Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.33 Mб
Скачать

потому что А — вещественная матрица. Так как Ь*АЬ —число и А = А*, то Ь*АЬ = (Ъ*АЬ)* = 6*А*6 = Т*АЬ. Итак, Ь*АЪ =

= 6*Ао, что и означает вещественность числа Ь*АЬ. Поэтому А,0

вещественно,

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь можно доказать центральную для нашей задачи

теорему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 38. Всякое

самосопряженное

преобразование

/ (х)

в «-мерном евклидовом пространстве

Еп

имеет п взаимно

орто­

гональных собственных векторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д

По предыдущим теоремам для преобразования / (х) имеется

в Еп

хотя

бы одномерное подпространство

Кх

собственных

векто­

ров. Выберем в Еп

ортонормпроваыньш базис так, что его

первый

вектор ех

£ Кх.

В этом базисе ех,

 

а'2, а3 ,

. . ., а/г

матрица линейного

преобразования

примет вид (так как / х)

=

Ххех)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«23

 

(lit,.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а„

а„

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Она симметричная и

потому

ее

блок

Ап_х

симметричный.

Всякий вектор

подпространства

Кп_х

=

L

2 , а3 ,

. . ., а'п]

можно

представить

как

х = х

+ х2а2

+ х3а'3

+

. . . +

хпа'п

и

 

тогда

 

 

 

 

 

 

 

Апх — Ап_хх.

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому Ап_х

становится

матрицей

самосопряженного

пре­

образования

в

подпространстве

Кп_х. По

теоремам 37 и 35 для

него также существует хотя бы одномерное подпространство

соб­

ственных

векторов

е 2

в Кп_х.

Так

как

Кп_х является

орто­

гональным дополнением

Кх, то

е,

ортогональны

к е х .

 

Теперь

по следствию 3 теоремы 21 (§ 34) в Еп

можно построить

ортонор-

мированный базис

 

е 2 , а'3, . .

., а„, в котором матрица

преобра­

зования примет

вид

(так

как /

х)

— Ххех

и /

2 )

= Х2 е2 )

 

 

 

%х

Ап

-'зз

 

 

 

 

V ! - 2

 

 

'•пЗ

Дальнейшие рассуждения ведутся в том же порядке до тех пор, пока блок А„_г не будет иметь единичный порядок, у

Всякую симметричную матрицу С, будь она, в частности, матрицей квадратичной формы / (х, х), определенной в произ­ вольном линейном пространстве L n с любым фиксированным в нем

базисом, можно трактовать как матрицу некоторого самосопря­ женного преобразования в евклидовом пространстве Еп с орто­ нормированный базисом 31. По теореме 38, в Еп существует орто­ нормированный базис 93, в котором матрица D этого преобразо­ вания диагональиа (с собственными числами %1 матрицы С на диагонали). Матрица М перехода между 31 и 23 — ортогональная [см. (90) из § 31], т. е. М"1 = М*. так что D = МСМ"1 = МСМ*- Поэтому С и D — конгруэнтны (см. § 41). Отсюда вытекают такие следствия.

Следствие 1. Если квадратичная

форма

/ (х,

х)

определена

в евклидовом пространстве Еп

и имеет в некотором

(произвольном)

базисе представление / (х, х)

=

{х')*

Сх',

то

ее можно

привести

к каноническому представлению

 

 

 

 

 

 

 

/

(X, X) = %, {x,f

+

(Xs)» + . . .

+

К

(xnf

 

 

ортогональным

преобразованием

(поворотом)

базиса

в

отличие

от представления (130), полученного треугольным преобразова­ нием. Такое представление единственно и его коэффициентами являются собственные числа матрицы С.

Следствие 2. Симметричная матрица С:

1)положительно (отрицательно) определена тогда и только тогда, когда все ее собственные числа положительны (отрица­ тельны);

2)неотрицательно (неположительно) определена тогда и только тогда, когда все собственные числа неотрицательны (неположи­ тельны) и среди них есть нулевые.

§54. ПРОЕКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ВЕВКЛИДОВЫХ ПРОСТРАНСТВАХ

Если Ет есть иг-мерное подпространство евклидова простран­ ства Еп и Е'п_т — ортогональное дополнение E m R O Еп, то любой вектор а £ Еп можно представить в виде

 

 

 

а = Ь + Ь',

 

 

(152)

где

Ь Є Ет

и Ь' £Еп_т,

и притом единственным

образом [24] .

