אלגברה 2 מח - סיכום הרצאות של מרק ברמן הרצאה של יום ראשון, L708
Transcription
אלגברה 2 מח - סיכום הרצאות של מרק ברמן הרצאה של יום ראשון, L708
אלגברה 2מח׳ -סיכום הרצאות של מרק ברמן הרצאה של יום ראשוןL708 , סמסטר אביב תשע״ה 7.6.2015 תמונת ספרת היחידה :הגדרה של ספרת היחידה ב .Rn -הצגה של אליפסואידים/פנים של אליפסואיד לפי וקטורים אורתונורמליים ,משפט שנותן תאור לתמונת ספרת היחידה באמצעות פירוק SVDבמקרים שונים :כאשר העמודות של Aבת׳׳ל או כאשר הם ת״ל .דוגמא .תבניות ריבועיות :הגדרה ,דוגמאות וייצוג תבנית ריבועית על ידי מטריצה סימטרית .הגדרת :תבנית נקראת חיובית לחלוטין אם 0 > xT Axלכל ,x 6= 0ושאר ההגדרות המקבילות .שינוי משתנים לינארי בתבנית ריבועית M y = x ושינוי משתנים אורתוגונלי זה כאשר Mמטריצה אורתוגונלית .טענה :שינוי משתנים שומר על חיוביות/חיוביות לחלוטין של תבנית .משפט :התבנית xT Axחיובית/חיובית לחלוטין אם ורק אם כל הערכים העצמיים של Aאי-שליליים/חיוביים ממש .תנאים הכרחיים ,אך לא מספיקים ,כדי שתבנית תהיה חיובית לחלוטין: ) (II) ;det(A) > 0 (Iלכל iהמקדם a2ij > 0 (III) ;aii > 0 aii ajjלכל .i 6= jדוגמאות. 31.5.2015 הופכי מוכלל Ayשל מטריצה :Aמוטיבציה ,הגדרה .ביטוי להופכי מוכלל לפי פירוק .SVDדיון על יחידות הופכי מוכלל .דוגמא )חישוב הופכי מוכלל( .נוסחא להופכי מוכלל במקרה שהעמודות של המטריצה בת״ל .דוגמא .טענה :נתונה מטריצה A ,m nוקטור 2 Rm b ומערכת נורמלית ,(1) AT Ax = AT bמתקיימים אAy b . = xy פתרון ל ;(1)-ב .לכל פתרון xשל ) (1ניתן לכתוב x = xy + uכך ש ;u 2 Nul(A) -ג. לכל פתרון xשל ) (1מתקיים .kxy k kxkדוגמא .קירוב מטריצות ,מוטיבציה ,קשר לתחום של עיבוד תמונה .הגדרה של מרחק בין מטריצות לפי המכפלה הפנימית 1 )B T A (= tr )B T A (= tr .hA; B i טענה :המטריצות fu^ i v^ iT gאורתונורמליות במכפלה הפנימית .hA; B iבהסתמך על הטענה חישוב הנורמה של מטריצה והמרחק בין המטריצה עצמה לבין המטריצה שמקרבת אותה באמצעות הערכים הסינגולריים .דיון על יישומים לעיבוד תמונה. 17.5.2015, 16:00-19:00 פירוש גאומטרי של פירוק ספקטרלי :דוגמאות. ניסוח משפט פירוק :SVDלכל מטריצה m n Aמדרגה rקיים בסיס אורתונורמלי fv^ 1 ; : : : ; v^ r gשל ) ;Col(ATבסיס אורתונורמלי fu^ 1 ; : : : ; u^ r gשל ) ;Col(Aוסקלרים )ערכים סינגולריים( 1 2 r > 0כך ש .A = 1 u^ 1 v^ 1T + : : : + r u^ r v^ rT -טענה :לכל מטריצה ממשית ,Aהערכים העצמיים של AT Aהם אי-שליליים .מציאת בסיס אורתונורמלי של Rn של וקטורים עצמיים אורתונורמליים fv^ 1 ; : : : ; v^ n gשל AT Aכאשר fv^ 1 ; : : : ; v^ r gבסיס של ) Col(AT ו fv^ r+1 ; : : : ; v^ n g -בסיס של ) .Nul(Aהגדרה של ערכים סינגולריים iשל .A הגדרה1 Av^ i : = i u^ iלכל .i = 1; : : : ; rטענה fu^ 1 ; : : : ; u^ r g :מהווה בסיס אורתונורמלי של ) .Col(Aדוגמא של חישוב פירוק SVDבאמצעות המטריצה .AT Aטענה :אם A = 1 u^ 1 v^1T + : : : + r u^ r v^rTפירוק SVDשל מטריצה Aאזי 1 v^1 u^ T1 + : : : + r v^r u^ Tr = AT פירוק SVDשל .ATדוגמא של חישוב פירוק SVDכאשר פשוט יותר לחשב קודם את הפירוק SVDשל .AT 17.5.2015, 09:00-12:00 טענה :תהי Aמטריצה שהיא או הרמיטית או יוניטרית ,ויהיו z; wוקטורים עצמיים של Aעם ערכים עצמיים ; בהתאמה .