Xos son va xos vektorlarni topishning sonli usullari - Krilov usuli - Danilevskiy usuli - Xos qiymatlarning qismiy muammolarini hal etishda Levere va boshqa metodlar. Moduli bo`yicha eng katta xos son va xos vektorni berilgan aniqlikda topish. Tayanch iboralar. Vektor, matrisa, xos son, xos vektor, matrisaning spektri, spektral radiusi, xarakteristik tenglama, xarakteristik ko`phad, minor, to`liq muammo, qismiy muammo, chiziqli tenglamalar sistemasi. Noldan farkli x vektor uchun Ax x (1) tenglik bajarilsin. Undagi soni A kvadrat matrisaning xos son yoki xarakteristik soni, x vektor A matrisaning ga mos xos vektori (umuman, а x xam A ning xos vektori, bunda а –ixtiyoriy son). A matrisaning barcha xos sonlari tuplami A matrisaning spektri, xos sonlar modullarining maksimumi A matrisaning (a) spektral radiusi, a11 D()=det(A– E)= a21 a12 ... a1n a22 ... a2n ... ... an1 an 2 ... .... =0 (2) ... ann A matrisaning asriy eki xarakteristik tenglamasi , (2) tenglamaning chap kismidan iborat. (3) ()=det(A–E)=(–1)n(n–p1n–1–p2n–2–…–pn) n–darajali ko`phad A matrisaning xarakteristik ko`phadi, R()=n–r1n–1–p2n–2–…–pn (4) esa A matrisaning xos ko`phadidir. Xos sonlar va xos vektorlarni topish uchun: 1) R() tuziladi; 2) R()=0 tenglamadan barcha i (i=1, n ) xos sonlar topiladi; 3) ushbu (A–iE) x 0 (5) bir jinsli tenglamalar sistemasidan х xos vektorlar aniqlanadi. (4) ko`phadning ri koeffisentlari A matrisaning (–1)i–1 ishora bilan olingan i–tartibli diagonal minorlar yigindisiga teng: p1 p3 n a jj , j 1 j k l p2 a jj akj j k a jk , akk a jj akj a jk akk a jl akl , ... pn (1) n 1 det A alj alk all Bu tengliklardan kam foydalanadilar: n ning katta qiymatlarida hisoblashlar ogirlashadi. Amalda esa aniq (to`g`ri) usullar va iterasion usullardan foydalaniladi. Aniq usullar qo`llanilganda oldin pi koeffisentlar topiladi, sung R() ko`phad tuzilib, uning ildizlari (i lar ) va keyin x lar aniqlanadi. Iterasion usullardan xrakteristik ko`phad tuzib utirilmay, to`g`ridan–to`g`ri xos sonlar va xos vektorlar bir vaktning uzida topiladi. Aniq usullar xos sonlarning xammasini topishga (muammoni tulik xal kilishga), iterasion usullar esa bitta eki bir nechta xos son va xos vektorni topishga (muammoni kisman xal kilishga) imkon beradi. Hisoblashlarda 1+2 +… +n=a11+a22+…+ann=tr A 1* 2*…*n=det A (6) tengliklardan keng foydalanadilar. A.N.Krilov usuli. 1) Noldan farkli ixtieriy c (0)=(s01,s02,…,s0n)’ vektor tanlanadi, qolgan c (i) (i=1,2,. . . n) vektorlar c (i)=A c (0) eki c (0)=A c (i–1) munosabat bo`yicha aniqlanadi; 2) ushbu p1cn1,1 p 2 cn2,1 ... p n c01 cn1 p1cn1, 2 p 2 cn2, 2 ... p n c02 cn 2 (7) .......... .......... .......... .......... .......... ....... p1cn1,n p 2 cn2,n ... p n c0 n cnn sistema tuziladi va undan ri lar aniqlanadi; 3) (3) xarakteristik ko`phad tuziladi va undan i xos sonlar aniqlanadi; 4) xos vektorlar aniqlanadi: x (i)= i1 c (0) + i2 c (1) +… + im c (m–1), m n, bunda im 1, i ,m1 i p1 , 2 i ,m2 i p1i p 2 , ...................................... i1 mi1 p1mi2 ... p m1 , 1–misol . Ushbu (8) (9) 5 30 48 3 14 24 A= 3 15 25 Matrisaning xos sonlari va xos vektorlarini topamiz. Echish.1) c (0)=(1,0,0)’ bo`lsin.