1 Vektorrum. MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA 6. oktober 2016 Miniprojekt: Lineær algebra på polynomier

Relaterede dokumenter
1 Vektorrum. MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA M. ANV. 4. oktober Miniprojekt: Lineær algebra på polynomier

Besvarelser til Lineær Algebra med Anvendelser Ordinær Eksamen 2016

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Lineær Algebra eksamen, noter

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Ølopgaver i lineær algebra

Eksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

6.1 Reelle Indre Produkter

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Reeksamen i Lineær Algebra

1.1. n u i v i, (u, v) = i=1

Egenværdier og egenvektorer

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

DesignMat. Preben Alsholm. September Egenværdier og Egenvektorer. Preben Alsholm. Egenværdier og Egenvektorer

Reeksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Oversigt [LA] 11, 12, 13

Eksamen i Lineær Algebra

Prøveeksamen A i Lineær Algebra

Lineær Algebra, TØ, hold MA3

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

Module 1: Lineære modeller og lineær algebra

Besvarelser til Lineær Algebra Reeksamen August 2016

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Sylvesters kriterium. Nej, ikke mit kriterium. Sætning 9. Rasmus Sylvester Bryder

3.1 Baser og dimension

Symmetriske matricer

Egenværdier og egenvektorer

Teoretiske Øvelsesopgaver:

Lineær algebra: Egenværdier, egenvektorer, diagonalisering

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

Noter om polynomier, Kirsten Rosenkilde, Marts Polynomier

Nøgleord og begreber Ortogonalt komplement Tømrerprincippet. [LA] 13 Ortogonal projektion

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Lineær Algebra F08, MØ

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

MATEMATIK 1 LINEÆR ALGEBRA OG DYNAMISKE SYSTEMER 1. september 2009 Oversigt nr. 1

Noter om Komplekse Vektorrum, Funktionsrum og Differentialligninger LinAlg 2004/05-Version af 16. Dec.

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær eksamen - 6. Juni 2016

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Definition. og lœngden, normen. og afstanden mellem vektorer a og b. Der gælder

2010 Matematik 2A hold 4 : Prøveeksamen juni 2010

Reeksamen i Lineær Algebra

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Jeg foretager her en kort indføring af polynomier over såvel de reelle som

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

MATEMATIK 1 LINEÆR ALGEBRA OG DYNAMISKE SYSTEMER 2. september 2008 Oversigt nr. 1

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 8. Juni 2015

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Lidt alment om vektorrum et papir som grundlag for diskussion

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 3. Juni 2014

Oversigt [LA] 11, 12, 13

Calculus Uge

Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. 3) Angiv en enhedsvektor u så at den retningsafledede D u f(5, 2) er 0.

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

9.1 Egenværdier og egenvektorer

z 1 = z 1z 1z 1 z 1 2 = z z2z 1 z 2 2

Opgave 1 - løsning 1) De partielle afledede beregnes. Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. f x = y 1 (x + y) 2.

Differentiation af Trigonometriske Funktioner

Eksamen i Lineær Algebra

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Lineær Algebra - Beviser

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C

Eksamen i Lineær Algebra

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Eksamen i Lineær Algebra

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA M. ANV. 29. august 2017 Oversigt nr. 1

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Vektorrum. enote Generalisering af begrebet vektor

Lineær algebra 1. kursusgang

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA 2. september 2016 Oversigt nr. 1

n=1 er veldefineret for alle følger for hvilke højresiden er endelig. F.eks. tilhører følgen

(c) Opskriv den reelle Fourierrække for funktionen y(t) fra (b), og afgør dernæst om y(t) er en lige eller ulige funktion eller ingen af delene.

Reeksamen i Calculus

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Uge 6 Store Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Opgave 1 Udregning af determinant. Håndregning Der er givet matricen A =

Polynomium Et polynomium. Nulpolynomiet Nulpolynomiet er funktionen der er konstant nul, dvs. P(x) = 0, og dets grad sættes per definition til.

Polynomier. Indhold. Georg Mohr-Konkurrencen. 1 Polynomier 2. 2 Polynomiumsdivision 4. 3 Algebraens fundamentalsætning og rødder 6

Underrum - generaliserede linjer og planer

Transkript:

MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA 6. oktober 2016 Miniprojekt: Lineær algebra på polynomier Grupperne forventes at regne en mængde af opgaver, som tilsammen dækker 100 point. De små opgaver giver hver 5 point, mens temaopgaverne giver 25 point. Der er det krav, at alle skal regne mindst en opgave (à 5 point) fra hvert af afsnittene 1 5, og mindst 1 temaopgave (à 25 point). Hver gruppe udarbejder i ugens løb en besvarelse dækkende 100 point. Besvarelsen sendes i en PDF-fil til vores hjælpelærer Hans på hanskk@math.aau.dk fredag den 14. oktober. Senere får alle gruppemedlemmer en kopi af besvarelsen med rettelser. 1 Vektorrum (1) Giv et argument for at C[z] er (organiseret som) et vektorrum over C, idet z C betegner en komplex variabel. Gælder det samme om R[z]? Hvad så med R[x], hvor x betegner en reel variabel? (2) Godtgør at F m [z] er et underrum af F[z]. (I det følgende underforstås, at variablen z F.) Angiv nulvektoren præcist (tænk på at det er en funktion). (3) Angiv F 0 [z], F 1 [z] og F 2 [z] med mængdesymboler, og bestem et frembringersæt for F m [z]. Begrund at F m [z] har endelig dimension. (4) Entydighedssætningen for polynomier: Hvis p, q F[z] er ens som funktioner F F, så har p, q de samme koefficienter. Bevis denne! (Vink: Brug et passende valgt entydighedsresultat fra lineær algebra.) (5) Den stærke Entydighedssætning for polynomier: Hvis p, q F[z] stemmer overens i en omegn af 0 i F, så har p, q de samme koefficienter. (Vink: Hvis du indsætter x = 0, så får du brug for et kontinuitetsargument! Det er nemmere at se på F (M, F) for en passende mængde M.) (6) Den hyperstærke Entydighedssætning for polynomier: Hvis p, q R m [x] opfylder p(0) = q(0) og p (k) (0) = q (k) (0) for k {1,..., m}, så har p, q de samme koefficienter. (7) ***Den ultrastærke Entydighedssætning for polynomier: Hvis p, q F[z] stemmer overens i m + 1 forskellige punkter z 0, z 1,..., z m i F, hvor m = max(deg p, deg q), så har p = q de samme koefficienter (og er derfor ens som funktioner F F). 1

I beviset får man nok brug for at vise at Vandermonde matricen V m+1 har determinant det(v m+1 ) 0, idet 1 z 0 z0 2... z0 m 1 z 1 z1 2... z m 1 V m+1 = (1.1)....... 1 z m zm 2... zm m det(v m+1 ) = (z k z j ). (1.2) 0 j<k m (Kunne du overhovedet se andre strategier end at bruge lineær algebra!?) 2 Basis og dimension (1) Bevis at F[z] ikke har endelig dimension. (Vink: Indse at argumentet side 49 nederst i [LNS] ikke er fyldestgørende det skal kombineres med en entydighedssætning for polynomier.) (2) Godtgør at (1, z, z 2,..., z m ) er et lineært uafhængigt sæt i F[z] for hvert heltal m 0. Generaliser til at (1, z a, (z a) 2,..., (z a) m ) er lineært uafhængigt for et vilkåligt givet tal a F. Forklar også, hvorfor argumentet i Example 5.2.5 i [LNS] er ufuldstændigt! (3) Bestem en basis for F m [z], og angiv dim(f m [z]) husk at give begrundelser! Har F[z] en basis? (4) Idet U = span(z, (z + 1) 2 ) i V = F 2 [z], angiv da et underrum W således at V = U W. (Vink: Gør som i beviset for Theorem 5.4.5.) (5) Suppler (z, (z + 1) 2 ) til en basis for C 3 [z]. (6) Er sættet (z 2 2, (z + 1) 2, (z + 2) 2, (z + 3) 2 ) lineært uafhængigt i C 2 [z]? Hvis ikke, så skal sættet udtyndes til en basis! (7) Bevis at (z m, (z + 1) m,..., (z + m) m ) er en basis for F m [z]. (Vink: Hvilken nødvendig betingelse for at være en basis er åbentlyst opfyldt for dette sæt?) 3 Lineære afbildninger (1) Efterprøv at differentiation D = d er en lineær afbildning F[z] F[z], dz dvs. at D er en endomorfi på F[z]. Vink: For F = C kan man opfatte D symbolsk, således at hvert led af formen az m blot erstattes med maz m 1 (uden at involvere differenskvotienter). 2

