Главная » Просмотр файлов » 1611689220-1e5d12ed6413322f5f3df7230054db67

1611689220-1e5d12ed6413322f5f3df7230054db67 (826744), страница 5

Файл №826744 1611689220-1e5d12ed6413322f5f3df7230054db67 (Лекции Блохин) 5 страница1611689220-1e5d12ed6413322f5f3df7230054db67 (826744) страница 52021-01-26СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

формулу(10))¶¶ µ t 2tµ 2t t ¶ µtee−e01ee.=etA = 2t0e2t1 −1e 0Очевидно, что матрица etA перестановочна с A:¶¶µ¶ µ¶ µ t 2tµ t 2t1 11 1e e − ete e − et.=0 20 20e2t0e2tВыше мы уже показали, что:(etA )−1 = e−tA и ||etA || ≤ e|t|·||A||∗Лекция №4, НГУ, ММФ, 20097(см. (12) и (14)). Следовательно:||e−tA || ≤ e|t|·||−A|| = e|t|·||A||(мы использовали здесь очевидный факт, что || − A|| = ||A||).Далее, так какetA e−tA = IN и ||IN || = 1 ≤ ||etA || · ||e−tA ||, то||etA || ≥1||e−tA ||≥ e−|t|·||A|| .(15)Итак, мы получили, как это принято говорить, двухстороннююоценку для матричной экспоненты etA :e−|t|·||A|| ≤ ||etA || ≤ e|t|·||A|| .(16)В заключении этого параграфа еще раз отметим, что у матричной экспоненты etA много общих свойств с обычной экспоненциальной зависимостью eat , но есть и существенные отличия, которые и заставляют нас очень осторожно обращаться с матричнойэкспонентой etA . Так, например, вообще говоряet(A+B) 6= etA etB ,где A, B - квадратные матрицыµ¶порядкаµN .

¶1 00 1Пример 2. Пусть A =, B=и0 20 0µ¶1 1.A+B =C =0 2¶µ¶µ t1 te 0tBtA=, etC =Нетрудно показать, что e =2t , e0 10 e¶µ t 2tte e −eи etC 6= etA etB . ∗0e2tЛекция №4, НГУ, ММФ, 20098Упражнения к §41. Доказать неравенство треугольника для квадратных матрицA, B порядка N :||A + B|| ≤ ||A|| + ||B||.2. Задача dZ(s)= −Z(s)A, 0 ≤ s < tdsZ(t) = INназывается сопряженной по отношению к задаче dY (t)= AY (t), t > 0,dtY (0) = IN .Докажите, что Z(s) = Y (t)Y −1 (s).3.

Докажите, чтоet(A+B) = etA etB ⇐⇒ AB = BA.4. ЕслиkP(A) = pk A + ... + p1 A + p0 IN =kXpj Aj ,j=0lQ(A) = ql A + ... + q1 A + q0 IN =lXqj Aj ,j=0где pj , j = 0, k, qi , i = 0, l - постоянные коэффициенты, A квадратная матрица порядка N , тоet(P+Q) = etP etQ .∗§5. Вычисление матричной экспоненты для некоторыхспециальных матриц.Обсудим теперь возможность нахождения матричной экспоненты для некоторых классов матриц.

Начнем с самого простого случая, когда A - диагональная матрица, т.е.τ10....A = diag(τ1 , ..., τN ) = 0τNПоскольку (см. §4), по определениюetA=∞ kXtk=0k!Ak(1)иAk = diag(τ1k , ..., τNk ), k = 0, 1, 2, ... ,тоÃetA = diag∞ kXtk=0k!τ1k , ...,∞ kXtk=0k!!τNk= diag(etτ1 , ..., etτN ).Без труда можно найти etA для тех матриц A, которые приводятся тем или иным способом к диагональной форме. Как известноиз теории матриц таковыми являются:а) Эрмитовы матрицы A, т.е. A∗ = A.

В этом случае существует унитарная матрица U = U (A) (см., также, §1), такая, что:A = U ∗ diag(τ1 , ..., τN )U.Здесь τi = τi (A), i = 1, N - собственные значения матрицы A.1Лекция №5, НГУ, ММФ, 20092б) Нормальные матрицы A, т.е. матрицы A, которые перестановочны с A∗ : AA∗ = A∗ A. Для нормальной матрицы A тожесуществует унитарная матрица U = U (A), приводящая матрицуA к диагональному виду:A = U ∗ diag(τ1 , ..., τN )U.в) Матрицы A, имеющие простой спектр, т.е. некратные собственные значения τi = τi (A), i = 1, N . В этом случае, существуетневырожденная матрица T = T (A), det T 6= 0, такая, что:A = T −1 diag(τ1 , ..., τN )T.Для этих классов матриц матричная экспонента etA вычисляетсятак.