(6) munosabatga asosan: 5 30 48 1 5 c (1)= 3 14 24 * 0 3, 3 15 25 0 3 ( 2) с (1) Aс 29 15 , 15 ( 3) с ( 2) Aс 125 63 63 2) (7) sistema: 29 p1 5 p 2 p3 125, 15 p1 3 p 2 63, 15 p 3 p 63. 1 2 ( 0) (1) ( 2) Ikkinchi va uchinchi tenglamalarning bir xil bulayotgani oldingi c , c , c vektorlar chiziqli boglanganligini bildiradi. Sistemani shu vektorlarning chiziqli kombinasiyasida tuzamiz: 5 p1 p 2 29, bundan p1 5, p2 4; ( ) 2 5 4, 1 4 , 2 1; (6) 3 p1 15. munosabatga ko`ra 3 5 14 25 4 1 1. 1 ва 2 ga mos bo`lgan (1) (3) ( 2) x ва x xos vektorlarni topamiz ( x tanlanishi kerak). m=2 bo`lganidan ( 0) ni topish uchun с boshkacha 12 1, 11 1 p1 4 5 1, 22 1, 21 2 p1 1 5 4, shunga ko`ra (1) x ( 2) x ( 0) 11 c 12 c (0) 21 c (1) (1) 22 c 1 1 21 1 0 4 0 12 , 0 0 12 1 5 9 4 0 1 3 3. 0 3 3 Xos qiymatlarning qismiy muammolarini hal etishda Levere va boshqa metodlar. Moduli bo`yicha eng katta xos son va xos vektorni berilgan aniqlikda topish. Xos sonlarning qismiy muammosini yechishning iteratsion metodlari Bu paragrfda biz xos sonlarning qismiy muammosini yechishning eng soda metotlarini ko’rib chiqamiz. Bundan tashqari qaraladigan motritsalarimiz oddiy strukturaga ega deb faraz qilamiz. Tarif. Agar n- tartibli A kvadrat matritsa n ta chiziqli erkli xos vektorlarga ega bo’lsa, bunday matritsa oddiy strukturaga ega deyiladi. Chiziqli algebradan malumki, matritsalarning quyidagi siniflari oddiy strukturaga: 1.Simmetrik matritsa, chunki uning xos qiymatlari haqiqiy sonlar bo’lib, xos vektorlardan tuzilgan ortogonal bazis mavjuddir. 2.Ermit matritsasi, uning barcha xos sonlari haqiqiy bo’lib, xos vektorlaridan mos ravishdagi n o’lchovli kompleks fazoda ortanormol bozis tuzish mumkin. 3.Normol matritsa. Agar motritsa o’zining qo’shmasi A* bilan komitativ, yani AA*=A*A bo’lsa, u holda A matritsa normol deyiladi. Umuman olganda, bu uchta sinifli tegishli matritsalardan tashqari oddiy strukturaga ega bo’lgan boshqa motritsalar ham mavjud. Biz avval moduli bo’yicha eng katta xos son va unga mos keladiga mos vektorni topamiz. 1.eng katta xos son va unga mos keladigan xos vektorni topishda darajali metod. Faraz qilaylik , A matritsa oddiy strukturaga ega va uning xos sonlari 1 , 2 ,..., n , bo’lib ,ularga mos keladigan chiziqli erkli xos vektorlar (1) , ( 2 ) ,... (n ) bo’lsin. Bu yerga to’rt xolni ko’rib chiqamiz : 1-hol. A matritsaning xos sonlaridan bittasi moduli bo’yicha eng katta bo’lsin. Umumiylikka zarar yetkazmasdan xos sonlar quyidagi tartibda joylashgan deb faraz qilishimiz mumkun : 1 2 3 ... n . (1) Biz 1 ning taqribiy qiymatini topish usulini ko’satamiz.Ixtiyoriy no’ldan farqli vektorni olib ,uni A matritsa xos vektorlari bo’yicha yoyamiz : (0) ( 0) b1 x (1) b2 x ( 2) ... bn x ( n ) . Bu yerda bi lar o’zgarmas sonlar bo’lib, ayirmalari nol bo’lishi xam mumkun. ( 0) vektor ustida A k matritsa yordamida almashtirish bajaramiz : n ( k ) A ( 0) b j A k x ( j ) j 1 Bu yerda A x kj x ( j ) ekanligini hisobga olib (2) Ga ega bo’lamiz. Endi n o’lchovli vektorlar fazosi Rn da ixtiyoriy e1 , e2 ,..., en bazis olamiz. Sh bazisda k ( j) y ( k ) ( y1( k ) , y 2( k ) ,..., y n( k ) )' x ( j ) ( x1 j , x2 j ,..., xnj )' bo’lsin. (9.2) tenglikni kardinatalarda yozib chiqamiz : n y n( k ) b j xij kj (i 1, n ) (3) j 1 Shunga o’xshash n yi( k 1) b j xij kk 1 (4) j 1 Bu yerda cij bx xij deb belgilab , (9.4) ni (9.3) ga bo’lamiz : yik 1 ci11k 1 ci 21 k21 ... cin kn1 k k yi ci11 ci 2k2 ... cinkn (5) Faraz qilaylik, c i1 0 bo’lsin, bunga erishish uchun dastylabgi vektor y ( 0) va e1 , e2 ,..., en bazisni kerakli ravishda tanlash kerak. Endi d ij cij ci1 va i i deb (5) ni 1 quyidagicha yozamiz : yik 1 1 d i 2 2k 1 ... d in nk 1 (6) 1 y i( k ) d i 2 2k ... d in nk Bu yerda esa (1) ni hisobga olsak, k da nk ... 2k 0 Kelib chiqadi. Demak, (6) ni quyidagicha yozish mumkun : yik 1 1 1 0( 2 yi( k ) k 1 ) 1 0( 2 ) 1 1 0( 2 ) 1 0( 2 ). k k k Bu yerda esa etarlicha katta k lar uchun y i( k 1) (7) y i( k ) Deb olishimiz mumkun. Odatda x (1) vektorning bir necha kordinatalari noldan farqli bo’ladi. Shuning uchun (9.7) da nisbatini i ning bir necha qiymatida hisoblash mumkun. Agar bu nisbatlar yetarli aniqlikda ustma- ust tushsa , u holda biz 1 ni yetarli aniqlik bilan topgan bo’lamiz. Ravshanki, bu jarayonning yaqinlashishi tezligi 2 ning kichikligiga bog’liqdir. Eslatma . Yuqoridagi itaratsion jarayonning yaqinlashishini tezlashtirish uchun ayrim xollarda quyidagi matritsalar ketma-ketligini tuzish foydalidir. A 2 A * A, A4 A2 * A2 , A8 A 4 * A 4 , ......................... A2 A2 m m 1 m 1 * A2 . Bu yerda esa k= 2 m deb olib, y ( k ) A k * y ( 0) Va y ( k 1) Ay ( k ) ga ega bo’lamiz. (k ) Topilgan eng katta xos son 1 ga mos keladigan xos vector sifatida y ni olishimiz mumkun. Xaqiqatdan xam, (3) Fo’rmuladan N Y K B1 X ( 1) BJ KJ X ( J ) ga K 1 J 1 Ega bo’lamiz. Bu yerdan n b y ( k ) b11k x (1) j kj x ( j ) . j 2 b1 k Agar biz jk 0 ekanligini hisobga olsak, u holda etarli aniqlik bilan y ( k ) b11k x (1) ga ega bo’lamiz , yani y (k ) xos vektor x (1) dan sonli ko’paytuvchi bilan farq qilayapti va, demak, y 1 xos songa mos keladigan xos vektordir. Misol . Quyidagi 5 1 1 3 A= 0 1 0 1 1 Matritsaning eng katta xos soni va unga mos keladigan xos vektori topilsin . ( 0) Echish. Dastlabki y (2,1,1)' vektorni olib , uning iteratsioni hosil qilamiz . Natijada 13-jadvalda keltirilgan. y Ay A2 y A3 y A4 y A5 y A6 y A7 y 2 -1 -1 11 -6 -2 61 -31 -8 336 -162 -39 1842 -861 -201 10071 -4626 -1062 54981 -25011 -5688 299916 -135702 -30699 A8 y A9 y A10 y A11 y A12 y 1635288 8914131 48586477 264798094 1442094008 -7377111 -4015822 -21865709 -11910358 -648894351 -166401 -904112 -4919934 -26785643 -145889181 Iteratsiani shu yerda to’xtatib y 312 1442094008 y 2(12) 648894351 5.4460; (11) 5.4481; y111 264798094 y1 119103538 y 3(12) 145889181 5.4400; y 3(11) 26785643 Ga ega bo’lamiz. Demak , 1 ning taqribiy qiymati 1 3 A matritsaning birinchi xos vektori sifatida 1442094008 y (12) 648894351 145889181 1 (5.4460 5.4481 5.4400 ) 5.4447 5.445 ga teng. (1) ni olishimiz mumkun. Bu vektorni narmallashtirgandan so’ng x (1;0.46;0.10)' kelib chiqadi. 2-xol. A matritsa xos sonning moduli bo’yicha eng kattasi karrali bo’lsin. Faraz qilaylik, 1 2 ... s , 1 s 1 s 2 ... n Bo’lsin. Bu holda (9.5) tenglik quyidagi ko’rinishga ega bo’ladi: k 1 k 1 k 1 yik 1 (ci1 ... cis )1 ci , s 1s 1 ... cin n (8) y ik (ci1 .. cis )1k ci , s 1ks 1 ... cin kn Bu yerda xam ci1 ... c 0 deb faraz qilamiz va cij d ij ( j s), i i belgilashlarni kiritib, (8) ni quyidagicha yozamiz: ci1 ... cis 1 k 1 1 d i , s 1 sk11 ... d in nk 1 yi 1 . yik 1 d i , s 1 sk1 ... d in nk is y i( k 1) k 0 ( ) ga ega bo’lamiz. Bunda esa , s 1 y i( k ) Shunday qilib, yuqorida keltirilgan jarayon bu yerda xam o’rinlidir. 1) holdagidek A matritsaning 1 xos soniga mos keladigan xos vector sifatida taqribiy ravishda y k ni olishimiz mumkin. Umuman aytganda ,boshqa dastlabki y 0 vektorini tanlab A k y 0 xos vektorga ega bo’lamiz. Shunday qilib, 1 ga mos keladigan boshqa xos vektorlarni ham topish mumkin 3-hol . Faraz qilylik ,A matritsaning xos sonlari quyidagi shartlarni qanoatlantirsin : k s 1 k 0 ni hisobga olib, 1 1 ... r r 1 .... r p 1 ... r p r p 1 ... n Bu yerda yuqoridagi iterattsion jarayonini qo’llab bo’lmaydi. Haqiqatdan ham (9.3) tenglikni quyidagicha yozish mumkin. yi( k ) (b1 xi1 ... br xir )1k (br 1 xi ,r 1 ... br p xi ,r p )( 1 ) k br p 1 xi ,r p 1kr p 1 .... bn xin kn d i11k d i ,r 1 (1) k 1k d i ,r p 1kr p 1 ... d in kn bu yerda d i11k va d i,r 1 (1) k 1k hadlar bir xil tartibga ega bo’lib, k ning o’zgarishi bilan ikkinchisi o’z ishorasini o’zgartiradi. Demak yi( k 1) yi( k ) Nisbat k da limintga ega bo’lmaydi. Lekin bu yerda yi( 2 k ) va y i( 2 k 2) yoki y i( 2 k 1) va y i( 2 k 1) dan foydalanib, 12 ni topishimiz mumkin : yi( 2 k 2) 12 0( r p 1 (2k ) yi 2k yi( 2 k 1) ), ( 2 k 1) 12 0( r p 1 yi 2k ), Shunday qilib, bu holda A matritsaning moduli bo’yicha eng katta sonni topishimiz mumkun. A matritsaning 1 va 1 xos sonlarga mos keladigan xos vektorlarni toppish uchun y ( k 1) 1 y ( k ) va y ( k 1) y ( k ) vektorlarni tuzamiz : y ( k 1) 1 y ( k ) 21k 1 (b1 x (1) ... br x ( r ) ) (1 r p 1 )br p 1kr p 1 x ( r p 1) ... (1 n )kn bn x ( n ) k 1( k 1) 2(b1 x (1) ... br x ( r ) ) 0( r p 1 ) , y k 1 k 1 y ( k ) (1 ) k 1 2(br 1 x ( r 1) ... br p x ( r p ) ) 0( r p 1 ) . A matritsaning 1 xos soniga b1 x ... br x xos vector va 1 xos soniga br 1 x ( r 1) ... br p x ( r p) xos vector mos keladi . Shuning uchun xam, 1 ga mos keladigan xos vector sifatida y ( k 1) 1 y ( k ) ni olishimiz mumkun . Agar r va p yoki bularning birortasi birdan katta bo’lsa , u holda boshqa dastlabki y ( 0) vektorni tanlab shu jarayonni takrorlash kerak . 4-xol Bu xolga A matritsaning moduli bo’yicha eng katta xos sonlari qo’shma qompleks bo’gan yoki mo’dullari bilan o’z aro juda yaqin bo’lgan xol kiradi . Faraz qilaylik, 1 va 2 xos sonlari qo’shma kompleks sonlar bo’lib , quyidagi shartni qanoatlantirsin . (1) (r ) 1 2 3 ... n . Bu holda , quyidagi tarkibiy tengliklarning o’rinli ekanligiga osongina ishonch hosil qilish mumkun : y ( k ) b11k x (1) b2 k2 x ( 2) , ( k 1) b11k 1 x (1) b2 k21 x ( 2) , y ( k 2) b11k 2 x (1) b2 k2 2 x ( 2) . y Demak , bu vektorlar orasida quyidagi taqribiy chiziqli bog’lanish mavjud: y ( k 2) (1 2 ) y ( k 1) 12 y ( k ) 0. Agar hisoblash jarayonida y (k ) , y ( k 1) , y ( k 2) vektorlar orasida y ( k 2) py ( k 1) qy ( k ) 0 Chiziqli bog’lanish o’rinli bo’lsa , u holda 1 va 2 lar u 2 pu q 0 Kvadrat tenglamani qanoatlantiradi. Bu tenglamaning p va q kaifsentlarini quyidagi muloxazalar yordamida topish mumkun . kompanentlarga o’tsak, y ( k 1) py i( k 1) qy i( k ) 0 y (jk 2 ) py (jk 1) qy (jk ) 0 bo’lib, i j deb olamiz. Bu yerdan p va q ni topib, (11) ga qo’ysak, u holda (11) ni quyidagicha yozsak bo’ladi: 1 u 2 u y i( k ) y i( k 1) y i( k 2 ) y (jk ) y (jk 1) 0 y (jk 2) i, j 1, n;i j . (12) (11) tenglikdan 1 va 2 topilgandan keyin ularga mos keladigan xos vektorlarni ham topish mumkin, (9) dan y ( k 1) 1 y ( k ) b2 k2 (2 1 ) x ( 2) , y ( k 1) 2 y ( k ) b11k (1 2 ) x (1) Ga ega bo’lamiz. Bunatijalarni , mo’dullari teng yoki yaqin bo’lgan xos sonlarning soni bir juftdan ko’p bo’lgan hol uchun xam umumlashtirish mumkin. Misol. 2 1 7 5 A 0 1 0 1 1 2 3 1 1 4 2 0 Matritsaning mo’dullari bho’yicha eng katta xos sonlarni va unga mos keladigan xos vektorlari topilsin. Yechish. Quyidagi y (0) (1,1,1,1, )' vektorni olib uning iteratsiyalarini hosil qilamiz. Bu iteratsiyalar 14-jadvalda keltirilgan. y (0) 1 1 1 1 Ay ( 0) A2 y ( 0) A3 y ( 0) A4 y ( 0) A5 y ( 0) A6 y ( 0) A7 y ( 0) A8 y ( 0 ) A9 y ( 0) -1 18 6 2 -28 103 40 5 -204 419 233 12 -1072 1181 1142 29 -6304 120126 1079100 16043 789083 3162093 3 -70750 -959363 27289 49376 408 Bu jadvaldan ko’rinib turibdiki, iteratsiyalar ketma ketligining mos ravishdagi kompanentlarining nisbatlari tartibsiz ravishda o’zgaryapdi, xatto, ishoralar lmashinishi ro’y bermoqda. Bu esa komplekls i9ldizlarning mavjudligidan dalolat beradi. Endi 1 va 2 kompleks xos sonlarni topish uchun (12) tenglamani tuzamiz : 1 u u 2 2 Bu yerda u 7.95u 19.55 0 va -4496 801 4665 70 -14528 -17857 -14936 169 160433 120126 789083 =0 1079100 3162093 1, 2 3.975 i *1.936 6304 Ga ega bo’lamiz. Xos sonlarning aniq qiymati esa 1, 2 4 2 * i dir. Biz taqribiy yechimni uncha katta bo’lmagan niqlik bilan topdik. Chunki iteratsiyamizning soni yetarli emas edi. Aniqroq natijaga ega bo’lish uchun iteratsiyani yana davom ettirish kerak. 