IDZ-lineyka_7_variant
.pdfПРИКЛАД РОЗВ’ЯЗАННЯ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАВДАННЯ № 3
1. |
Визначити, |
чи |
є |
лінійним |
перетворення |
A , що переводить вектор |
|
x x1, x2 , x3 |
|
у |
вектор |
Ax 4x1 3x2 |
x3; 3x1 x2 ; x1 2x2 x3 ? |
Якщо так, то знайти його ядро, образ, ранг та дефект.
Розв’язання.
Перевіримо виконання двох властивостей: властивості адитивності та
властивості однорідності. |
|
|
|
|
|
Нехай y y1, y2 , y3 , тоді Ay 4 y1 3y2 |
y3;3y1 y2 ; y1 2 y2 y3 . |
||||
Будемо мати |
x y x1 y1; x2 y2 ; x3 y3 , |
|
|||
|
|
||||
A x y 4 x1 y1 3 x2 y2 |
x3 y3 ; 3 x1 y1 x2 y2 ; |
||||
x1 y1 2 x2 y2 x3 y3 |
4x1 3x2 x3 4y1 3y2 y3 ; |
||||
3x1 x2 3y1 y2 ; x1 2x2 x3 y1 2y2 y3 |
|||||
|
4x1 3x2 x3; 3x1 x2 ; x1 2x2 x3 |
|
|||
|
4 y1 3y2 |
y3; 3y1 y2 ; y1 2 y2 y3 . |
|
||
Бачимо, |
що A x y |
Ax Ay , тобто |
властивість |
адитивності |
|
виконується. |
|
|
|
|
|
Нехай R , тоді |
|
|
|
|
|
|
x x1, x2 , x3 , |
|
|
||
A x 4 x1 3 x2 x3;3 x1 x2 ; x1 2 x2 x3 |
|||||
|
4x1 3x2 x3 ; 3x1 x2 ; x1 2x2 x3 |
, |
тобто A αx Ax і властивість однорідності виконується.
Обидві властивості виконані, тому перетворення A є лінійним. |
||||||||
Запишемо матрицю цього перетворення, для чого знайдемо образи |
||||||||
базисних векторів e1 |
1, 0, 0 , e2 |
|
0,1, 0 , e3 |
0, 0,1 : |
||||
Ae1 4;3;1 , |
|
|
|
Ae2 3;1; 2 , |
Ae3 1; 0;1 . |
|||
|
|
|
4 |
3 |
1 |
|
|
|
Будемо мати: |
~ |
|
3 |
1 |
0 |
|
|
~ |
A |
|
|
. Знайдемо ранг матриці A . Для цього |
|||||
|
|
|
1 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зведемо цю матрицю до ступінчастого вигляду:
|
4 |
3 |
1 |
|
4 3 |
1 |
|
4 |
3 |
1 |
|||||||
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
3 |
1 |
0 |
|
III 3 ~ |
0 |
3 |
1 ~ |
0 |
5 |
3 |
. |
|||||
|
|
1 |
2 |
1 |
|
4 I |
|
0 |
5 |
3 |
|
II |
|
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
~ |
2 і, отже, |
defect A 3 2 1. |
||||
rang A 2, тому rang A rang A |
|||||||
Знайдемо вектори, |
які |
належати |
|
ядру: x ker A Ax 0 або в |
|||
~ |
|
|
|
|
|
маємо однорідну систему лінійних |
|
матричній формі: AX . Таким чином, |
|||||||
алгебраїчних рівнянь: |
|
|
|
|
|
|
|
|
4x1 3x2 x3 0, |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
0, |
|
3x1 x2 |
|
|
||||
|
x |
2x |
2 |
x |
0 |
||
|
|
1 |
|
|
3 |
|