Поскольку (см. §4)(etA )0 = AetAили(etA )0 = U ∗ DU etA© tA 0ª(e ) = T −1 DT etA ,D = diag(τ1 , ..., τN ),то матрица Z(t) = U etA U ∗ (Z(t) = T etA T −1 ) удовлетворяет следующей Задаче Коши для матричной системы(Z 0 (t) = DZ(t), t ∈ R1 ,(1)Z(0) = U IN U ∗ (= T IN T −1 ) = IN .Значит (см. §4)Z(t) = etD = diag(eτ1 t , ..., eτN t )иetA = U ∗ etD U (= T −1 etD T ),что и требовалось доказать. ∗Для произвольных матриц дело обстоит, конечно, намного сложнее. В теории матриц есть одна полезная теорема, а именно:Лекция №5, НГУ, ММФ, 20093Теорема Шура.

Если дана матрица A, то существуетунитарная матрица U = U (A), приводящая матрицу A кверхнему треугольному виду ∆:τ1 p12 . . . . . . . . . p1N0 τ ......... p22N ...∆=,τN −1 pN −1,N 0τNpij (i < j), i = 1, N − 1, j = 2, N - некоторые постоянные. В силутеоремы Шура мы можем считать сразу, что в системе y 0 = Ayматрица A = ∆, ибо если это не так, то сделав замену Z = U y всистеме y 0 = Ay, мы перепишем ее так: Z 0 = ∆Z.Итак, найдем et∆ , где ∆ - верхняя треугольная матрица.

Носначала получим одну вспомогательную формулу, которая понадобится нам ниже. Рассмотрим Задачу Коши следующего вида:(y 0 = ay + f (t), t ∈ R1 ,(2)y(0) = y0 , y0 ∈ R1 (или C1 ),где a - некоторая постоянная, f (t) - известная функция. Перепишем уравнение y 0 = ay + f так:т.е.ªd © −ate y(t) = e−at f (t),dtZ ty(t) = eat y0 +ea(t−s) f (s)ds.(3)0Элементы k-го столбца матрицы et∆ находятся как решение векторной системы с соответствующими даннымиЛекция №5, НГУ, ММФ, 20094(y [k] )0 = ∆y [k] , t ∈ R1 , 0 ...   [k]y(0)= 1 ← k,  ...  0y1k (t)где y [k] (t) =  ...yN k (t)или в покомпонентной записиNX0y1k = τ1 y1k +p1i yik , y1k (0) = 0,i=2NX y0 = τ y +p2i yik , y2k (0) = 0,2 2k2ki=3.........................NX0pki yik , ykk (0) = 1; ykk = τk ykk +(4)i=k+1NX0yk+1,k = τk+1 yk+1,k +pk+1,i yik , yk+1,k (0) = 0,i=k+2...................................0yN−1,k = τN −1 yN −1,k + pN −1,N yN,k , yN −1,k (0) = 0, y 0 = τ y , y (0) = 0.N N,kN,kN,k(5)Мы сразу разбили Задачу Коши в покомпонентной записи на двеподзадачи, поскольку Задача Коши (5) может рассматриваться отдельно.

В силу теоремы единственности (см. §2) элементы k-гоЛекция №5, НГУ, ММФ, 20095столбца матрицы et∆ : yk+1,k (t), ..., yN,k (t) равны нулю, т.е.yik (t) ≡ 0, i = k + 1, N .(6)Итак, матрица et∆ - верхняя треугольная, как и матрица ∆ (что,впрочем, можно доказать непосредственно, см. Упражнение 1 кэтому параграфу):y11 y12 . . . .

