Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

МОТС ИТМО

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

14.04.2015

Размер:

11.04 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 307 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

которая в согласованных матричных и векторных нормах позволяет записать

1		.	(3.45)
1

	N 1

Деление левой части неравенства (3.43) на левую часть второго неравенства (3.45) и соответственно правой части неравенства (3.43) на правую часть второго неравенства (3.45) усиливает выполнение условий исходного неравенства (3.43) и принимает вид

N 1

(3.46)Если в (3.46) учесть (3.38), а также выражение для относительных погрешностей (3.44), то неравенство (1.8) примет вид

(

■(3.47)

Таким образом, алгебраическое определение числа обусловленности матрицы совпадает с выдвинутым положением утверждения 3.2 и имеет следующую формулировку.

Определение 3.5 (О3.5). Число обусловленности заданное, в форме (3.38), произвольной квадратной матрицы N , порождающей линейную алгебраическую задачу вида (3.37), содержательно представляет собой коэффициент усиления относительных погрешностей задания (знания) компонентов правой части ЛАЗ (3.37) в относительную погрешность ee левой части. □

В заключение заметим, что числа обусловленности C A и C A

подобных матриц A и A , являясь матричными неинвариантами, как правило, связаны отношением неравенства C A C A .

Примеры и задачи

3.1 Выбрать из приводимых ниже матриц пару подобных путем вычисление матричных инвариантов, в случае положительного исхода выбора вычислить все матричные инварианты и неинварианты этих матриц.

3.1.1.	3		0	3.1.2.	7	0	3.1.3.	1	0
3.1.1.				3.1.2.			3.1.3.
		0	5		0	3		0	5
3.1.4.	2		0	3.1.5.	3	0	3.1.6.	0	1
3.1.4.				3.1.5.			3.1.6.
		0	6		7	5		21	4
3.1.7.	0		1	3.1.8	0	1	3.1.9.	3	9
3.1.7.				3.1.8			3.1.9.
		5	4		12	4		0	5

3.1.10.	0		21	3.1.11	0	5
3.1.10.				3.1.11
		1	4		1	4

3.1.13			0	1	3.1.14.		1	2
3.1.13					3.1.14.
		15		8			8	5
3.1.16.		2		0	3.1.17.		0	15
3.1.16.					3.1.17.
			7	6			1	8
3.1.19.		3		8	3.1.20.		6	10
3.1.19.					3.1.20.
			1	1			0		2
3.1.22.		5		16	3.1.23.		5	8
3.1.22.					3.1.23.
			1	1			5	9
3.1.25.			1	1	3.1.26.		5	8
3.1.25.					3.1.26.
		24		9			2	1
3.1.28.		12		3.5	3.1.29.		15		4
3.1.28.					3.1.29.
			24	8			30		7
3.1.31.			5	4	3.1.32.		6	0
3.1.31.					3.1.32.
		10		9			6	2
3.1.34.		21		16	3.1.35.		3	2.67
3.1.34.					3.1.35.
		21		17			3	1
3.1.37.						3.1.38.
0.5	0.5				21		8

22.5	7.5				42	17
3.1.40.
7.33	4.67

2.67		3.33

3.1.12.	0	12
3.1.12.
	1	4
1		4
3.1.15.
	2	3
3.1.18.	7	0
3.1.18.
	8		3
1		1
3.1.21.	8
	8		7
3.1.24.	12	7
3.1.24.
	12	8
3.1.27.	5		8
3.1.27.
	5	9
21		16
3.1.30
	21	17
3.1.33.	15		8
3.1.33.
	15		7

3.1.36.
3.33	5.33
	7.33
2.33	7.33

		3.1.39.
2.5		4.5
	2.5
	2.5	6.5

Решение вариантов задач

Решение задачи 3.1 на примере пары матриц 3.1.15 и 3.1.7. Выдвинем гипотезу, что матрицы

1		4	и		0	1	подобны.

A				A
	2	3			5	4

Вычислим матричные инварианты этих матриц:

1. Характеристические полиномы, которые принимают вид

1		4	( 1)( 3) 2	4 5 ;
det( I A) det			( 1)( 3) 2	4 5 ;
	2	3

			1	( 4) 5 2	4 5.

det( I A) det
	5	4
Гипотеза верна, так			как det( I A) det( I				) , поэтому
						A

выбранные матрицы A и A подобны.

2.Алгебраические спектры собственных значений матриц

A A 1 1; 2 5 : 2 4 5 0; ;

3.Определители (детерминанты) матриц

1		4	( 1)( 3) (2)(4) 4 8 5,
det( A) det			( 1)( 3) (2)(4) 4 8 5,
	2	3

det( A) det 0 1 (0)( 4) (1)(5) 5 ,

5 4

det( A) det( A) 1 2 (1)( 5) 5, det( A) det( A) .