|
або зі зведеною ступінчастою матрицею |
|
|
|||||
|
4x1 3x2 x3 0, |
||||||
|
|
|
5x2 3x3 0. |
||||
|
|
|
Знайдемо її загальний, а потім й фундаментальний розв’язок:
|
x1 0,2x3, |
|
|
|
|
||||
|
|
0,6x3; |
|
|
|
|
|||
|
x2 |
|
|
|
|
||||
|
x1 |
|
x2 |
|
x3 |
|
|
|
|
|
1 |
|
–3 |
|
5 |
|
|
|
|
Отже, фундаментальним розв’язком |
|
буде |
вектор 1; 3; 5 , |
тобто |
|||||
ker A 1; 3; 5 . |
|
|
|
|
|
|
|
||
Знайдемо вектори, які належати |
образу: |
y Im A: x |
|
y Ax |
або в |
||||
|
|||||||||
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
матричній формі: AX Y . Отримана система лінійних алгебраїчних рівнянь |
повинна мати розв’язок. Дослідимо її на сумісність. Для цього запишемо розширену матрицю цієї системи й зведемо її до ступінчастого вигляду:
4 |
3 |
1 |
|
y |
|
|
4 3 |
1 |
|
y |
|
|
4 |
3 |
1 |
|
y |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
3 |
1 |
0 |
|
y2 |
|
III 3 ~ 0 |
5 |
3 |
|
y2 3y3 |
|
1 ~ 0 |
5 |
3 |
|
y2 3y3 |
. |
||||||
|
1 |
2 |
1 |
|
y |
|
4 I |
|
0 |
5 |
3 |
|
4 y y |
|
II |
|
0 |
0 |
0 |
|
y y y |
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
3 1 |
|
|
|
|
|
|
|
3 1 |
|
Для того, щоб ця система мала розв’язки, повинні співпадати ранги матриці системи й розширеної матриці системи. Ранг матриці системи дорівнює двом, тому ранг розширеної матриці системи повинен дорівнювати двом. Остання умова буде виконуватися, якщо y3 y1 y2 0 . Таким чином,
отримали однорідну систему лінійних алгебраїчних рівнянь відносно змінних |
||||||||
y1, y2 , y3 |
, загальним розв’язком якої є y1 y2 |
y3 , а фундаментальними – |
||||||
|
|
y1 |
y2 |
|
y3 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
1 |
0 |
|
1 |
|
1; 1; 0 , |
1; 0; 1 , тобто |
Отже, фундаментальними розв’язками будуть вектори: |
Im A 1; 1; 0 , 1; 0; 1 .
2.Знайти а) власні значення та відповідні власні вектори;
б) кореневі підпростори;
в) жорданову форму та жорданів базис лінійного оператора А, який |
|||||||
|
|
|
|
|
~ |
|
|
заданий у деякому базисі матрицею A ; |
~ |
|
|||||
г) з’ясувати, чи можна звести матрицю |
A |
лінійного оператора А |
|||||
до діагонального вигляду |
|
|
|
|
|
||
|
|
3 |
3 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
|
A |
4 |
4 |
1 |
3 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Розв’язання.