אם =6 ,אזי מתקיים ?w .zהגדרה של מטריצה אנטי-הרמיטית ,מטריצה נורמלית .הערה :אם מטריצה Aשייכת לאחד מהקטגוריות הבאות :הרמיטית ,אנטי-הרמיטית ,יוניטרית ,אזי Aנורמלית .טענה :אם Uיוניטרית ו A -נורמלית אזי U 1 AUנורמלית .הלמה של שור :תהי Aמטריצה ,n n 2 אז קיימת n n Uיוניטרית כך ש U 1 AU -משולשת עליונה .טענה :אם Aנורמלית וגם משולשת עליונה אזי Aאלכסונית .משפט )פירוק ספקטרלי( :אם Aמטריצה נורמלית אזי קיימת Uיוניטרית כך ש U 1 AU -אלכסונית .צורות נוספות של הפירוק :אם A נורמלית אזי מתקיימים (1) :קיימת בסיס אורתונורמלי של Cn של (2) .Aניתן לכתוב Pn ^ iu ^H i=1 i u i של וקטורים עצמיים = Aכאשר u^ 1 ; : : : ; u^ nבסיס אורתונורמלי של .Cn הערה :במקרה ש A -סימטרית ניתן לבחור בסיס אורתונורמלי של וקטורים עצמיים של Aכך שכל הקואורדינטות שלהם ממשיות .דוגמא .תזכורת :אם Aמטיצרה מלוכסנת ומתקיים D P 1 APכאשר Dאלכסונית אזי לכל מספר טבעי mמתקיים = ;Am = P Dm P 1קשר לפירוק ספקטרלי. 10.5.2015 דוגמא של מטריצה 2 2 עם שני ערכים עצמיים לא ממשיים .הבעית של לכסון מטריצה; לכסון על ידי מטריצה עם מקדמים מרוכבים .הגדרה של המרחב ,Cnהגדרה של אוסף מטריצות .Cmnהשחלוף ההרמיטית ;AHטענה :לכל A 2 Cmn ; B 2 Cnk מתקיימים אA B . = ,ABב. A )= ( T ,(A)TגB H AH . = ,(AB )HדA . = . (A H )H הגדרה של מכפלה פנימית סטנדרטית ב .Cn -תכונות של המכפלה הפנימית הזאת: הרמיטיות ,לינראיות ,חיוביות .הגדרה של נורמה .טענה :לכל z 2 Cn ; 2 Cמתקיים jj kzk וגם .hAz; wi = hz; AH wi = .kzkטענה :לכל 2 Cnn ,z; w 2 Cn Aמתקיימים hz; Awi = hAH z; wi הגדרות של מטריצה הרמיטית ,מטריצה אנטי-הרמיטית, ומטריצה יוניטרית .דוגמאות .הערות :א .המושגים האלה הם הכללות של המושגים של מטריצה סימטרית ,מטריצה אנטי-סימטרית ,ומטריצה אורתוגונלית; ב .הם אותם מושגים במקרה שהמטריצה היא ממשית .משפט :התנאים הבאים שקולים (I) :מטריצה Uיוניטרית; ) (IIהעמודות של Uמהוות בסיס אורתונורמלי; ) (IIIהשורות של Uמהוות בסיס אורתונורמלי; ) U (IVשומרת מכפלה פנימית; ) U (Vשומרת נורמה .תכונות ספקטרליות של מטריצות הרמטיות ויוניטריות :טענה :1אם מטריצה Aהרמיטית אזי 3 כל הערכיים העצמיים שלה הם ממשיים .טענה :2אם מטריצה Aיוניטרית אזי כל ערך עצמי של Aמקיים .jj = 1 3.5.2015 מחרב הווקטורי ] Pn [xשל פולינומים ממעלה קטן שווה nעם מקדמים ממשיים .הגדרת מכפלה ב Pn [x] -על ידי ) .hf; g i = f (0)g (0) + + f (n)g (nטענה :המכפלה הזאת היא מכפלה פנימית על ] .Pn [xעבור מרחב וקטורי כללי Vעם מכפלה פנימית ,הגדרות של נורמה ,אורתוגונליות ,קבוצה אורגונולית/אורתונורמלית .