4. Следы матриц
1	4	n	A22
tr( A) tr		Aii A11	A22	( 1) ( 3) 4 ,
2	3	i 1

	0	1	n
	0	1	n	A22
tr( A) tr			Aii A11	A22	( 1) ( 3) 4,
	5	4	i 1

tr( A) tr( A) i 1 2 (1) ( 5) 4.

i 1

Вычислим матричные неинварианты этих матриц:

1. Спектры собственных векторов i ;i 1,n и i ;i 1, n


A								1				4						\|						2		,				1		;
A	i			i														\|	1	1, 2	5					,		2				;
	i		i	i											i		i		1	1, 2	5	1						2
								2			3													1						1
								0			1												1							1
A								0			1				\|								1		,					1	.
A		i			i										\|			1 1, 2 5							,		2				.
		i	i		i							i				i		1 1, 2 5				1					2
								5		4													1						5
i ;i									i ;i						.
i ;i			1, n						i ;i				1, n		.

2. Нормы						A	(*)			и		A		(*) .
						A

2.1. Евклидовы (Фробениусовы) матричные нормы

Aij

12 22 42 32 2 30

i, j 1

02 52 12 42

Aij

i, j 1

2.2. Операторные (индуцированные) нормы

max

;

2.2.1. При p 1

столбцовые нормы.

p 1;

p 1

max

1 max

1 1

max

2.2.2. При p

p строчные нормы.

p ;

max

A j

max


2.2.3. При						p 2				A		p 2 ;		A			p 2 спектральные нормы A и A ,
										A

вычисляемые в силу соотношений
					Ax			2												: det( I AT A) 0;
	A	2	max								M		( A) :		M			( A)	12



				x		x													M
						x	2

			1			2 1							4			5			10
	AT A			4					2											;
				4		3			2				3			10			25

det( I AT A) 2

30 25 0;

1 29.42; 2

0.858; M (A) 1 5.424, m (A) 2

0.9263,

max

( A) 5.424 .

max

(

) :

(

)

: det(

) 0 .

0 5

AT A

;

4 5

20 17

)

25 0;

det(

41.396;

2 0.604; M (

)

1 6.434, m (A) 2 0.7772,

max

(

) 6.434 .

и A

сингулярных чисел

Алгебраические спектры A

A и

подобных матриц

A вычислены в предыдущем пункте и имеют

представления

A 1 5.424; 2 0.9263 ,

A 1 6.434; 2 0.7772 .

4.Спектральные числа обусловленности подобных матриц A и

A , вычисляемых в силу соотношений

A C

A 1

A 5.424( 0.9263 ) 1

5.8557,

■

6.434( 0.7772 ) 1

8.2787.

4. КАНОНИЧЕСКИЕ ФОРМЫ МАТРИЦ. МАТРИЦЫ ПРИВЕДЕНИЯ ПОДОБИЯ


Рассматриваются подобные	матрицы A и		A ,	связанные
матричным условием подобия (3.1) с матрицей		M		приведения
подобия. Будем полагать, что	(n n) матрица		A	задана в

произвольном базисе (имеет произвольную форму), а (n n) матрица

A задана в каноническом базисе (имеет каноническую форму). В связи со сказанным встают два вопроса. Первый вопрос: как формируются матрицы в канонической форме? Второй вопрос: как формируется матрица M приведения подобия, позволяющая с помощью матричного соотношения

		M 1 AM	(4.1)
	A
осуществить переход от матрицы			A , заданной в произвольном

базисе к матрице A , задаваемой в некотором каноническом базисе? Дадим ответ на первый из поставленных вопросов, то есть

построим матрицы ЛО A в канонических формах.
Определение 4.1	(О4.1). Канонической формой (n n)	матрицы
линейного оператора	A будем называть форму (n n)	матрицы

линейного оператора (ЛО), которая построена в соответствии с некоторым правилом (законом, каноном) с тем, чтобы решить одну из возможных задач: сокращение объема матричных вычислений путем минимизации числа ненулевых элементов матрицы; облегчение анализа структуры пространства ЛО A, обеспечение вычислительной устойчивости всех матричных процедур путем уменьшения числа обусловленности матрицы ЛО и т.д.

К настоящему моменту сконструировано большое число

канонических форм задания (n n)

матрицы линейного оператора A,

ниже рассматриваются только базовые канонические формы.

Базовые канонические формы (n n)

матрицы

линейного

оператора A строятся на двух алгебраических спектрах исходной

матрицы A , заданной в произвольном базисе.