а) Знайдемо характеристичний многочлен лінійного оператора
|
|
3 |
|
3 |
1 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
A |
|
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
|
2 2 2 . |
||||||
|
4 |
4 |
1 |
|
|
3 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
4 |
|
4 |
1 |
|
1 |
|
|
|
||||
Його корені 1 2 |
і 2 |
0 , отже, Spec A 0, |
2 . |
|
|
|
|||||||||
Знайдемо власний вектор, що відповідає знайденому власному |
|||||||||||||||
значенню 2 . |
Для |
цього |
розв’яжемо |
однорідну СЛАР, записану в |
|||||||||||
матричній формі: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
3 |
|
1 0 |
|
x1 |
|
|
|
0 |
||||
|
|
|
1 |
|
0 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
x2 |
|
|
|
0 |
|
||||
|
|
4 |
4 |
1 3 |
|
|
x |
|
|
0 |
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
|
1 3 |
|
x |
4 |
|
|
|
0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зведемо матрицю системи до ступінчастого вигляду:
|
1 |
3 |
1 |
0 |
|
1 |
3 |
1 |
0 |
|
1 |
3 |
1 |
0 |
|||||
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
I |
|
0 |
4 |
1 |
1 |
1 |
|
0 |
4 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
3 |
|
I 4 |
~ |
0 |
8 |
3 |
3 |
|
II 2 |
~ |
0 |
0 |
1 |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
|
|
III |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
Запишемо систему, яка відповідає отриманій матриці, й знайдемо її розв’язок:
x1 |
3x2 x3 |
|
0, |
x1 x4 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4x2 x3 x4 0, x2 0, |
|
|
|||
|
x x |
4 |
0 |
x x |
4 |
. |
|
3 |
|
3 |
|
Таким чином, власний вектор, що відповідає власному значенню 2 , буде мати вигляд x1 c1 1; 0; 1;1 , де c1 const 0 .
Знайдемо власний вектор, що відповідає знайденому власному значенню 0 . Для цього розв’яжемо однорідну СЛАР, записану в матричній формі:
3 |
3 |
1 |
0 |
x1 |
|
|
0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
x2 |
|
|
0 |
|
|
|
4 |
4 |
1 |
3 |
|
x |
|
|
0 |
. |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
1 |
x4 |
|
|
|
Зведемо матрицю системи до ступінчастого вигляду:
3 |
3 |
1 |
0 |
|
3 |
3 |
1 |
0 |
|
3 |
3 |
1 |
0 |
||||||
|
1 |
1 |
0 |
1 |
3 I |
|
0 |
0 |
1 |
3 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
3 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
3 |
|
IV |
~ |
0 |
0 |
2 |
2 |
|
II 2 |
~ |
0 |
0 |
0 |
4 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
|
|
II 4 |
|
0 |
0 |
1 |
3 |
|
II |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
Запишемо систему, яка відповідає отриманій матриці й знайдемо її розв’язок:
3x1 3x2 |
x3 |
0, |
x1 x2 , |
|
|
|
|
|
0; |
|
x3 3x4 0; x3 |
|||
|
4x4 0 |
|
0. |
|
|
x4 |
Таким чином, власний вектор, що відповідає власному значенню 0 , буде мати вигляд x2 c2 1;1; 0; 0 , де c2 const 0 .
б) Алгебраїчна кратність власного значення 0 дорівнює 2. Отже,
для того, щоб скористатися визначенням кореневого підпростору, нам треба |
||||||||||||||||||||||||||||||
знайти другий степінь лінійного оператора A 0I з матрицею |
~ |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
A 0E : |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
3 1 0 3 |
|
3 1 0 |
|
8 |
|
8 4 0 |
||||||||||||||||
~ |
|
2 |
|
~ |
|
1 |
|
1 0 1 |
1 |
|
1 0 1 |
|
|
0 |
|
0 0 0 |
|
|||||||||||||
A 0E |
|
A2 |
4 |
|
4 1 |
|
|
4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
1 3 |
|
8 |
|
|
