![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений
.pdfпотому 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 / (ех) |
= |
Ххех) |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
хх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«23 |
|
(lit,. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«33 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а„ |
а„ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Она симметричная и |
потому |
ее |
блок |
Ап_х |
симметричный. |
|||||||||||||
Всякий вектор |
подпространства |
Кп_х |
= |
L |
[а2 , а3 , |
. . ., а'п] |
можно |
|||||||||||
представить |
как |
х = 0ех |
+ 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 / |
(ех) |
— Ххех |
и / |
(е2 ) |
= 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 ~Ь 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 |
(х2 ). |
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 {р |
(Ь), а) |
= |
(с, b |
+ |
|
b') |
|
= |
(с, |
b) |
+ |
(с, b'.) |
= |
(с, |
Ь), так как |
||||||||||||||
(с, Ь') |
= |
0. |
Поэтому |
(Ь, р |
(а)) |
|
= |
(р |
|
(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 |
(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 |
(ф (а), ф (а)) |
= |
(ф (ф (а)), а), а по |
идем |
||||||||||||||||||||||||||
потентности |
ф (ф (а)) |
= |
ф (а). Поэтому |
(ф (а), |
ф (а)) = |
(ф (а), |
а) |
|||||||||||||||||||||||
и |
(ф (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 (Ет |
— 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 (х0 ) |
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-д |
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) |
, |
|
|
|х(-|2 |
|
(х( 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 |
||||
~х = ( 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.