Lineaire Algebra voor W 2Y650

Vergelijkbare documenten
Lineaire Algebra voor W 2Y650

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Lineaire Algebra voor ST

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

Stelsels differentiaalvergelijkingen

Complexe eigenwaarden

Lineaire Algebra voor ST

1 Eigenwaarden en eigenvectoren

Lineaire Algebra voor ST

Stelsels van lineaire DVen met constante coëfficiënten

Eigenwaarden en eigenvectoren in R n

Lineaire Afbeelding Stelsels differentiaalvergelijkingen. 6 juni 2006

Lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficienten

Eigenwaarden en eigenvectoren

Hoofdstuk 7: Stelsels eerste orde lineaire differentiaalvergelijkingen

1 Stelsels lineaire vergelijkingen.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Lineaire Algebra voor ST (2DS06) op , uur.

Geadjungeerde en normaliteit

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Hoofdstuk 1: Inleiding

Toepassingen op differentievergelijkingen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Differentiaalvergelijkingen Technische Universiteit Delft

Aanvullingen bij Hoofdstuk 8

Hoofdstuk 3: Tweede orde lineaire differentiaalvergelijkingen

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

Eigenwaarden en Diagonaliseerbaarheid

Tentamen lineaire algebra voor BWI maandag 15 december 2008, uur.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Lineaire Algebra voor ST (2DS06) op , uur.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Week 22: De macht van het spoor en het spoor van de macht

Symmetrische matrices

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

TENTAMEN LINEAIRE ALGEBRA 1A. maandag 16 december 2002, b. Bepaal een basis voor de rijruimte en voor de kolomruimte van A.

Jordan normaalvorm. Hoofdstuk 7

Uitwerking opgaven 17 december. Spoilers!!

Tentamen Lineaire Algebra 1 (Wiskundigen)

Tentamen lineaire algebra voor BWI dinsdag 17 februari 2009, uur.

Tentamen lineaire algebra 2 18 januari 2019, 10:00 13:00 Uitwerkingen (schets)

Lineaire Algebra Een Samenvatting

Technische Universiteit Delft. ANTWOORDEN van Tentamen Gewone differentiaalvergelijkingen, TW2030 Vrijdag 30 januari 2015,

Het vinden van een particuliere oplossing

EXAMEN LINEAIRE ALGEBRA EN ANALYTISCHE MEETKUNDE I. 1. Theorie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Tentamen Lineaire Algebra UITWERKINGEN

Matrices en Stelsel Lineaire Vergelijkingen

Combinatoriek groep 2

Hilbertruimten. Een Inleiding tot. voor Fysici. (bij de cursus Wiskundige Technieken 3 (WISN203)) J. Stienstra. door

Unitaire en Hermitese transformaties

Uitwerkingen tentamen lineaire algebra 2 13 januari 2017, 10:00 13:00

Lineaire Algebra voor ST

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking Tentamen Calculus, 2DM10, maandag 22 januari 2007

Lineaire Algebra voor ST

Examen G0O17E Wiskunde II (3sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-11:30 uur. Bachelor Geografie en Bachelor Informatica

Gelijkvormigheid en de Jordan normaalvorm Aanvullende leerstof Lineaire Algebra C (2WF09)

Uitwerkingen Lineaire Algebra I (wiskundigen) 22 januari, 2015

6. Lineaire operatoren

0 0 e 1 = = = = 1 2 Voor A nemen we nu de matrix 2 1 T ten opzichte van de geordende basis e 1, e 2, e 3, e 4.

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

ONBETWIST ONderwijs verbeteren met WISkunde Toetsen Voorbeeldtoetsen Lineaire Algebra Deliverable 3.10 Henk van der Kooij ONBETWIST Deliverable 3.

Samenvatting Lineaire Algebra, periode 4

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Kies voor i een willekeurige index tussen 1 en r. Neem het inproduct van v i met de relatie. We krijgen

WI1808TH1/CiTG - Lineaire algebra deel 1

11.0 Voorkennis V

Hoofdstuk 3 : Determinanten

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Lineaire Algebra C 2WF09

Oefensommen tentamen Lineaire algebra 2 - december A =

UITWERKINGEN 1 2 C : 2 =

Lineaire Algebra C 2WF09

Definities, stellingen en methoden uit David Poole s Linear Algebra A Modern Introduction - Second Edtion benodigd voor het tentamen Matrix Algebra 2

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

Lineaire Algebra (2DD12) Laatste nieuws in 2012

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

d τ (t) dt = 1 voor alle τ 0.

Combinatoriek groep 1 & 2: Recursie

Eindtermen Lineaire Algebra voor E vor VKO (2DE01)

Tentamen Lineaire Algebra voor BMT en TIW (2DM20) op vrijdag 11 mei 2007, 9:00 12:00 uur.