0 4 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
8 |
|
8 4 0 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 1 1 |
|
4 1 1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
Знайдемо тепер базис ядра лінійного оператора A 0I 2 . |
|
Для цього треба |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
0 з матрицею |
||||||||
знайти підпростір розв’язків однорідної системи рівнянь A |
||||||||||||||||||||||||||||||
системи |
~ |
2 |
. Маємо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
8 |
8 |
4 |
0 |
1/ 4 |
|
2 |
|
2 |
1 |
0 |
|
|
|
2 |
|
2 |
1 |
0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
|
0 |
0 |
0 |
|
III |
|
0 |
|
0 |
1 |
1 |
|
|
||||
~ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
A |
|
|
8 |
8 |
0 |
4 |
|
I |
~ |
0 |
|
0 |
4 |
4 |
|
1/ 4 ~ |
|
0 |
|
0 |
0 |
0 |
. |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 |
4 0 |
|
I |
|
0 0 |
0 0 |
|
|
|
0 0 |
0 0 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Загальний розв’язок |
x1 x2 |
0,5x4 , |
. Фундаментальна система розв’язків |
|||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
|
x3 x4. |
|
|
|
|
|
|
||||||
системи рівнянь |
~ |
|
|
|
|
буде: |
|
|
|
c 1; 1; 0; 0 , |
c const 0 |
, |
||
|
|
|
|
|
f |
|||||||||
|
A2 x 0 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c2 1; 0; 2; 2 , c2 const 0 . Отже, система векторів |
|
|
|
|
|
|
f2 |
|
f1, f2 – базис |
||||
кореневого підпростору, який відповідає власному значенню |
0 . |
Так як алгебраїчна кратність власного значення 2 дорівнює двом,
то, аналогічно попередньому випадку, знайдемо квадрат матриці лінійного |
|||||||||||||||||||||||||
оператора |
A 2I |
з |
|
матрицею |
|
~ |
2E |
|
|
і |
за |
|
допомогою |
|
елементарних |
||||||||||
|
|
A |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
перетворень зведемо її до ступінчастого вигляду: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
3 |
1 |
|
0 |
1 |
|
3 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
1 1 0 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1 |
0 1 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
~ |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
A |
2E |
|
4 |
4 |
1 |
|
3 |
|
|
4 |
4 |
1 3 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
1 |
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
1 3 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
4 0 |
|
|
1/ 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
0 |
0 |
|
|
|
|
1 0 0 1 |
|
1 0 0 1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
4 0 0 |
4 |
1/ 4 I |
|
|
0 1 0 |
0 |
|
|
0 |
1 0 0 |
|
|||||||||||||
|
8 |
8 |
0 |
8 |
|
|
2II |
|
~ |
|
0 |
8 |
|
|
0 |
0 |
8II ~ |
0 |
0 |
0 |
0 |
. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 |
0 |
8 |
|
|
III |
|
|
|
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 x4 ,
Загальний розв’язок x2 0, Фундаментальна система розв’язків
x3 x3.
|
|
c3 0; 0; 1; 0 , |
|
c4 1; 0; 0; 1 , c3, c4 const 0 |
є |
базисом кореневого |
|||
|
f3 |
f4 |
|||||||
підпростору, який відповідає власному значенню 2 . |
|
|
|
||||||
|
|
в) Покажемо два способи знаходження жорданової форми та |
|||||||
жорданового базису лінійного оператора. |
|
|
|
|
|||||
|
|
І спосіб. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Знайдемо жорданові клітини, що відповідають |
власному |
значенню |
|||||
2 . Ранг r1 матриці |