В

самом

деле, в Еп

всегда можно

выбрать такой

базис, что

первые его

т векторов е х , е 2 , . . ., е „ принадлежат

Ет,

а осталь­

н ы е е т + 1 ,

. . ., е „ подпространству

Е'п_т. Тогда

в разложении

п

вектор

Ь = ахе.х + а2 е2 + . . . + атет 6 Ет,

а вектор

Ь — Я т + 1 Є т + 1 Я т + 2 Є т + 2 -(- . . .ЯП Є„ 6 Еп-т.

 

Покажем единственность разложения (152). Если предполо­

жить, что имеется еще разложение

 

а =

Ьх

-{- Ъ[,

где

Ь[ £

Е'п-т

и

Ьх

6 E'nv

т0

О3 bi) - f

(Ь' — Ьі)

=

0,

причем Ь — Ьх

6 £ о т

и

Ь' — Ъ\

£ Е'п-т.

 

 

Умножив

обе

 

части

полученного

равенства

скалярно

 

на

b — b x ,

 

получим

 

(Ь — b x ,

b — bx ) -f- (b' — b i ,

b — bx ) =

0.

Но

здесь

второе

слагаемое

равно

нулю,

так

как

сомножители в нем ортогональны. Отсюда

(b — b x , Ь — Ьх )

= 0 ,

т. е. b — b x

=

0 или b x

 

=

Ь. Тогда

из

(Ь — Ьх )

+

(Ь' — Ьх )

=

0

следует также, что и b '

=

Ьх .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вектор b в разложении (152) называют проекцией

вектора

а

на подпространство

Ет

сЕп,

 

а вектор а' — проекцией а иа

под­

пространство

Е'п_,„ сг Еп.

 

 

 

 

р (х),

которое

каждому

вектору

 

Рассмотрим

преобразование

х

£ Еп

ставит в

соответствие

 

его

проекцию у

на

заданное

под­

пространство Ет.

Оно линейно, так как если х х

=

ух +

Уі и х 2

=

У2 + Уг. г

Д е

Уі

6 Ет

 

и у 2

£ Ет,

а ух

6 Е'„_т

и у 2

6 #;,_„,,

то

и

 

 

 

 

 

(ixx

+

vx 2 =

(u.yx +

vy,) -Ь ((.t-yі + vy 2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так что

р

(ux x

-f- vx 2 )

=

 

|лух

+

v y 2

=

|лр

(х,)

+

ур

2 ).

Пре­

образование р (х) называют

проекционным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д

Проекционное

 

преобразование

 

самосопряженно,

ибо

(Ь, р ((a))

=

(с +

с',

Ь) =

(с, Ь) +

(с', Ь)

=

(с, Ь), так как

(с', Ь)

=

=

0, а

(Ь), а)

=

(с, b

+

 

b')

 

=

(с,

b)

+

(с, b'.)

=

(с,

Ь), так как

(с, Ь')

=

0.

Поэтому

(Ь, р

(а))

 

=

 

(Ь), а).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проекционное

 

преобразование

 

идемпотентно,

т. е.

удовлет­

воряет условию рр

=

р. В самом деле р (а) =

b, р (р

(а)) = р (Ь)

=

=

Ь,

так

как проекция

 

b

£ Ет

на

 

Ет

 

оставляет

b неизменным.

Поэтому р

(а)) =

р

(а) при всех

 

а

£

Еп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напротив, всякое идемпотентное самосопряженное преобразо­

вание

ф (х)

является

проекционным.

Для

доказательства

рас­

смотрим вектор

b '

=

 

а — ф (а). Для

него

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ф (а), V)

= (ф (а),

а -

ф (а)) =

(<р (а), а) -

(q> (а), ф (а)).

 

 

Но по самосопряженности

(а), ф (а))

=

(ф (ф (а)), а), а по

идем­

потентности

ф (ф (а))

=

ф (а). Поэтому

(а),

ф (а)) =

(а),

а)

и

(а),

Ь')

=

0,

т. е.

ф (а)

и

Ь'

 

ортогональны.

Следовательно,

любой вектор а разлагается на сумму а =

ф (a) - f Ь', в

которой

слагаемые ортогональны. Это

 

и означает, что ф (а)

проекция а

на область определения преобразования

ф (х).

v

 

 

 

 

 

 

Итак, доказана следующая теорема [241.

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 39. Преобразование р (х) тогда и только тогда является

проекционным, когда оно самосопряженное и идемпотентное.