משפט פיתגוראס ,אי-שוויון קושי-שוורץ-בוניאקובסקי ,שי-שוויון המשולש .טענה :וקטורים אורתוגונליים מהווים קבוצה בת״ל .ביטוי לווקטור כצירוף לינארי של ווקטורים בבסיס אורתוגונלי; מקדמי פורייה .תהליך גרם-שמידט .המושג של מלשים אורתוגונלי של תת-מרחב; הנוסחא ?U U = Vכאשר Uממימד סופי .הגדרת היטל על תת-מרחב ,קיום ויחידות היטל. משפט על המרחק הקצר ביותר בין וקטור לתת-מרחב .נוסחא עבור היטל לפי מקדמי פורייה ,מערכת נורמלית .דוגמאות. 26.4.2015 משפט )אפיון אלגברי של מטריצת הטלה( :סיום .דוגמא .הגדרת שיקוף של וקטור ביחס לתת-מישור .דוגמאות .טענה :נתונים תת-מרחב U היטל pעל ,Uאזי קיים ויחיד שיקוף rשל x של ,Rnוקטור x ביחס לU - והוא מקיים x בRn - עם = 2p .r הגדרה של מטריצת שיקוף .דוגמאות .טענה :נתונים תת-מרחב Uומטריצת הטלה Pעל Uאזי I 2Pמטריצת שיקוף ביחס ל .U -טענה :יהי Uתת-מרחב של .Rn קיימת ויחידה מטריצת שיקוף Rביחס ל ,U -ומתקיים )= Col(R + I .Uמשפט )אפיון אלגברי של מטריצת הטלה( :מטריצת ריבועית Rשיקוף אם ורק אם היא מקיימת את שני התנאים אR . = ,R2בR . = .RTטענה :יהי Uהיפר מישור עם נורמל ,Nאזי מטריצת השיקוף ביחס ל U -נתונה על ידי 4 NNT 2 NT N .R = Iוקטורים עצמיים וערכים עצמיים של מטריצות הטלה ושל מטריצות שיקוף .מכפלה פנימית של מרחב וקטורי כללי :מוטיבציה ,הגדרה ,דוגמאות ב .R2 -תזכורת על מרחב הווקטורי .Rmnטענה: המכפלה ) hA; B i = tr(B T Aמגדירה על Rmn מכפלה פנימית .הגדרת מרחב הווקטורי ] C [a; bשל פונקציות רציפות על קטע סגור ] .[a; bטענה: המכפלה hf; gi = Rab f (x)g(x)dx מגדירה מכפלה סקלרית על ].C [a; b 19.4.2015 הגדרת המושג של פתרון עבור מערכת רגילה במובן של הקירוב הטוב ביותר .משפט: וקטור xפתרון של מערכת רגילה b אם x = Axבמובן של הקירוב הטוב ביותר אם ורק פתרון של המערכת הנורמלית AT b = .AT Axשיטת הריבועים המזעריים על מנת למצוא קו ישר שמקרב נקודות נתונות במישור .ניסוח עבור קו ישר ,דוגמא. שיטת הריבועים המזעריים עבור פרבולה. דוגמאות של מטריצות 2 2 שמעתיקות כל וקטור ב R2 -להיטל שלו על תת-מרחב מסוים .הגדרה גאומטרית של מטריצת הטלה: מטריצה Pנקראת הטלה אם קיים תת-מרחב Uכך שלכל P x ,x 2 Rn ההיטל של x על .Uטענה )זהות שתי מטריצות( :תהיינה Aו B -שתי מטירצות .m nאזי תנאים הבאים שקולים :א ,A = B .ב .לכל ,Ax = B x ,x 2 Rnג .קיים בסיס v1 ; : : : ; vnשל Rnכך שB vi - ,Uאזי = )= Col(P Aviל .i = 1; : : : ; n -טענה :נתונה מטריצת הטלה Pעל תת-מרחב .Uנוסחא עבור מטריצת הטלה על קו ישר :המטריצה aaT aT a מעתיקה כל וקטור להיטל שלו על קו הישר ) .sp(aטענה :לכל מטריצה m n Aעם עמודות בת״ל ,מטריצת ההטלה על )Col(A נתונה על ידי A(AT A) 1 AT = .Pדוגמא .טענה: אם Pמטריצת הטלה על תת-מרחב Uו Q -מטריצת הטלה על ? Uאז Q = I + .P הגדרה של היפר מישור ב ,Rn -נורמל .טענה :אם Pמטריצת ההטלה על היפר מישור Uעם נורמל Nאזי NNT NT N I = .Pדוגמא .