~ |
r2 |
|
~ |
2 |
||||
A 2E дорівнює 3, ранг |
матриці |
A 2E |
дорівнює r2 2 . Число жорданових клітин 1-го порядку, |
що відповідають |
||||||||||||||
власному значенню |
2 , дорівнює |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
N1 2 r0 0 2r1 0 r2 0 4 2 3 2 0 , |
|
|
|
|||||||||||
тобто жорданова |
нормальна |
форма |
не |
містить |
клітин 1-го |
|
порядку, що |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
3 |
та її ранг: |
||
відповідають власному значенню 2 . Знайдемо A 2E |
|||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
4 0 |
0 |
|
|
1 |
3 |
1 |
0 |
|
||
|
|
|
|
4 0 0 |
|
|
|
|
|
1 0 |
1 |
|
|
||
~ |
3 |
|
|
4 |
|
|
|
1 |
|
|
|||||
A 2E |
|
8 |
8 0 |
8 |
|
|
4 |
4 |
1 |
3 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 0 |
8 |
|
|
|
4 |
4 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
4 |
4 |
0 |
4 |
|
|
4 |
4 |
0 |
4 |
|
4 |
4 |
0 |
4 |
|||||
|
12 |
4 |
0 |
12 |
|
I 3 |
|
0 |
16 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
16 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
16 |
16 |
0 |
16 |
|
I 4 |
~ |
0 |
32 |
0 |
0 |
|
II 2 |
~ |
0 |
0 |
0 |
0 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
16 0 |
16 |
|
IV |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ранг останньої матриці r3 2 . Тоді |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
N2 0 r1 0 2r2 0 r3 0 3 2 2 2 1. |
|
|
|
|
|||||||||||||||
r2 r3 2, отже, |
жорданова нормальна форма матриці, що відповідає 2 , |
||||||||||||||||||||
має одну клітку порядку 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Знайдемо жорданові клітини, що |
відповідають |
власному |
значенню |
||||||||||||||||||
0. Ранг r1 |
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
ранг r2 |
|
|
|
~ |
2 |
||||
матриці |
A 0E |
дорівнює |
3, |
матриці |
A 0E |
||||||||||||||||
дорівнює r2 2 . Число жорданових клітин 1-го порядку, |
що відповідають |
||||||||||||||||||||
власному значенню 0, дорівнює |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
N1 0 r0 |
0 |
2r1 0 r2 0 4 2 3 2 0 , |
|
|
|
|
|||||||||||||
тобто жорданова нормальна |
форма |
не |
містить |
клітин |
1-го порядку, що |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
3 |
та її ранг: |
|
|||
відповідають власному значенню 0 . Знайдемо A 0E |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
8 |
|
8 4 |
0 3 |
|
|
3 1 |
|
0 |
|
|
|
||||||
|
~ |
3 |
~ |
|
0 |
|
0 0 |
0 |
|
1 |
|
|
1 0 |
|
1 |
|
|
|
|||
|
A 0E |
A3 |
|
|
8 0 |
|
|
|
4 |
4 1 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
8 |
4 |
|
|
3 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
8 4 |
0 |
|
|
4 |
|
|
4 1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||||||||
|
16 |
16 |
12 |
4 |
|
|
16 |
16 |
|
12 |
4 |
|
|
4 |
4 |
3 |
1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
0 |
0 |
0 0 |
|
|
|
0 |
0 0 0 |
|
|
0 |
0 1 1 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
16 |
16 |
4 4 |
|
I |
~ |
0 |
0 8 8 |
|
~ |
0 |
0 0 0 |
. |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
16 12 4 |
|
I |
|
0 |
0 0 0 |
|
|
0 |
0 0 0 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Ранг останньої матриці r3 2 . Тоді |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
N2 0 r1 0 2r2 0 r3 0 3 2 2 2 1. |
|
|
|
|
r2 r3 2, отже, жорданова нормальна форма матриці, що відповідає 0,
має одну клітку порядку 2.