 

 

 

Отсюда матрица проекционного преобразования в любом орто-

нормированном базисе должна удовлетворять условиям РР =

Р

(идемпотептная

 

матрица)

и

Р =

 

Р*

(симметричная

матрица).

Всякую идемпотентную симметричную матрицу называют

проекционной.

Структуру матриц проекционных преобразований можно рас­ смотреть более подробно. Пусть р (х) — произвольном проекцион­

ное преобразование, проектирующее векторы х

£ Еп

в у == р (х) £

6 Ет.

Выберем

в Еп

базис так, чтобы первые

т его

векторов а5 ,

а2 , . .

., ат принадлежали подпространству Ет,

а остальные п — т

векторов а т + 1 ,

. . .,

а„ — его

ортогональному

дополнению

Е'п.т.

Тогда,

очевидно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

а,-

при

і

т

 

 

 

 

 

 

 

Р (а,-) =

{

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

{

о

при

 

і>т,

 

 

 

 

т. е. указанный базис состоит

из

собственных векторов

этого

преобразования

с собственными

числами 1 (при і ^

т)

и 0 (при

і ^>т).

Поэтому в таком базисе матрица проекционного

преобра­

зования имеет вид (см. начало

§ 51)

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0 . .

0

0

. .

0

 

 

 

 

 

 

 

0

1 . .

0

0

. .

0

 

 

 

 

 

 

 

0

0 . .

1

0

. .

0

 

 

 

 

 

 

 

0

0 . .

0

0

. .

0

 

 

 

 

 

 

 

0

0 . .

0

0

. .

0

 

 

 

 

 

а по (143) в общем случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р = м / т м - \

 

 

 

 

 

где М — произвольная невырожденная

матрица.

 

 

 

Осталось заметить, что тождественное преобразование

является

частным случаем проекционного преобразования т

— Еп),

и еди­

ничная

матрица

Е — частным

случаем

проекционной

матрицы.

§55. НОРМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ

ВЕВКЛИДОВЫХ ПРОСТРАНСТВАХ

Пусть в евклидовом пространстве задано линейное преобра­ зование / (х). Поставим вопрос: во сколько оно удлиняет или

укорачивает вектор х? Иначе, рассмотрим отношение Ц-ту-' длин

векторов / (х) и х. Вообще говоря, это отношение для разных X разное. Опираясь на теоремы анализа, можно доказать, что среди

всех

таких

отношений на

Еп

существует

наибольшее.

Точнее,

существует

такой

вектор

х 0 , что

I f 0 )

I

=

max-

I / (х) і

с

век-

, 1

 

. v ,' . Этот

 

 

 

 

 

 

l x o l

 

 

хЄЕ„ l x |

 

 

тор

х 0 называют

максимальным

вектором

преобразования

/ (х),

а

число

||/(х)

|| =

max-Цр^-называют

нормой

преобразования

 

(х) [33] \

 

 

х£Еп

I I х

I

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

в

Еп

фиксировать ортонормированньш

базис,

то

в

нем

столбец

у

координат

вектора у

= / (х) равен у

=

Ах.

При

этом

| х | = | х | =

Yх*х>

а I /

(х ) I — | Ах| =Ух*А*Ах,

так

что

 

 

 

Щ х )

= ш а х

1 V

і 1

— max І/

z — .

 

 

 

 

 

 

 

11

w

y

і е в ,

Iх

!

х е к /

x x

 

 

 

 

 

 

Последнюю правую часть этого равенства называют

нормой

матрицы

А и обозначают через

|| А ||.

 

 

 

 

 

 

 

Итак, норма линейного преобразования совпадает с

нормой

его матрицы в любом ортонормированном

базисе.

 

 

 

 

 

Так как по (90) переход от одного ортонормированного

базиса

к другому осуществляется с помощью ортогональной матрицы М,

то для таких матриц ЦМАМ"1

|| =

||А ||.

 

Из определения нормы матриц имеем:

 

- ^ i ^ l l A U

или

ІА^І^ЦАЦИ,

(153)

причем равенство здесь достигается для максимальных векторов.