2. Ikkinchi xos son va unga mos keladigan xos vektorni topish. Faraz qilaylik, A matritsaning xos sonlari quyidagi shartni qanoatlantirsin : 1 2 3 ... n , yani A matritsaning bir – biridan farqli bo’lgan ikkita mo’dullari bo’yicha eng katta xos son mvjud bo’lsin. Bunday vaqtda 1-holda ko’rilgan usulga o’xshash usulni qo’llab, 2 va unga mos keladigan xos vektorni topish mumkin. (9.2) fo’rmulaga ko’ra y ( k ) b11k x (1) b2 k2 x ( 2) ... bn kn x ( n ) y ( k 1) b k 1 1 1 x (1) b2 k 1 2 x ( 2) ... bn k 1 n (13) x (n) (14) bu tenglikda 1 ni yo’qotish uchun (9.13) ni 1 ga ko’paytirib (9.14) dan ayiramiz. Natijada 00 y 1 1 y ( k ) b2 k2 (2 1 ) x ( 2 ) bn kn (n 1 ) x ( n ) . (15) ga ega bo’lamiz. Yozuvni qisqartirish maqsadida y (k ) ning -ayirmasi deb ataluvchi quyidagi y ( k ) y ( k 1) y ( k ) belgilashni kiritamiz. Agar b2 0 bo’lsa , u holda k da (9.15) da birinchi qo’shiluvchi yig’indining bosh qismi bo’ladi va biz 1 y ( k ) b2 k2 (2 1 ) x 2 (16) taqribiy tenglilkka ega bo’lamiz. Bu yerda esa 1 y ( k 1) b2 k21 (2 1 ) x 2 (17) Bu tengliklarni kompanentlarda yozib, quyidagi taqribiy tengliklarga ega bo’lamiz: 2 1 y (jk ) 1 y (jk 1) y (jk 1) 1 y (jk ) y (jk ) 1 y (jk 1) . (18) Bu fo’rmula yordamida 2 ni topishimiz mumkin. Bir-biriga yaqin sonlar y (kj ) va 1 y (jk 1) hamda y (jk 1) va y (kj ) bo’lganligi uchun aniqlik yo’qoladi. Shuning uchun ham, praktikada 2 aniqlaydigan iteratsiya nomeri m ni 1 ni aniqlaydigan iteratsiy nomeri k dan kichikroq qilib olish, yani 2 ni quyidagicha aniqlash maqulir : 2 y (jn 1) 1 y (jm ) y (jn ) 1 y (jm 1) (m k ) (19) Agar l yetarlicha katta bo’lsa l2 ning l2 (j=3,4,…) dan ortiqligi sezilib qoladi, m sifatida shu larning eng kichigini olish kerak . Umumiy aytganda (19) formula 2 ning qo’pol qiymatini beradi. Shu usul bilan qolgan xos sonlarni xam topish mumkin, lekin natija yana ham qo’polroq chiqadi. (16) dan ko’rinib turibdiki, x ( 2) y ( m) dan faqat o’zgarms ko’payuvchiga farq qilyapti, shuning uchun ham 1 x ( 2) 1 y ( m) deb olishimiz mumkin. Nazorat savollari 1.Matrisaning xos soni va xos vektori nima? 2.Xos sonlarning to`liq muammosi nimadan iborat? 3.Xos sonlarning qismiy muammosi nimadan iborat? 4.Matrisaning spektori nima? 5.Matrisaning spektral radiusi nima? 6. Matrisaning xarakteristik tenglamallash nima? 7. Matrisaning xarakterichstik ko`phadi nima? 8. Matrisaning xos sonlari qanday topiladi? 9. Matrisaning xos vektori qanday topiladi? 10.Krilov A. N. usulining mohiyatini bayon qiling..