Тепер вже неважко побудувати й саму матрицю, що має жорданову
нормальну форму: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
J |
0 |
0 |
0 |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для знаходження жорданового базису, у якому матриця лінійного |
|||||||||
оператора має жорданову форму, |
треба |
знайти |
матрицю |
переходу |
P , |
||||
розв’язавши відносно P матричне рівняння: |
J P |
1 ~ |
~ |
. |
|||||
|
AP , тобто |
PJ AP |
Нехай
x11
P x21x31
x41
Тоді
x |
x |
x |
|
12 |
13 |
14 |
|
x22 |
x23 |
x24 |
|
x32 |
x33 |
x34 |
. |
|
|||
x42 |
x43 |
x44 |
|
|
x |
x |
x |
x |
|
2 1 |
|
0 |
0 |
2x |
x 2x |
|
0 |
x |
|
|
||||||||||||||
11 |
12 |
|
13 |
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
11 |
|
12 |
|
13 |
|
|
||||||
x21 |
x22 |
x23 |
x24 |
|
|
0 2 |
|
0 |
0 |
|
|
2x21 |
x21 2x22 |
0 |
x23 |
|
|
||||||||||||
PJ x |
x |
x |
x |
|
|
0 0 |
|
0 |
1 |
|
|
2x |
x 2x |
|
0 |
x |
|
, |
|||||||||||
31 |
32 |
|
33 |
34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31 |
|
31 |
|
32 |
|
33 |
|
|
||||||
x |
41 |
x |
42 |
x |
43 |
x |
44 |
|
|
0 0 |
|
0 |
0 |
|
|
2x |
x |
41 |
2x |
42 |
0 |
x |
43 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
41 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
3 |
1 |
0 |
x |
|
x |
|
x |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
12 |
13 |
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
0 |
1 |
x21 |
x22 |
x23 |
|
x24 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
AP |
4 |
4 |
1 |
3 |
|
x |
|
x |
|
x |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31 |
32 |
33 |
|
|
34 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
1 |
|
|
|
|
|
x42 |
x43 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
x41 |
|
x44 |
|
|
|
|
|
|
|
3x11 3x21 x31 |
|
3x12 3x22 x32 |
|||||||
|
x11 x21 x41 |
|
x12 x22 |
x42 |
||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4x11 4x21 x31 3x41 |
4x12 4x22 x32 3x42 |
||||||||
|
||||||||||
|
4x 4x |
21 |
x |
x |
41 |
4x 4x |
22 |
x |
x |
|
|
11 |
31 |
|
12 |
|
32 |
42 |
3x13 3x23 x33 |
|
|
|
3x14 3x24 x34 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
x13 x23 x43 |
|
|
|
x14 x24 |
x44 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|||||||
4x13 4x23 x33 3x43 |
4x14 4x24 x34 3x44 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
4x13 4x23 x33 x43 |
4x14 4x24 x34 x44 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
x11 3x21 x31 |
|
x11 x12 3x22 x32 |
|
||||||||||||
|
x11 x21 x41 |
|
x21 x12 x22 |
x42 |
|
|||||||||||
|
|
|
||||||||||||||
PJ AP |
4x 4x |
|
x |
3x |
|
x 4x |
4x |
|
x |
|
|
3x |
|
|||
|
21 |
41 |
22 |
|
|
42 |
||||||||||
|
11 |
|
31 |
|
31 |
12 |
|
|
32 |
|
||||||
|
4x11 4x21 x31 3x41 |
x41 4x12 4x22 x32 3x42 |
||||||||||||||
|
||||||||||||||||
3x13 3x23 x33 |
|
|
x13 3x14 3x24 x34 |
|
|
|
|
|||||||||
x13 x23 x43 |
|
|
x23 x14 |
x24 x44 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
4x13 4x23 x33 3x43 |
x33 4x14 4x24 x34 3x44 |
. |
|
|||||||||||||
|
|
|||||||||||||||
4x13 4x23 x33 x43 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
x43 4x14 4x24 x34 x44 |
|
Отримаємо однорідну систему рівнянь. Матрицю цієї системи треба привести до ступінчастого вигляду, потім знайти загальний та один
частинний розв’язок. Будемо мати: x44 4 , |
x41 1 , |
x42 1, x43 0 , |
x34 4 , |
||||
x33 0 , |
x32 0 , |
x31 1, x24 1, x23 2 , |
x21 0 , |
x22 0 , |
x14 1, |
x13 2 , |
|
x12 1, |
x11 1. |
Отже, матриця переходу |
до жорданового |
базису |
|
матиме |
вигляд:
|
1 |
1 |
2 |
1 |
|
|
0 |
0 |
2 |
1 |
|
|
|
||||
P |
1 0 |
0 |
4 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
4 |
|
|
|
ІІ спосіб.
