0.15 0.45 1400 y1991 900 500 x1991 0.7 0.2 = 0.15 0.45 y1991 500 −1 500 x1991 0.7 0.2 = 0.15 0.45 y1991 500 500 1 0.45 −0.2 = 0.285 −0.15 0.7 500 ≃ Bestemmelse af ligevægt ∗ ∗ 0 x x 0.2 + = ∗ 0.45 900 y y∗ vha sætningen ∗ x −1 r = −(M − E) = y∗ s ≃ 0.7 − 1 − 0.15 1333 2000 −1 0 0.2 0.45 − 1 900 Fortolkning af ligevægt Ligevægten for modellen er et antal får i klasse I og klasse II som ikke ændrer sig til de(t) følgende år 439 965 Dias 24/28 Dias 25/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET KØBENHAVNS UNIVERSITET Fårebestand Fårebestand: Udvikling i fårebestand over lang tid med tre forskellige startværdier Konklusion • For alle tre startbesætninger nærmer fordelingen sig ligevægten 1333 2000 • Gælder der at fordelingen på klasse I og II får uanset startbesætning nærmer sig denne ligevægt? 1600 • Ja, men begrundelsen må vente til mandag. . . Fårebestand: 1400 Klasse II får 1800 2000 start=(500,1400) start=(1400,1800) start=(1100,1200) R-kode 1200 Ville det ikke være FANTASTISK ;-) om vi kunne lave noget R-halløj som giver os en graf over udviklingen i det lange løb, hvergang vi giver R en startværdi for fårene i de to klasser? 500 1000 1500 2000 Klasse I får Dias 26/28 KØBENHAVNS UNIVERSITET Anvendelseseksempel B.5: Nationaløkonomi Notation • Yt = nationalprodukt i år t • Ct = forbrug i år t • It = investering i år t Antagelser • Yt = Ct + It • Ct+1 = 0.8Yt + 4.0 • It+1 = 0.5(Ct+1 − Ct ) Model 4.0 Ct Ct+1 0.8 0.8 + = −0.1 0.4 It 2.0 It+1 Ligevægt for modellen −1 ∗ 4.0 C 20.0 0.8 − 1 0.8 =− = −0.1 0.4 − 1 I∗ 2.0 0.0 Dias 28/28 Dias 27/28