Несложно доказать следующие свойства норм матриц:

 

 

 

 

||

ЧИ А1,

(154)

 

 

 

||АВ||^||А||||В||,

(155)

 

 

 

|A-hB||^||A|| + ||B||

(156)

Действительно,

если х0 — максимальный вектор для ЛА,

то

в^А 111^1 =

1 М а г о Н І Я . С А л о ) | =

| Л,||Ая0|^|Л.|||А|||і0|,

 

так что || АА

Н ^

| К | || А ||. Если

же а:1

— максимальный

вект

для преобразования с матрицей А, то

 

 

 

| (А,А) х1)

=

\Х (Ахх)

| = | Я, 11 Ах11

= | Я, 11| А || | | ,

 

так что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і

^ і і

= |МІ|А||^||ЯА||.

 

Из сравнения полученных неравенств имеем (154). Если х0 — максимальный столбец для АВ, то

«АВІІХоНІАВ^І^ЦАІІІВхоІ^ЦАІІІІВЦхоІ. Отсюда получаем (155).

1 Норму преобразований можно ввести ие

только в евклидовом, но и

в любом нормированном пространстве L (см. сноску на стр. 189), как || / (х) || =

= max

^ ! ^Х }. •- . Но некоторые приведенные

в дальнейшем результаты

х £ Ь

Нх11

 

справедливы существенно для евклидовых пространств.

Если хо — максимальный столбец для А +

В, то

 

1А + ВЩа:0| = |(А + В)а:0 | = |Ад;0 + Ва:с |^1Аа;0 Ц-|Ва;0 |

I A I N а:п

|В|||х0| =

(||А.. .

J B

D | * 0 ,

 

что приводит к (156) (|Аж0 + Вж01

Аж0 |

+

| Вя 0

по нера-

венству треугольника).

 

 

 

 

 

V Рассмотрим диагональную матрицу

 

 

 

 

На

 

 

 

 

А =

1*2

 

 

 

 

V>n

Пусть \\іг\ = max |u.J. Тогда

І Аж 1

^[

м - і а : ї+Иа а : і+ -

• -H-1-ф

У xl +

xl + . . , +

|х|

V

zf + a| +

.

. . +

Кроме

того,

легко

проверить,

что для

£ 0 = || 1 0 . . . О ||*

Следовательно, для диагональной матрицы А норма ||А || =

=max |u,-|, т. е. равна наибольшему модулю диагональных эле­

ментов.

Рассмотрим произвольную симметричную матрицу С.

При доказательстве следствия 1 теоремы 38 было отмечено,

что

существует

диагональная

матрица D =

М С М - 1 ,

где

диаго­

нальные элементы D — собственные

числа

матрицы

С,

а М —

ортогональная

матрица. При

этом,

как указано на

стр. 154,

I D

||= ||С ||,a ||D||=max|A,|. у

 

 

 

 

 

Отсюда вытекает следующая

теорема.

 

 

 

Теорема 40. Норма любой симметричной матрицы и, следова­ тельно, любого самосопряженного преобразования равна наибольшему из абсолютных значений его собственных чисел.

Можно дать метод нахождения нормы и для произвольного линейного преобразования / (х).

Теорема 41. Норма линейного преобразования / (х) равна корню квадратному из максимального собственного числа пре­

образования /*/

(х).

 

 

 

 

 

 

 

Л Преобразование

/*/ (х)

самосопряженное,

так

как

(/ (х )> / (У)) =

( х . /*/

(У)) = (/*/

( х ) . У)- Поэтому все его

собствен­

ные числа вещественны. Пусть х, — собственный вектор

пре­

образования

/*/ (х),

отвечающий собственному числу

%t.

Тогда

I/(*<)!»

_

(/(*<),

/(*<)) _

(хь /*/(х,-))

ktjxt,

xt)

,

 

(-|2

 

( 1

xt)

(ХЬХІ)

(ХІ,

%і)

Л'-

 

 

Отсюда вытекает, что все Xt > 0

и |/ (хЛ [ = |/\|х,-|.

Осталось

доказать, что для

всех

х

£ 2?„ выполняется

неравенство

| /

(х) | 55

^ ] / т а х

А,- |х|. Для этого разложим х по

векторам

 

ортонормиро-

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ванного

базиса

e l t

е.,,

. . ., е„, составленного

из собственных

век­

торов преобразования

/*/

(х)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х =

 

 

+ ж2 е3

- [ - . . . +

ж„е„.

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ * /

(Х) =

X! V

l

+

-Т2^2Є2 +

• • • +

 

ХпХпЄп.

 

 

 

 

 

 

Пусть за е1

принят такой вектор, что Ях

 

=

max Xt. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І

 

 

 

 

 

 

I /

(х) р =

(х,

/ * / (х)) =

fo)* X, + (x2f

 

 

 

+

{xnf Xn ^

 

 

 

^

К [(*i)2

+

fe)2

+

• • +

(xn)~\

=

^

I x |« = max Xt

\ x |2.