Первый

алгебраический

спектр

A i : A i i i : det i I A) 0 : i

представляет

собой

1, n

спектр собственных значений i : i

матрицы A.

1, n

Второй алгебраический спектр

a{A} {ai : det( I A) n a1 n 1

... an 1 an ; i 1,n}

представляет

спектр

коэффициентов

: i

1, n

характеристического полинома D( ) det I A матрицы A.

Рассмотрим канонические представления A исходной матрицы A , которые конструируются на алгебраическом спектре собственных значений матриц, для различных случаев его реализации.

1. Диагональная каноническая форма матрицы может быть построена, когда алгебраический спектр собственных значений имеет

реализацию
A i : Jm( i ) 0; i l ;i l;i,l		.	(4.2)
	1,n
Алгебраический спектр вида (4.2) порождает множество подобных
матриц линейного оператора A, именуемых матрицами простой
структуры.			A в форме (4.2),
В случае реализации алгебраического спектра

когда все собственные значения вещественные и простые (различные,

не кратные), может						быть	построена диагональная матрица с
элементами i			на главной диагонали и нулями на остальных позициях
этой матрицы так, что она принимает вид
		1		0		0 .	0
			0		2	0 .	0
					2				(4.3)
	A		0	0		3 .	0	diag i ; i 1, n	(4.3)
	A		0	0		3 .	0	diag i ; i 1, n

		.		.		. .	.
			0	0		0 .
			0	0		0 .	n

2. Блочно-диагональная каноническая форма матрицы может быть

построена, когда алгебраический спектр собственных значений имеет реализацию

A Jm ( 2i 1,2i ) 0 : 2i 1 i j i ; 2i i j i : i l ;i l;i,l		.
	1, n / 2		(4.4)

В случае реализации алгебраического спектра A в форме (4.4),

когда все собственные значения комплексно-сопряженные и простые

(не кратные), может быть построена блочно-диагональная матрица

~ i

с вещественнозначными матричными блоками ii

i на

главной диагонали и нулями на остальных позициях этой матрицы так, что она принимает вид

	~	~		i	i


A diag ii					; i 1, n / 2; .	(4.5)
			i		i

3. Комбинированная блочно-диагональная каноническая форма

матрицы может быть построена, когда алгебраический спектр собственных значений содержит только простые собственные значения, часть которых числом nR являются вещественными, а

другая часть числом nc 2mc – комплексно-сопряженными, при этом выполняется соотношение n nc nR .

Комбинированная блочно-диагональная матрица имеет на своей главной диагонали диагональную матрицу вида (4.3) размерности (nR nR ) и блочно-диагональную матрицу вида (4.5) размерности

(nc nc ) так, что она примет вид
	~	~

A diag		nR nR ; nc nc .	(4.6)
Матричные		блоки на диагонали	комбинированной блочно-

диагональной матрицы можно менять местами, так что наряду с

формой (4.6) матрица A может иметь представление

(nR nR )}.

A diag{ (nc nc ) ;

(4.7)

Так, например, если алгебраический спектр собственных значений

матриц ЛО A имеет реализацию

A 1,2

j ; i : Jm( i ) 0; i l ;i l;i,l

(4.8)

3,n

то комбинированное блочно-диагональное представление

канонической матрицы A принимает вид

2 n 2

(4.9)

n 2 2

n 2 n 2

где 02 n 2 , 0 n 2 2

, n 2 n 2 –

соответственно нулевые

матрицы размерности 2 n 2 и

n 2 2 и диагональная матрица

размерности

n 2

n 2 .

4. Жорданова

каноническая

форма

матрицы может

быть

построена, когда алгебраический спектр собственных значений имеет реализацию

		p
	k , k 1, p;	p
A k кратности	k , k 1, p;	k n; Jm ( k ) 0; .		(4.10)
		k 1
Тогда жорданова каноническая		форма матрицы	A	по своей

структуре максимально близкая к диагональной форме для случая вещественных кратных собственных значений матриц ЛО A в соответствии со структурой алгебраического спектра (4.10) примет вид

					1	0 .	0
				k	k	1 .	0
					k	1 .	0
	J		.		. . . .
		kk
		kk
A J diag				0	0	0 .	k
				0	0	0 .	k

				0	0	0 .	0
				0	0	0 .	0

;k 1, p

0
0
0
.
1
1

k ( k k )

. (4.11)

Жорданова каноническая форма (4.11) представляет собой блочно-диагональную матрицу, составленную из жордановых

блоков J kk размерности k k , имеющих на своей главной диагонали собственное значение k кратности k , единицы на первой

наддиагонали и нули на остальных позициях блока. Жорданова каноническая форма (4.11) является верхней жордановой формой, наряду с которой может быть построена нижняя жорданова каноническая форма, которая характеризуется тем, что единицы жордановых блоках размещаются на первой поддиагонали. Следует заметить, что жорданова каноническая форма может быть построена и для случая матриц ЛО, алгебраический спектр собственных значений которых содержит кратные комплексно-сопряженные элементы, причем возможны как комплекснозначная так и вещественнозначная формы.