(2) Bestem null(d) som et underrum af F[z]. (Husk den ikke-trivielle del af argumentet!) (3) Undersøg om D er en endomorfi på F m [z]. Opskriv udsagnet i dimensionssætningen for D : F m [z] F m [z] og kommenter resultatet. (4) Verificer at T : F[z] F[z] givet ved T (p) = z 2 p(z) er injektiv (som hævdet i Example 6.2.7). Undersøg om T er surjektiv. (5) Find matricen M(D) mht. standardbasen (1, z,..., z m ) for F m [z]. Hvilken type matrix er dette? (6) Find matricen M(D) mht. basen (1, z i,..., (z i) m ) for C m [z]. Er der en modstrid med svaret i (5)? (7) Er vektorummene F m [z] og F k isomorfe for nogen værdier af m, k? Nedskriv i så fald en konkret isomorfi. 4 Egeninformation (1) Angiv en egenværdi for D, og bestem det tilhørende egenrum V λ. (Vink: Analyser egenværdiligningen for D.) Hvad er dim V λ? (2) Find samtlige egenværdier for D 2 og angiv de tilhørende egenrum. (Vink: Inddrag matrixmultiplikation.) (3) Undersøg om D har {p F[z] p(z) = az m, a F} som et invariant underrum. Har D overhovedet et invariant underrum? (4) Find TO invariante underrum U 1, U 2 for D 2, som begge har uendelig dimension uden at være F[z]. (5) Skriv udsagnene i Proposition 7.5.2 ud i detaljer for D L(F m [z]) ifm. standardbasen sammenlign sandhedsværdierne! (6) Samme øvelse med Proposition 7.5.4. 5 Ortonormale baser og koordinatskifte (1) Vis i detaljer at p, q = 1 p(z) q(z) dz definerer et indre produkt på F[z] 0 (Example 9.1.5) skal du bruge entydighedssætningen for polynomier? (2) Udregn det indre produkt af p(z) = z + z 3 og q(z) = z 2. Find den inducerede norm af p(z) og af q(z). Check om Cauchy Schwarz s ulighed er korrekt i dette tilfælde. Undersøg også om trekantsuligheden gælder for p + q. 3

(3) Udfør Gram Schmidts ortonormalisering på (1, z, z 2 ) for at bestemme en ortonormal basis for F 2 [z]. Find koordinaterne i denne basis for p(z) = 7 + 9z. (4) Bestem ortogonal projektionen af z 3 på underrummet U = span(1, z, z 2 ). 4

6 Tema: Global approximation I R m [x] er der et indre produkt givet ved p, q = π p(x)q(x) dx. Det ses let at π også V = C([ π, π]) har integralet over [ π, π] som indre produkt man kan bruge uden bevis dels dette, dels at formel (9.6) i [LNS] for P U også gælder, selvom V ikke har endelig dimension (Mat6). (1) Udfør Gram-Schmidts procedure på vektorerne (1, x, x 2, x 3 ) for at finde en ortonormal basis (e 1, e 2, e 3, e 4 ) for R 3 [x] mht. dette indre produkt. (Knofedt!) Uden garanti: e 1 = 1 3 2π, e 2 = 2 π 3/2 x, e 3 = 3 5 2 2 π 5/2 x 2 5 2 2 π 1/2, e 4 = 175 2 2 π 7/2 x 3 3 175 10 2 π 3/2 x. (2) Bestem de indre produkter sin, x j for j {0, 1, 2, 3}. (3) *Find ortogonal projektionen af sin x på U = R 3 [x]. Uden garanti: P U sin = 315 15π2 x 525 35π2 x 3. 2π 4 2π 6 (4) Nedskriv det integral som minimeres af polynomiet P U sin (jvf. sætning 9.6.6 i [LNS]). (5) Sammenlign resultatet med Taylor polynomiet af grad 3, dvs. x x 3 /6. For at få en ide om, hvorledes man (ingeniører) repræsenterer f.eks. sinus i en lommeregner, så kan man læse om ortogonal projektionen af sinus på span(1, x,..., x 5 ) i Example 6.58 (side 199 200) i Linear algebra done right af Sheldon Axler: http://www.linear.axler.net/innerproduct.pdf Der er nydelige figurer! (Jvf. semester introduktionen.) 5

7 Tema: Lagrange polynomier Et klassisk problem er følgende: Givet m + 1 punkter i xy-planen (x 0, y 0 ), (x 1, y 1 ),..., (x m, y m ) med forskellige første koordinater, find da et polynomium P (x) af grad højst m, således at P s graf går gennem de m + 1 givne punkter. (7.1) Opgaven har en overraskende elegant og enkel løsning i den såkaldte Lagrange interpolation. Polynomiet P er nemlig entydigt bestemt ved formlen P (x) = y 0 l 0 (x) + y 1 l 1 (x) + + y m l m (x), hvorved x j -værdierne indgår i problemets såkaldte Lagrange polynomier, der med guddommelig inspiration kan nedskrives en gang for alle, l j (x) = x x 0 x j x 0... x x j 1 x j x j 1 x x j+1 x j x j+1... x x m x j x m = Dette vil vi nu regne efter ved at bruge lineær algebra! m k=0,k j x x k x j x k. (1) Forklar hvorfor l j (x) er et veldefineret polynomium af grad lig med m (kan nævneren blive nul?), og konkluder at l j R m [x]. Prøv så efter at l j (x) løser opgaven i det specialtilfælde, at y j = 1 mens alle andre y k = 0. I detaljer betyder dette at { 1 for j = k, l j (x k ) = δ j,k := 0 for j k. (2) Godtgør at P (x) rent faktisk er et polynomium i R m [x], hvis graf går gennem de givne m + 1 punkter. (3) Udled først at sættet (l 0, l 1,..., l m ) er lineært uafhængigt (brug (1)). Godtgør så teoretisk, at (l 0, l 1,..., l m ) også er et frembringersæt for R m [x]. (4) Og så konkret: Givet et polynomium Q(x) af grad m, hvilken linearkombination fremstiller så Q; hvordan skal koordinaterne nødvendigvis vælges? (Vink: Lav en analyse.) (5) Konkluder endelig, vha. (4), at hvis Q R m [x] er en løsning af problemet, så er Q(x) = P (x) for alle x R, dvs. Q P. Bemærk, at konklusionen i (5) faktisk beviser Den ultrastærke Entydighedssætning for polynomier! Moralen er, at vi undgik Vandermonde determinanten fordi vi med (l 0, l 1,..., l m ) havde valgt en snedig basis! 6