Знайдемо вектори жорданового базису, які відповідають власному
значенню 2 . Для побудови ланцюжків векторів за основу візьмемо базис |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
0; 0; 1; |
0 , |
|
|
|
1; 0; 0; 1 , який |
||||||||
кореневого підпростору |
|
|
e1 f3 |
|
e2 f4 |
||||||||||||
відповідає власному значенню 2 . Тоді |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
1 |
3 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
|
||||||
|
|
|
|
1 |
|
1 0 |
1 |
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
||
A 2I e |
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||||||||
|
1 |
|
|
4 |
4 |
1 |
3 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
1 |
|
|
0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
1 |
3 |
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
|
||||||
|
|
|
|
1 |
|
1 0 |
1 |
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
||
A 2I e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|||||||
2 |
|
4 |
4 |
1 |
3 |
|
0 |
|
|
1 |
|||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
Далі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
4 0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
|
||||
|
|
|
|
4 |
0 0 4 |
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
, |
||||||
A 2I |
e |
|
8 |
8 0 8 |
1 |
|
0 |
|||||||
|
1 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 0 8 |
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
0 |
4 0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
|
||||
|
|
|
|
4 |
0 0 4 |
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
. |
||||||
A 2I |
e2 |
|
8 |
8 0 8 |
|
0 |
|
|
0 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 0 8 |
|
1 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Маємо ланцюжки векторів |
|
|
|
|
A 2I e1, e1 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S1 : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
S2 : A 2I e2 , e2 . |
|
|
|
|
|
|
|
Тепер впорядкуємо ланцюжки по довжині, а для зручності запишемо їх по рядках у матрицю й зведемо крайню ліву матрицю до ступінчастої форми:
1 0 |
1 1 |
|
0 |
0 1 0 |
|
|
|
1 0 |
1 1 |
|
|
|
0 0 1 0 |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
1 |
0 0 1 |
|
I |
~ |
0 0 |
0 0 |
|
|
|
1 0 1 |
1 |
. |
|||||
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Після викреслювання нульового вектора отримаємо |
|
|
||||||||||||||||||
1 0 |
1 1 |
|
0 |
0 1 0 |
|
|
1 0 |
1 1 |
|
0 0 1 0 |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 1 |
|
|
|
|
I |
~ |
0 0 |
0 0 |
|
|
|
|
. |
||||||
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ліва матриця приведена до ступінчастої форми, отже, система, яка складається з перших векторів ланцюжків, лінійно незалежна. Отже, й вся система векторів лінійно незалежна. Отримали жорданів базис u1 1; 0; 1; 1 , u2 0; 0; 1; 0 , який відповідає власному значенню 2 .
Знайдемо тепер вектори жорданового базису, які відповідають
власному |
значенню 0 . |
Для |
побудови |
ланцюжків |
|
векторів |
за основу |
||||||||||||||||||
візьмемо |
базис e1 |
|
1; 1; 0; 0 , |
e2 |
|
1; 0; 2; 2 |
кореневого |
||||||||||||||||||
f1 |
f2 |
||||||||||||||||||||||||
підпростору, який відповідає власному значенню 0 . Тоді |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
3 |
1 |
0 |
|
1 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
A 0I e |
1 |
|
1 |
0 1 |
1 |
|
|
|
|
|
0 |
, |
|
|||||||||||
|
|
|
1 |
|
4 |
4 |
1 3 0 |
|
|
|
0 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
3 |
1 0 |
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
A 0I e |
|
1 |
|
1 |
0 1 |
0 |
|
|
|
1 . |
|
|||||||||||||
|
|
|
2 |
4 |
4 |
1 3 2 |
|
|
0 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Далі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 |
4 0 |
|
1 |
|
|
|
0 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 0 |
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|||||||||||||||
|
A 0I |
|
e2 |
8 |
8 |
0 4 |
|
2 |
|
0 |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
8 |
8 |
4 0 |
|
2 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нами побудовані ланцюжки векторів:
S1 : e1 ;
S2 : A 0I e2 , e2 .