Так вещественнозначная версия жордановой канонической формы для случая кратных комплексно–сопряженных собственных значений исходной матрицы принимает вид

A J diag Jkk

k

k2
.

	0
	0

1	0 .
k	1 .
. . .
0	0 .
0	0 .

где A k k j k кратности

0	0
0	0

0	0
0	0
.	.			,

			;k 1, p
k
	1
	1

k2
k2	k	( k k )
		( k k )

	p
k ,k 1, p;		k n / 2; .
	k 1

Нетрудно видеть, что каноническая форма J приk 0 вырождается в каноническую жорданову форму вида (4.11).

5. Рассмотрим теперь канонические представления A исходной матрицы A , которые конструируются на алгебраическом спектреa A коэффициентов характеристического полинома

D det I A n ai n i (4.12)

i 1

матриц линейного оператора A. Этих представлений два, они совпадают с точностью до транспонирования. Канонические представления имеют вид

		0		1		0		.	0		0	0 n 1 1 I n 1 n 1
												0 n 1 1 I n 1 n 1
		0		0		1		.	0		0

A		.		.		.		.	.		.
														(4.13)
														(4.13)
		0		0		0		.	0		1
		0		0		0		.	0		1
	a			a		a		.	a		a		a
	a		n	a	n 1	a	n 2	.	a	2	a
			n		n 1		n 2			2	1

n 1 n 1

	0	0	.	..0
		0	.	..0
и	1	0	.	..0
и	0	1	.	..0
A T
	. . . .
	0	0	.	..0

	0	0	.	..1

an 1

an 2

		01 n 1












		I

aT . (4.14)

В канонических формах (4.13) и (4.14) a – n -мерный вектор– строка коэффициентов, записанных в обратном по отношению их размещения в характеристическом полиноме порядке так, что он принимает вид

a an , an 1, an 2 ,...a2 , a1 row an 1 i : i		,	(4.15)
	1, n
0(n 1) 1; 01 (n 1); I(n 1) (n 1) – соответственно			n 1 -мерные

матрица-столбец и матрица–строка, а также n 1 n 1 единичная

матрица.

Обе канонические формы (4.13) и (4.14) именуются нормальной,

сопровождающей (свой характеристический полином) и фробениусовой канонической формой. С тем, чтобы их различать текстуально форма (4.13) названа строчной нормальной, сопровождающей или фробениусовой, а (4.14) – столбцовой. Для канонической формы (4.13) используется обозначение A AF .

Строчная сопровождающая каноническая форма матрицы ЛО A имеет в последней строке коэффициенты характеристического полинома, записанные с обратными знаками и в обратном порядке, первую наддиагональ, заполненную единицами, остальные позиции матрицы, заполненные нулями. При использовании этой формы матрицы для модельных представлений динамических объектов она именуется канонической управляемой фробениусовой (сопровождающей) формой.

Столбцовая сопровождающая каноническая форма матрицы ЛО A имеет в последнем столбце коэффициенты характеристического полинома, записанные с обратными знаками и в обратном порядке, первую поддиагональ, заполненную единицами, остальные позиции матрицы, заполненные нулями. При использовании этой формы матрицы для модельных представлений динамических объектов она именуется канонической наблюдаемой фробениусовой (сопровождающей) формой.

Теперь дадим ответ на второй вопрос, поставленный в начале раздела, то есть построим матрицы приведения подобия произвольной матрицы ЛО À к каноническим формам.

Приведение матрицы A простой структуры ЛО A к диагональной форме (4.3) строится на положениях следующих утверждений.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 307 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
25.09.201927.12 Кб0Монополия.docx
#
20.03.201625.6 Кб26монопсония.doc
#
27.04.201927.48 Кб24Монохроматичность.docx
#
14.04.201515.38 Кб92Московская русь.docx
#
04.11.201837.95 Кб3Московское государство.Отличный конспект.docx
#
14.04.201511.04 Mб77МОТС ИТМО.pdf
#
16.08.20191.41 Mб17МСУ.doc
#
16.07.2019101.38 Кб9МУ к лаб раб.doc
#
20.03.20161.16 Mб27МУ МИКРО 2013.doc
#
16.11.20191.28 Mб11МУ по стат..DOC
#
02.11.201813.05 Mб14МФ и ТД 2011.doc