Funcția matrice

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În algebra liniară , conceptul de funcție poate fi extins la matrici pătrate de orice ordin n prin asocierea unei serii Maclaurin la fiecare funcție, reducându-l la o sumă infinită de puteri ale matricilor:

Din care este deja clar că o funcție de matrice pătrată este o matrice de același ordin ale cărei elemente sunt constituite printr-o combinație liniară a funcției elementelor matricei de pornire, în timp ce în general funcțiile elementului corespunzător al matricei de plecare. Funcțiile matriciale sunt utilizate în special pentru rezolvarea sistemelor diferențiale , dintre care cele mai simple sunt sisteme diferențiale de ordinul întâi , în a căror soluție apar în special matricea exponențială și matricea de putere.

Limitarea seriei

Mulțumim teoremei Hamilton-Cayley sub forma:

putem reduce procedura de la calculul puterilor matriciale de la infinit dat de definiție la cel de puteri (identitatea și matricea în sine nu sunt trivial necalculate), chiar dacă complică coeficienții: înmulțindu-se de mai multe ori la dreapta și la stânga semnului egal cu matricea , este ușor să verificați dacă fiecare putere se poate exprima ca o combinație liniară numai a celei dintâi matrici.

Identificarea coeficienților seriei finite

Se poate observa că fiecare valoare proprie a matricei de pornire anulează, prin definiție, polinomul caracteristic, deci în mod analog cu ceea ce se întâmplă pentru matrice:

Prin urmare, scriind această relație pentru fiecare valoare proprie, obținem un sistem liniar a cărui matrice este un pătrat al tipului Vandermonde de linii și coloane, care, totuși, nu sunt inversabile atunci când există valori proprii distincte deoarece unele au multiplicitate cu , deoarece se repetă liniile corespunzătoare:

Metoda de interpolare polinomială este apoi utilizată pentru a constrânge sistemul suficient, recurgând la derivatele succesive până la -th:

Aceasta este o matrice inversabilă a linii și coloane care definesc în mod unic coeficienții și permit calculul acestora. Pentru o mai mare simplitate a înțelegerii, se oferă forma extinsă:

Procedură

Pe baza considerațiilor făcute, calculul unei funcții matriciale constă din următorii șase pași elementari:

  • identificarea seriei MacLaurin asociate funcției;
  • calcularea valorilor proprii ale matricei originale;
  • calculul funcției acestor valori proprii , și în cazul valorilor proprii cu multiplicitate n j a valorilor asumate și de derivatele până la -alea inclusă;
  • calcularea coeficienților de putere ca soluție a sistemului Vandermonde liniar neomogen de mai sus;
  • calculul puterilor matricei originale ca produs sau mult mai rapid folosind teorema Hamilton-Cayley ;
  • calculul combinației liniare a acestor puteri cu coeficienții deja calculați.

Exemplu de aplicație

Să calculăm sinusul matricei:

Valorile proprii se dovedesc a fi cu multiplicitate Și cu multiplicitate prin urmare, coeficienții sunt:

prin urmare, se dovedește că:

Puterea matricei

Puterea matricei necesară pentru calcularea oricărei alte funcții devine, de asemenea, mult mai rapidă pe baza considerentelor anterioare, cu cât este mai mică ordinea matricei cu privire la exponent și, în general, este convenabil cu privire la efectuarea tuturor multiplicărilor simple necesare atunci când .

În realitate, pentru exponenții întregi este încă mult mai rapid să se exploateze teorema Hamilton-Cayley direct; totuși, acest sistem permite generalizarea definiției puterii pentru a admite un exponent complex :

unde în acest caz coeficienții sunt:

De exemplu, vrem să calculăm:

de la valoarea proprie are multiplicitate , matricea Vandermonde coincide cu matricea originală:

prin urmare:

De exemplu, putem admite cu ușurință că:

Elemente conexe


Controlul autorității Tezaur BNCF 54100
Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de matematică