8 Tema: Stambrøker En velkendt teknik består i at omskrive en given brøk af polynomier P (z)/q(z) så den kommer på formen, hvor b m 0, P (z) Q(z) = a 0 + a 1 z + + a m 1 z m 1 = c 1 + + c m. (8.1) b 0 + b 1 z + + b m z m z r 1 z r m Udtrykket til højre kaldes en fremstillning af P/Q ved stambrøker. Thi P/Q stammer fra brøkerne i den forstand, at P/Q kan gendannes ved at sætte disse brøker på fælles brøkstreg. Fremstillingen i (8.1) er eksempelvis nyttig, hvis man skal integrere funktionen P (x)/q(x). Desuden bruges den også som forberedelse til invers Laplacetransformering ved løsning af differentialligninger med begyndelsesbetingelser. Vi skal nu se at fremstillingen ved stambrøker i (8.1) altid eksisterer når det forudsættes at deg(p ) < m = deg(q). (8.2) (Dette er for simpelhedens skyld, da man for deg(p ) deg(q) kan reducere til ovenstående situation ved at foretage polynomiers division først.) Som et hjælpemiddel indføres polynomierne q j for j {1, 2,..., m}, q j (z) = m k=1,k j (z r k ). (8.3) Tallene r 1,..., r m bestemmes i praksis (nødvendigvis) som rødderne i nævneren, dvs. at Q(z) = b m (z r 1 )(z r 2 )... (z r m ). (1) Vis at fremstillingen i (8.1) kan opnås hvis og kun hvis c 1,..., c m C kan vælges sådan at P (z) = b m c 1 q 1 (z) + b m c 2 q 2 (z) + + b m c m q m (z). (2) Bevis at (q 1, q 2,..., q m ) er et frembringersæt for C m 1 [z] hvis og kun hvis rødderne r 1,..., r m er indbyrdes forskellige. Udled heraf, at når rødderne r 1,..., r m er indbyrdes forskellige, så har ligningen for P i (1) på grund af antagelsen (8.2) en (og kun en) løsning (c 1,..., c m ) C m. (3) Vis at når r 1,..., r m er indbyrdes forskellige, da er hvert c j givet ved ( lim (z r j ) P (z) ) = c j. (8.4) z r j Q(z) (4) Brug (8.4) til at bestemme stambrøkfremstillingen (8.1) for z+1 z 3 3z 2 +2z. (5) ***Vis at når Q(z) har de indbyrdes forskellige rødder t 1,..., t k af multipliciteter n 1 1,..., n k 1, hvor n 1 + n 2 + + n k = m, det vil 7

sige at Q(x) = b m (x t 1 ) n 1... (x t k ) n k, så kan man opnå en stambrøksfremstilling af formen P (z) Q(z) = k j=1 ( cj,1 + c j,2 z t j (z t j ) + + c ) j,n j. (8.5) 2 (z t j ) n j Vink: Brug (z t j ) n j som fællesnævner i parentesen, og find dernæst fællesnævneren Q(x)/b m for alle leddene med j 1,..., k mens deres tællere indeholder hjælpepolynomierne q j,n (x) = Q(x)b 1 m (x t j hvor n {1, 2,..., n ) n j }. Udled så at P span{q j,n j = 1,..., k; n = 1,..., n j } når dette system er lineært uafhængigt, og påvis lineær uafhængighed ved at indsætte x = t 1 etc. i k nj j=1 n=1 α j,n q j,n (x) 0. (Når α 1,n1 = 0 kan ligningen divideres med x t 1 ; den nye ligning gælder også for x = t j pga. kontinuitet.) Vis også at der i dette tilfælde gælder at 1 lim z t j m! d m dz m ( (z t j ) n P (z) ) j Q(z) = c j,nj m. (8.6) (Dette kræver dog kompleks differentiation (Mat4), medmindre t j er reel.) Med venlig hilsen Jon Johnsen 8