 

 

Отсюда и получаем, что

 

 

 

 

 

 

 

 

і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим еще, что из самосопряженности /*/ (х) следует по

теореме

40, что

||/*/ (х) || =

П//* (х)

|| =

max Xh

а по

теореме 41

Ц/(х)||=

У max Л,.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

||/*/

(х) || =

|| /

(х)

||2.

А

так

как

 

[ [ / * / (х)

 

|| -

=

||(/*)*/* (х)

11= т а х Я , ,

то

и

||/*

(х)

|| =

У m a x

А,.

Поэтому

 

 

 

 

 

 

і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I / * /

(х) || =

|| /

(х) |р =

II /* (х) ИІ /

(х) І = II / / *

(х) ||.

 

(15

 

Соответственно

этому для норм матриц имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|| А*АI = « А |р = І А* || || А1 = || АА* ||.

 

 

(15

 

Пусть преобразование /

(х) в Еп

имеет положительный дефект,

Кг

— подпространство

его

значений,

а

Кй

— его

нулевое

под­

пространство

(см.

§ 49). Тогда

ортонормированный

базис

в

Еп

можно выбрать так, чтобы линейная

оболочка первых

к (к 3 » г)

его векторов

а 1 ;

а 2 , . . ., ak содержала в себе

Кг.

Как

выяснено

в

§ 49, матрица

преобразования

/

(х)

в

этом

базисе

А

=

 

 

а

матрица преобразования

//*

(х) имеет

вид

 

 

 

 

 

 

 

II А

А

0 II

А А

II

о

о Г

 

 

 

г-

Отсюда видно,

что максимальные собственные числа Хг для

АА* и для .4.4* совпадают и потому

||АА* || = ||44*

||. Ранее

было условлено говорить, что не только А, но и А задает

преобра­

зование / (х). Соответственно

этому норму горизонтальной ма-

трицы определим

правилом

\\А || =

||А ||. Поэтому

\\А \[ =

=У || АА* ||. Так, норму горизонтальной матрицы А можно вы­

разить через норму квадратной матрицы АА*.

В частном случае, когда А =

а состоит лишь из одной строки,

максимальное собственное число

для

II аа*

О II

 

 

 

 

 

 

АА*=\\ I

пО

ОII

 

 

 

 

 

 

равно аа*. Поэтому в данном

случае

||а || =

Yaa*

=

1Я1>

т - е -

норма строки совпадает с ее евклидовой длиной.

 

 

 

Если ортоиормированный базис в

Еп

выбрать так,

чтобы

по­

следние п к его векторов содержались в К0,

то

матрица

пре­

образования / (х) в нем В — || В, 0

||, а

матрица

преобразова-

В*В

О

 

 

 

 

 

 

 

ния /*/ (х) принимает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

Определяя для вертикальных матриц В

норму

по

правилу

|| В || = || В ||, получим на основании

(157'),

что

 

 

 

IIВ || = 1/1 в*в

і.

 

 

 

 

 

 

В частности, для столбца Ъ норма совпадает с евклидовой длиной, т. е. ||b ||= У~Ь*Ь = \ Ь\.

§ 56*. ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ

Пусть требуется решить систему уравнений Аа; = Ъ с невыро­ жденной матрицей А. Практически при таком решении прихо­ дится прибегать к округлениям в процессе вычислений. Все эти округления можно трактовать как ошибки в определении обрат­

ной матрицы А - 1 . Поэтому в результате получается не х

= А _ 1 Ь , а

= ( А - 1 + АА"1 ) b = А"1 6 +

AA"J 6 = х + AA"X 6.

 

Ошибка Ах =

х — х = АА_ 1 Аа;. Оценим

отношение

| Аж|/|а;|.

По свойствам нормы

 

 

 

 

|Да;|^ЯДА-іА|| 1*1^11 ДА"1 ! ||АЦа;|.

 

Если ошибки

Д А - 1

произвольны,

то

возможно

равенство

НДА^А ||= || ДА"1

|| || А || (например,

из (157') и

(154) видно,

что это имеет место при Д А - 1

= лА*). Если же свободные члены Ь,

а потому и х А_1Ь

произвольны, то возможно

равенство

| Ах \ =

|| Д А _ 1 А ||

|ж| (т. е. х

оказывается максимальным

вектором-

столбцом

для

Д А _ 1 А ) . Тогда возможно

равенство | Дж | =

=

ПЛАТАН \х\ =

|| Д А - 1

|| ||А|||а:|.