Combinatoriek groep 1

Radboud Universiteit Nijmegen

Stelsels Vergelijkingen

Examen G0O17D Wiskunde II (6sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-12:30 uur

Combinatoriek groep 1

Lineaire Algebra en Vectorcalculus 2DN60 College 5.a Basis en dimensie

Technische Universiteit Delft Uitwerking Tentamen Analyse 3, WI 2601 Maandag 11 januari 2010,

Antwoorden op de theoretische vragen in de examen voorbereiding

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

extra sommen bij Numerieke lineaire algebra

Modellen en Simulatie Differentiaalvergelijkingen. Modellen en Simulatie. sleij101/ Program.

Lineaire Algebra voor ST

Tentamen Lineaire Algebra B

Lineaire dv van orde 2 met constante coefficienten

Vincent van der Noort Scoop vult de gaten in onze kennis... Het gevoel van eigenwaarden van David J. Griffith

4 Positieve en niet-negatieve lineaire algebra

Geef niet alleen antwoorden, maar bewijs al je beweringen.

Modellen en Simulatie Lesliematrices Markovketens

Opgaven Getaltheorie en Cryptografie (deel 1) Inleverdatum: 28 februari 2002

Transcriptie:

Lineaire Algebra voor W 2Y650 Docent: L Habets HG 809, Tel: 040-2474230, Email: lcgjmhabets@tuenl http://wwwwintuenl/wsk/onderwijs/2y650 1

Herhaling: Oplossing homogene DV ẋ = Ax Aanname: A is diagonaliseerbaar Stelling: Als A een n n matrix is met n lineair onafhankelijke eigenvectoren p 1, p 2,, p n, corresponderend met de eigenwaarden λ 1, λ 2,, λ n van A, dan wordt de algemene oplossing van de differentiaalvergelijking ẋ = Ax gegeven door x(t) = b 1 e λ 1t p 1 + b 2 e λ 2t p 2 + + b n e λ nt p n 2

Als bovendien de beginwaarden gegeven zijn door x(0) = (c 1, c 2,, c n ) T, dan geldt b 1 b 2 b n = P 1 c 1 c 2 c n, met P = (p 1 p 2 p n ) 3

Herhaling: inhomogene differentiaalvergelijkingen Zij f een vectorwaardige functie van R naar R n We beschouwen nu de inhomogene lineaire differentiaalvergelijking ẋ(t) = Ax(t) + f(t), en veronderstellen dat A diagonaliseerbaar is: P 1 AP = Λ, met Λ = λ 1 0 0 0 λ 2 0 0 0 λ n 4

Herhaling: notatie: e Λt = e λ 1t 0 0 0 e λ 2t 0 0 0 e λ nt P = (p 1 p 2 p n ), met p i eigenvector van A, behorende bij eigenwaarde λ i 5

Herhaling: oplossing Als x(0) = (c 1, c 2,, c n ) T, dan is de oplossing van het beginwaardeprobleem x(t) = P e Λt P 1 c + t 0 P e Λ(t s) P 1 f(s) ds 6

Alternatieve oplosmethode De algemene oplossing van een inhomogene differentiaalvergelijking is van de vorm met x(t) = x h (t) + x p (t), x h (t) de algemene oplossing van ẋ(t) = Ax(t), x p (t) een particuliere oplossing van ẋ(t) = Ax(t) + f(t) Immers ẋ h (t) + ẋ p (t) = Ax h (t) + Ax p (t) + f(t) = A(x h + x p )(t) + f(t) 7

Het vinden van een particuliere oplossing Voorbeeld: Veronderstel dat f(t) = e αt v, met v een vaste vector, en α een reëel getal, dat geen eigenwaarde van A is 1 Probeer als particuliere oplossing x p (t) = e αt w, met w een nog onbekende vector 2 Dan ẋ p (t) = αe αt w, maar ook ẋ p (t) = Ax p (t) + e αt v = e αt Aw + e αt v 3 Er volgt dus (A αi)w = v, en deze lineaire vergelijking heeft precies één oplossing w 4 Conclusie: x p (t) = e αt (A αi) 1 v is een particuliere oplossing 8

De exponentiële functie voor matrices Bij Calculus zal nog aan de orde komen dat e x = 1 + x + x2 2! + x3 3! + Analoog hieraan, definiëren we voor de n n matrix A: e ta = k=0 (ta) k k! = I + ta + t2 2! A2 + t3 3! A3 + 9

In het bijzonder volgt dat als Λ een diagonaalmatrix is, met de getallen λ 1,, λ n op de diagonaal: e Λt = e λ 1t 0 0 0 e λ 2t 0 0 0 e λ nt 10

Stelling: Zij A een diagonaliseerbare matrix, met A = P ΛP 1 Dan geldt e ta = P e Λt P 1 Bewijs: e ta = I + tp ΛP 1 + t2 2! P Λ2 P 1 + t3 3! P Λ3 P 1 + ) = P (I + Λt + (Λt)2 + (Λt)3 + P 1 2! 3! = P e Λt P 1 11