משפט )אפיון אלגברי של מטריצת הטלה(: מטריצה Pהטלה אם ורק אם היא מקיימת את שני התנאים הבאים :אP 2 = P . בP . = .P T 5 12.4.2015 טענה :לכל תת-מרחב Uשל Rnמתקיים U Rn = ?) ? .(Uטענה :לכל תת-מרחב Uשל ווקטור v 2 Rnמתקיים v = p + qכאשר pההיטל של vעל Uו– qהוא ההיטל של vעל ? .Uטענה :אם Uתת-מרחב של b1 ; : : : ; bk ,Rnבסיס אורתוגנלי של Uו– v 2 Rnאזי ניתן לבטא את ההיטל pשל vעל Uעל ידי מקדמי פורייה לפי הנוסחא הבאה: Xk v bi b i jjbijj2 i=1 = .pדוגמא .הגדרות של ) Nul(A) ,Col(Aו– A .Aתזכורת :לכל מטריצה m n Aמתקיים n של מערכת נורמלית .משפט :וקטור x = Rank עבור מטריצה ) .dim(Nul(A)) + Rank(Aהגדרה פתרון למערכת הנורמלים AT b = AT Axאם ורק אם Axההיטל של bעל ) .Col(Aדוגמא .משפט (1 :אם xפתרון למערכת רגילה אז הוא גם פתרון למערכת הנורמלית המתאימה (2 ,למערכת הנורמלית תמיד קיים פתרון (3 ,לכל מטריצה Aמתקיים A ) (= Nul ) (4 ,Nul(AT Aלכל מטריצה A מתקיים ) .Rank(A) = Rank(AT Aמשפט היסודי של אלגברה לינארית :לכל מטריצה A מתקיימים ) (Nul( ))? = Col(AT A ו– ) = Nul(AT ?)) .(Col(Aהגדרת מרחק ) d(b; Uבין וקטור bלתת-מרחב .Uמשפט :נתונים תת-מרחב Uשל Rn pעל ,Uמתקיים uk pk .d(b; U ) = kb pk kb ווקטור b 2 Rnעם היטל kbלכל u 2 Uויש שוויון רק כאשר .u = pמסקנה: 29.3.2015 תהליך גרם–שמידט :ניסוח ודיון .משפט :תהליך גרם–שמידט הופך בסיס של תת מרחב לבסיס אורתוגונלי של אותו תת מרחב .דוגמא .מסקנה :נתון תת מרחב Uשל ,Rnאזי קיים בסיס אורתוגונלי x1; : : : ; xnשל Rn כך שחלק מהבסיס ,נגיד ,x1 ; : : : ; xk מהווה בסיס של .Uהגדרה של סכום ישר של שני תתי מרחב )תזכורת( .משלים אורתוגונלי של תת-מרחב :הגדרה ,משמעות גאומטרית .תרגיל בית :הוכח שהמשלים האורתוגונלי של תת-מרחב הוא בעצמו תת-מרחב .טענה :לכל תת-מרחב ,Uמתקיים ? .Rn = U Uהיטל אורתוגונלי של וקטור על תת-מרחב :הגדרה ,קיום ,יחידות. 6 22.3.2015 טענת מקדמי פורייה ־ הוכחה ,דוגמא .מטריצות אורתוגונליות; הגדרה ודוגמאות. משפט :עבור מטריצה n n Aהתנאים הבאים שקולים :א( Aאורתוגונלית ,ב( העמודות של Aמהוות בסיס אורתונורמלי של ,Rnג( השורות של Aמהוות בסיס אורתונורמלי של ,Rnד( Aשומרת מכפלה סקלרית על ,Rnה( Aשומרת נורמה על .Rnטענה :אם מטריצה n nשומרת מכפלה סקלרית על בסיס מסויים ,אזי היא אורתוגונלית .מסקנה :אם מטריצה n nמעתיקה בסיס אורתונורמלי לבסיס אורתונורמלי אחר ,אזי היא אורתוגונלית. אפיון של מטריצה 2 2 אורתוגונלית :צורה ומשמעות גאומטרית. 15.3.2015 כפל מטריצה בווקטור ,כפל מטריצות רגיל ,כפל מטריצות לפי ׳עמודה–שורה׳׳ .מכפלה סקלרית ,נורמה ,תכונות .משפט פיתגורס .משפט אי-שוויון קושי-שוורץ-בוניאקובסקי, אי-שוויון המשולש .קבוצה אורתוגונלית ,קבוצה אורתונורמלית .הגדרה של זווית בין שני ווקטורים ב– .Rnטענה :כל קבוצה אורגונלית היא גם בת״ל .מקדמי פורייה בבסיס אורתוגונלי )התחלה(. 7