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

IDZ-lineyka_7_variant

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
07.02.2016
Размер:
605.23 Кб
Скачать

ПРИКЛАД 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]