Cztery początkowe wykłady poświęcimy zagadnieniu własnemu. Naszym zadaniem będzie obliczenie, a raczej numeryczna aproksymacja wartości własnych danej macierzy kwadratowej (jednej, kilku, lub wszystkich). W ogólniejszym sformułowaniu możemy chcieć obliczyć również odpowiednie wektory własne.
Pierwszy wykład będzie dotyczyć przede wszystkim wrażliwości wartości i wektorów własnych na zaburzenia macierzy. Jak wiemy z podstawowego wykładu analizy numerycznej, jest to istotne z punktu widzenia numerycznej jakości algorytmów.
Zaczniemy od przypomnienia podstawowych pojęć i faktów z algebry liniowej dotyczących zagadnienia własnego, z których skorzystamy w dalszej części wykładu.
Liczbę
Wektor
Równoważnie,
gdzie
Zbiór wszystkich wektorów własnych odpowiadających danej
wartości własnej
Wektory własne odpowiadające różnym wartościom własnym są liniowo niezależne.
Macierze
Macierze podobne mają te same wartości własne. Jeśli bowiem
Macierz
Zauważmy, że wtedy możemy równoważnie zapisać
Szczególne własności mają macierze hermitowskie albo,
w przypadku rzeczywistym, macierze symetryczne, bowiem dla
nich istnieją bazy ortonormalne (odpowiednio w
Niech
Wtedy istnieje w
Oczywiście, odpowiednie wartości własne
Powyższa własność macierzy symetrycznych oznacza tyle, że są one diagonalizowalne przy pomocy macierzy ortogonalnych. Rzeczywiście, oznaczając
mamy
Zobaczmy najpierw, czy mamy w ogóle szansę numerycznego rozwiązania zadania znalezienia wartości własnych macierzy. W tym celu zbadamy jego uwarunkowanie, czyli wrażliwość na małe względne zaburzenia współczynników macierzy.
W ogólności, uwarunkowanie naszego zadania może być niestety dowolnie duże.
Niech macierz
Dla
ma pierwiastki
Względne zaburzenie macierzy na poziomie
Oczywiście, otrzymane oszacowanie nie oznacza, że w powyższym
przykładzie w ogóle nie potrafimy aproksymować wartości własnej.
Tracimy jednak na liczbie poprawnie obliczonych cyfr znaczących wyniku.
Niech
Powyższy przykład pokazuje również, że praktycznie niemożliwe jest numeryczne wyznaczenie struktury macierzy. Nawet drobne zaburzenie macierzy powoduje bowiem, że pojedyncza klatka Jordana staje się macierzą diagonalizowalną.
Dalej będziemy już zakładać, że macierz
Niech
Niech dalej
gdzie
Załóżmy bez zmniejszenia ogólności, że
(1.1) |
Oznaczając
(1.2) |
czyli
Ponieważ
Dla macierzy diagonalizowalnych zaburzenia wartości własnych są więc
lipschitzowską funkcją zaburzeń macierzy, przy czym stała Lipschitza
wynosi
Podane oszacowanie jest globalne dla wszystkich wartości własnych.
Zaburzenia macierzy
Biorąc jedynie
(1.3) |
gdzie
tzn.
(ortogonalność ze względu na zwykły iloczyn skalarny).
Stąd, jeśli
Dla ustalenia uwagi załóżmy teraz, że minimum w twierdzeniu
1.2 jest osiągane dla
gdzie wektory własne
po wszystkich
interesujące nas `max' jest najmniejsze gdy
Ponieważ
Rozpatrzmy macierz
gdzie
Przez zaburzenie wektora własnego będziemy rozumieć odległość
wektora
albo, równoważnie, długość rzutu ortogonalnego
Pokażemy, że podobnie jak przypadku wartości własnych, zaburzenie
wektorów własnych jest lipszitzowską funkcją
Niech
Wtedy
Wobec równości (1.3) mamy
Ponieważ na podstawie twierdzenia Bauera-Fike'a mamy
otrzymujemy następującą przybliżoną nierówność
(1.4) |
Uwaga. W przykładzie 1.2 istotnemu zaburzeniu uległy
wartości własne, natomiast wektory własne nie. Jest to
zrozumiałe w świetle ostatniego wyniku. W przypadku macierzy
Poniższy przykład dla macierzy symetrycznej (!) pokazuje jak ważne dla wrażliwości wektorów własnych jest odseparowanie różnych wartości własnych.
Wartościami własnymi macierzy symetrycznej
są
wartościami własnymi są
W tej części będziemy zakładać, że macierz jest rzeczywista i symetryczna,
Ponieważ elementy
Przypomnijmy twierdzenie 1.1, które mówi, że dla macierzy
symetrycznej istnieje baza ortonormalna
To zaś, razem z twierdzeniem 1.2 implikuje, że każda
watość własna
Możemy jednak pokazać dużo więcej. Zachodzi bowiem następujące twierdzenie Weyla.
Niech
Dowód twierdzenia opiera się na następującej pożytecznej nierówności.
Dla dowolnej rzeczywistej macierzy symetrycznej
(1.5) |
przy czym odpowiednie maksimum i minimum osiągane są dla
Niech
Biorąc maximum po
Dla dowodu twierdzenia 1.3 zastosujemy
lemat 1.5 najpierw do macierzy
oraz podobnie nierówność odwrotną
Zanotujmy jeszcze, że wielkość
znana jest pod nazwą ilorazu Rayleigh'a.
Niech
Rzeczywiście, to wynika bezpośrednio z twierdzenia 1.3,
nierówności (1.4) oraz faktu, że macierz
Dla ustalenia uwagi załóżmy, że
gdzie
Możemy też założyć, bez straty ogólności, że
Przekształcając równanie
Ponieważ każdy z wektorów
Mamy dalej
a stąd
Z kolei z równości
skąd
Gdybyśmy teraz wiedzieli, że
(1.6) |
to moglibyśmy napisać
i ostatecznie
Pozostaje więc do pokazania równość (1.6).
W tym celu, weźmy
Dla danych
Zamieniając zmienne na
Pokazaliśmy, że wektory własne są mało wrażliwe na zaburzenia
macierzy o ile wartości własne są odseparowane od siebie
na poziomie dużo większym niż
Przypomnijmy jeszcze przykład 1.3 pokazujący, że warunek odseparowania wartości własnych jest konieczny.
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i
Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.