 

 

 

Итак,

имеет

место неравенство

 

 

 

 

 

 

J M ^ | A | ( A . . I A A - x |

 

 

 

 

 

 

. .

JA-іЦ '

 

 

которое при отсутствии ограничений на изменения Д А - 1 и Ъ может обращаться в равенство.

Аналогично для ошибок ДА в элементах матрицы А и оши­

бок АЪ в свободных членах

Ъ системы

получаются

неравенства

І ^ ^ І І Л І І М - Ч - Ш

:

І ^ ^ И А І ' » ^ »

| Д Ь |

И А І

 

\х\

I I " и |6| '

Как видим, относительная по норме ошибка в вычислении Л - 1 или задании А или b и относительная по длине ошибка в столбце неизвестных х в худшем случае пропорциональны и коэффициент пропорциональности к = || А ||||А-1 ||. Его называют числом обусловленности 1 [31 ] системы Ах = Ь. Оно не может быть меньше единицы, так как

І А Ц І А - Ч з И І А А - і І Н І Е И і .

Смысл числа обусловленности таков: если оно имеет поря­ док 10й , то, как бы хорошо ни был продуман алгоритм решения системы, относительные ошибки задания коэффициентов или сво­ бодных членов системы, а также относительные ошибки округле­ ния при вычислениях должны быть на к порядков меньше, чем допустимые относительные ошибки неизвестных системы.

Теорема 42. Если А — симметричная, то

max | А,- I

 

[ІАІІЦА-Ч

 

 

min I А,- I

 

где %l — собственные значения матрицы A .

 

Д Мы имели И A

||= max X,. Покажем, что

||A_ 1 1| — . , . •

11

І

mm I Ail

і

Можно трактовать А - 1 как матрицу преобразования / - 1 (х), обрат­ ного самосопряженному преобразованию / (х) с матрицей А

1 Нормируя пространства Rn иначе (см. стр. 89), по указанной схеме можно определить и иные числа обусловленности (см., например, [30];. Вычисление некоторых из них более просто.

в

н е к о т о р о м о р т о н о р м и р о в а н н о м базисе. Е с л и

перейти к о р т о -

н о р м и р о в а н н о м у базису собственных в е к т о р о в

п р е о б р а з о в а н и я

/

(х), то его матрица станет д и а г о н а л ь н о й :

 

D :

а матрица п р е о б р а з о в а н и я / 1 (х) будет, с л е д о в а т е л ь н о ,

1

1

D - i : ^2

О т с ю д а

І А - Ч І -

ИГ1 (х) || =

|| D'11|.

Н о

||Z?-MI =

max

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nun | Xi V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д л я

п р о и з в о л ь н ы х

матриц

по

(157)

и

теореме

41

 

 

 

 

 

 

 

 

/

m a x Xi

 

 

 

IIА || || А " * « = V\\ А А *

1 1 ( A A * ) - i

І) = І

/

_ Ц _

г

(158)

 

 

 

 

 

 

V

m i n Л,-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і

 

 

тде Х{

собственные числа м а т р и ц ы

А А * .

 

 

 

 

Пример. Решить систему уравнений

 

 

 

 

 

 

 

 

100,1а:—

99,9г/ =

0,2,

 

 

 

 

 

9 9 , 9 x + 1 0 0 , l ( / = 0 ! 2 .

Точные корни этой системы х = у = 1. Число обусловленности для нее равно 1000. Вычисления проведены но схеме § 22* с пятью верными деся­

тичными знаками

 

 

 

 

 

100,10

99,90

0,2000

0,0040

0,0040

0,9750

99,90

'

100,10

0,2000

—>- - 0 , 9 9 8 0

0,0020

-* 1,0000

—1

 

0

0

—1

0

 

Здесь принято 0,9980-0,0040 = 0,0039, т . е . сделана ошибка в единице

последнего пятого знака. В результате же имеем ошибку в 2,5 единицы

вто­

рого десятичного знака,

т. е. относительная ошибка

возросла в

250

раз

по сравнению с ошибкой в вычислениях, что всего в і

раза меньше числа

обусловленности.

 

 

 

 

Е с л и || А || || А - 1

|| = 1, то систему Ах =

Ъ следует

считать

идеально обусловленной.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