Тепер впорядкуємо ланцюжки по довжині, а для зручності запишемо їх по рядках у матрицю й зведемо крайню ліву матрицю до ступінчастої форми:
1 |
1 0 |
0 |
|
2 |
2 |
|
1 |
1 0 |
0 |
|
1 0 |
2 |
2 |
||
1 0 |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 0 |
0 |
|
|
|
I |
~ |
0 |
0 0 |
0 |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ліва матриця приведена до ступінчастої форми, отже, система, яка складається з перших векторів ланцюжків, лінійно незалежна. Отже, й вся
система векторів |
лінійно |
незалежна. Отримали жорданів |
базис |
u3 1; 1; 0; 0 , u4 |
1; 0; 2; |
2 , який відповідає власному значенню 0 . |
|
Кожному ланцюжку довжини h відповідає клітина порядку |
h в |
жордановій нормальній формі. Наш базис складається з двох ланцюжків, кожний довжиною 2. Отже, матриця оператора в цьому базисі має дві клітини, обидві порядку 2:
|
2 |
1 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
2 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|||||
J |
0 |
0 |
0 |
1 |
. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|||
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
Так як всі обчислення проводилися в тому базисі, в якому дана матриця оператора, то в цьому ж базисі дано вектори жорданового базису u1 , u2 , u3 ,
u4 . Тоді, за означенням, матриця переходу від першого базису до іншого має вигляд
|
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
P |
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
e u |
|
1 |
1 |
0 |
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
г) З’ясуємо, чи можна звести матрицю лінійного оператору до діагонального вигляду. Характеристичний многочлен матриці цього
оператора: A 2 2 2 , тобто |
маємо розклад цього |
многочлена на |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
може мати діагональну |
|||||||
лінійні множники. Робимо висновок, що матриця A |
|||||||||||||||||||||||||
форму. Для кожного власного значення 0 |
і 2 , алгебраїчна кратність |
||||||||||||||||||||||||
яких |
дорівнює |
2, |
знайдемо |
дефект |
матриці |
~ |
|
|
|
~ |
0E 1, |
||||||||||||||
A i E : |
defect A |
||||||||||||||||||||||||
|
|
~ |
|
Для |
кожного власного значення отриманий дефект |
||||||||||||||||||||
defect A 2E 1. |
|||||||||||||||||||||||||
(геометрична кратність |
відповідного власного |
значення) не співпадає з |
|||||||||||||||||||||||
алгебраїчною кратністю i |
|
|
|
A , |
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
в |
тому матрицю |
A не можна звести до |
|||||||||||||||||||||||
діагонального вигляду. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3. |
Дано підпростір |
|
L |
|
f1 1; 2; 0; 2 ; f2 |
1, 2, 4, |
2 . |
|
Знайти |
базис |
|||||||||||||||
|
ортогонального доповнення L . Визначити ортогональну проекцію y |
||||||||||||||||||||||||
|
й |
ортогональну |
|
|
складову |
z |
вектора |
x 2, 3, 1, 4 |
відносно |
||||||||||||||||
|
підпростору L . Задачу розв’язати двома способами. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
Розв’язання. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Нехай x x , x |
2 |
, |
x , |
x |
4 |
– вектор ортогонального доповнення L . Тоді |
||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
x L, |
тобто |
x, a1 |
0, |
|
x1 2x2 |
2x4 |
0, |
Знайдемо |
ФСР |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0. |
||||||||||
|
|
|
x, a |
2 |
0, |
|
x 2x 4x 2x |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
отриманої системи: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
x1 2x3, |
|
|
|
|
|
x1 |
|
x2 |
x3 |
|
x4 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 |
2 |
|
|
–1 |
1 |
|
0 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
x2 x3 |
|
x4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
0 |
|
|
–1 |
0 |
|
1 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|