Oplossing homogene vergelijking ẋ(t) = Ax(t) met A diagonaliseerbaar, en met beginwaarde x(0) = c = (c 1, c 2,, c n ) T : x(t) = P e Λt P 1 c = e ta c Oplossing inhomogene vergelijking ẋ(t) = Ax(t) + f(t) met A diagonaliseerbaar, en met beginwaarde x(0) = c = (c 1, c 2,, c n ) T : x(t) = P e Λt P 1 c + = e ta c + t 0 t 0 P e Λ(t s) P 1 f(s) ds e (t s)a f(s) ds 12

Voorbeeld A = 2 2 3 0 2 2 0 2 1 Eigenwaarden en eigenvectoren λ 1 = 2, v 1 = (1, 0, 0) T, λ 2 = 2, v 2 = (1, 1, 2) T, λ 3 = 3, v 3 = ( 7, 2, 1) T 13

e ta = P e Λt P 1 = e 2t 3e 2t + 1 5 e2t + 14 5 e 3t e 2t + 2 5 e2t 7 5 e 3t 1 0 5 e2t + 4 5 e 3t 2 5 e2t 2 5 e 3t 2 0 5 e2t 2 5 e 3t 4 5 e2t + 1 5 e 3t 14

Complexe eigenwaarden Zij A een reële n n matrix, en zij λ C\R een complexe eigenwaarde van A, met complexe eigenvector v Dan is ook λ een eigenwaarde van A met eigenvector v complexe eigenwaarden van een reële matrix komen voor in compex geconjugeerde paren, de eigenvectoren bij een complex geconjugeerde eigenwaarden zijn elkaars complex geconjugeerde Vraag: hoe los je in dit geval de differentiaalvergelijking ẋ = Ax op? 15

Voorbeeld A = 1 2 5 3 Karakteristiek polynoom det(a λi) = ( 1 λ)( 3 λ) + 10 = λ 2 + 4λ + 13 Nulpunten karakteristiek polynoom: λ 1 = 2 + 3i, λ 2 = 2 3i 16

Eigenwaarden en eigenvectoren: λ 1 = 2 + 3i, v 1 = λ 2 = 2 3i, v 2 = 1 + 3i 5 1 3i 5, 17

Algemene oplossing van de differentiaalvergelijking ẋ = Ax in C n : x(t) = c 1 e ( 2+3i)t 1 + 3i + c 2 e ( 2 3i)t 1 3i 5 5 Deze oplossing is reëel indien c 1 = c 2 In dat geval x(t) = Re(ce λ1t v 1 ), met c C, = d 1 Re (e ( 2+3i)t 1 + 3i + d 2 Im (e ( 2+3i)t 1 + 3i 5 5 = d 1 e 2t cos(3t) 1 5 sin(3t) 3 0 +d 2 e 2t sin(3t) 1 5 + cos(3t) 3 0 18

n e orde lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficiënten y (n) + a 1 y (n 1) + + a n 1 y + a n y = 0 Herformulering in termen van n eerste orde lineaire differentiaalvergelijkingen: x 1 = y ẋ 1 = x 2 x 2 = y ẋ 2 = x 3 x 3 = y (2) ẋ 3 = x 4 x n 1 = y (n 2) ẋ n 1 = x n x n = y (n 1) ẋ n = y (n) = a 1 x n a 2 x n 1 a n x 1 19

A = 0 1 0 0 1 0 0 0 1 a n a n 1 a 2 a 1 Differentiaalvergelijking ẋ = Ax Karakteristiek polynoom: det(a λi) = ( 1) n (λ n + a 1 λ n 1 + + a n 1 λ + a n ) 20

Als λ een eigenwaarde is van A, dan is de bijbehorende eigenvector: 1 λ λ 2 λ n 1 Gevolg: Als A allemaal verschillende eigenwaarden λ 1,, λ n heeft, dan is de algemene oplossing van de n e orde homogene DV: y(t) = c 1 e λ 1t + c 2 e λ 2t + + c n e λ nt 21

Inhomogene lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficiënten Oplossing: y (n) + a 1 y (n 1) + + a n 1 y + a n y = f(t) y(t) = y h (t) + y p (t), met y h de algemene oplossing van de homogene DV, en y p een particuliere oplossing van de inhomogene DV 22

Vuistregels: als f(t) = g(t)e ct, met g een polynoom, probeer y p (t) = h(t)e ct, met h een polynoom van de graad gr(p) + m c, waarbij m c de multipliciteit is van de factor (λ c) in de karakteristieke vergelijking van de DV als f(t) = sin(µt) of f(t) = cos(µt), en iµ is geen nulpunt van de karakteristieke vergelijking, probeer dan y p (t) = α sin(µt) + β cos(µt) 23