. . . . . . . . . y1N 0 y ............. y222N ...et∆ = .yN −1,N −1 yN −1,N 0yN NНенулевые элементы матрицы etA находим из решения ЗадачиКоши (4). С учетом информации (6) эта задача перепишется так:kX0y1k = τ1 y1k +p1i yik , y1k (0) = 0,i=2(40 ).........................0= τk−1 yk−1,k + pk−1,k ykk , yk−1,k (0) = 0yk−1,k y 0 = τ y , y (0) = 1.k kkkkkkИспользуя формулу (3), мы легко получаем следующие рекуррентные соотношения для определения элементов yjk (t), j = 1, k k-гостолбца матрица et∆ :)Zt ( Xk y (t) = eτj tpji yik (s) e−τj s ds, j = 1, k − 1,jk(7)i=j+10 y (t) = eτk t .kkРассмотрим теперь несколько важных примеров.

Пусть ∆ имеетЛекция №5, НГУ, ММФ, 2009следующий вид:6τ1 1 0 . . . 0 0 τ2 1 . . . 0 ,∆=.................. 0 . . . . τN −1 1 0 ....0 τNт.е. pk,k+1 = 1, k = 1, N − 1, а все остальные pij = 0. Тогда рекуррентные соотношения (7) сильно упрощаются:Z t y (t) = eτj tyj+1,k e−τj s ds, j = 1, k − 1;jk(70 )0ykk (t) = eτk t .Рассмотрим, теперь, случай, когда τj = τ, j = l, k, l ≥ 1:τ1 1 0 . . . . . . . 0. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .l → 0 τ 1 ....... 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .∆=,k →τ 1 ... 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .τN −1 1 0τNтогда из Задачи Коши (40 ) можно выделить подзадачу для нахождения элементов ylk (t), ..., ykk (t) k-го столбца матрицы et∆ : 0ylk = τ ylk + yl+1,k , ylk (0) = 0, .........................(400 )0yk−1,k = τ yk−1,k + ykk , ykk (0) = 0 0ykk = τ ykk , ykk (0) = 1.Применяя к задаче (400 ) формулу (70 ) мы последовательно получаем:tk−l τ tte .(8)ykk (t) = eτ t , yk−1,k (t) = eτ t , ..., ylk (t) =1!(k − l)!Лекция №5, НГУ, ММФ, 20097Следствием рассмотренных выше примеров является тот факт,что матричная экспонента etA , где A так называемая жордановаклетка:τ 1 ...

0 0 τ . . . 0 0....A=..τ 10τнаходится так (см. (8)):N −1ttτtτteτ t e 1! e . . .(N − 1)! tN −2 τ t τte...e tA(N−2)!.e =......t τt τtee1!τt0eВернемся, теперь, к общему случаю и получим из рекуррентныхсоотношений (7) некоторые полезные неравенства. В самом деле,из (7) следует:ZtkX |y (t)| ≤|pji | |yik (s)| · |eτj (t−s) |ds, j = 1, k − 1,jk(9)i=j+10 |y (t)| ≤ |eτk t |.kkПри выводе неравенств (9) мы воспользовались очевидным неравенством:¯ t¯¯Z¯ Zt¯¯¯ f (s)ds¯ ≤ |f (s)|ds, t > 0.¯¯¯¯00Чтобы упростить неравенства (9), докажем следующий факт:для любой матрицы B = (bij ), i, j = 1, N имеем:|bij | ≤ ||B||.(10)Лекция №5, НГУ, ММФ, 20098В самом деле, рассмотрим вектор y:  x1y1 ..  .. y = Bx, y =  .

 , x =  .  ,xNyNпричемyi =NXbij xj , i = 1, N .j=1Тогда|yi | ≤ ||y|| = ||Bx|| ≤ ||B|| · ||x||. 0.  ..   Пусть x =  1 ← l. Следовательно, ||x|| = 1 и yi = bil , l = 1, N .  ...  0Поэтому, |bil | ≤ ||B||, i, l = 1, N , что и требовалось доказать. ∗С учетом (10) из (9) получаем (см. Упражнение 2 к этомупараграфу):k ZtX |y (t)| ≤ ||A|||yik (s)|eΛ(t−s) ds, j = 1, k − 1,jk(90 )i=j+1 0 |y (t)| ≤ eΛt .kkПри выводе (90 ) мы полагали, что τj = Reτj + iImτj , j = 1, N иReτj ≤ Λ, где Λ - некоторая постоянная.Лекция №5, НГУ, ММФ, 20099Упражнения к §51. Доказать, что если A, B - верхние треугольные матрицы, то матрица C = AB тоже верхняя треугольная. Вывести отсюда утверждение, что et∆ - верхняя треугольная матрица.2. Пусть (см.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
3,74 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов лекций

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6417
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее