Wartości własne kalkulator

Format liczbowy
Komentarze dotyczące rozwiązania
Bez opisu (tylko odpowiedź)

a

b

c

d

x

y

z

clear

i

ab
x2
xn

Randomize

313131313135151515151583137
2
2510
=Rozwiąż

  O kalkulatorze wartości własnych macierzy

To jest darmowy, internetowy kalkulator wartości własnych macierzy z pełnym, szczegółowym, krok po kroku opisem rozwiązań, który wykonuje operacje na macierzach o rozmiarze do 20x20 z elementami macierzowymi następujących typów: liczby dziesiętne, ułamki, liczby zespolone, zmienne.

Aby rozpocząć obliczenia, należy najpierw wprowadzić rozmiar macierzy w polu wejściowym, które znajduje się w górnej części ekranu, a także wybrać metodę obliczeń.

Nieco niżej znajduje się okno macierzy, w którym należy wprowadzić elementy macierzy za pomocą klawiatury. Znajduje się tu również panel kontrolny macierzy, który upraszcza pracę z macierzami i zawiera następujące elementy sterujące:

  • Pierwszy element pozwala na powiększenie okna macierzy. Może to być szczególnie przydatne w przypadku, gdy trzeba wykonać obliczenia na bardzo dużych macierzach, które nie mieszczą się w całości. Jeśli macierz nadal nie jest widoczna po powiększeniu okna, można zmienić jej skalę za pomocą przycisków + / -;
  • Drugi element wykonuje funkcję kopiowania wprowadzanej macierzy do bufora pamięci. Może to być przydatne w przypadku, gdy często używa się tej samej macierzy do obliczeń lub gdy trzeba przenosić macierze między operacjami;
  • Ostatni element wstawia wcześniej skopiowaną macierz, co pozwala przyspieszyć proces wprowadzania macierzy do zaledwie kilku kliknięć, zamiast robić to ręcznie;

Niżej znajduje się pasek narzędzi, który pozwala na dostosowanie kalkulatora i ułatwienie pracy z nim. Jest on wizualnie podzielony na trzy części, z których każda odpowiada za następującą funkcjonalność:

  • Pierwsza pozwala na wybór formatu liczb przy wyświetlaniu wyniku rozwiązania. Można tu również wyłączyć komentarze do rozwiązania zadania, jeśli użytkownik zrozumiał już, jak rozwiązać to zadanie i używa kalkulatora do przyspieszenia lub sprawdzenia własnych obliczeń. Można również całkowicie wyłączyć rozwiązanie krok po kroku, jeśli potrzebny jest tylko wynik rozwiązania;
  • Druga zawiera przyciski, które pozwalają na zmianę typu pola wprowadzania macierzy, wymazanie jej elementów lub całej macierzy, oraz największy przycisk ze znakiem równości, który przeniesie użytkownika do ekranu z rozwiązaniem zadania. Wszystkie te przyciski są zduplikowane przez klawisze na klawiaturze. Aby dowiedzieć się, który klawisz na klawiaturze należy nacisnąć, wystarczy najechać kursorem na jeden z przycisków, a pojawi się wskazówka z nazwą klawisza. Można również używać strzałek na klawiaturze do poruszania kursorem między polami wprowadzania macierzy;
  • Ostatnia pozwala na wybór liczby cyfr po przecinku do zaokrąglania liczb nie całkowitych. Można tu również od razu zobaczyć przykład, jak będą wyglądały zaokrąglone ułamki;

  Czym są wartości własne macierzy?

Definicja wartości własnych jest ściśle związana z wektorami własnymi. Wektory własne to wektory, których kierunki nie zmieniają się podczas transformacji liniowej, ale są skalowane przez stały czynnik, a ten stały czynnik, przez który wektory własne są skalowane podczas transformacji liniowej, jest wartością własną.

  Jak znaleźć wartości własne macierzy?

Najpierw musimy znaleźć równanie charakterystyczne danej macierzy, a następnie je rozwiązać. Pierwiastki równania charakterystycznego danej macierzy są również wartościami własnymi tej macierzy. Można obliczyć tylko wartości własne macierzy kwadratowych.

  Przykład znajdowania wartości własnych macierzy

Zapisz macierz początkową
A
:
A
=
71
7
2
8
8
5
5
5
8
Aby znaleźć wartości własne macierzy
A
, należy wykonać następujące czynności:
1)
Znaleźć równanie charakterystyczne macierzy A. W tym celu należy wykonać następujące czynności:
Utworzyć nową macierz (A - λI) poprzez odjęcie λ od wszystkich elementów głównej przekątnej macierzy A.
Znaleźć wyznacznik macierzy A - λI.
Przyrównać wyznacznik macierzy A - λI do zera.
2)
Rozwiązać równanie charakterystyczne macierzy A.
3)
Pierwiastki równania charakterystycznego macierzy A są również jej wartościami własnymi.
2
Form A − λ·I
Utwórz macierz
A - λI
:
A - λI
=
A
-
λ
*
I
=
71
7
2
8
8
5
5
5
8
-
λ
*
1
0
0
0
1
0
0
0
1
=
71
-
λ
7
2
8
8
-
λ
5
5
5
8
-
λ
Teraz należy znaleźć wyznacznik tej macierzy.
3
Characteristic polynomial det(A − λ·I)
det(
A - λI
) =
71
-
λ
7
2
8
8
-
λ
5
5
5
8
-
λ
=
-
λ
3
0
+
87
λ
2
0
-1109
λ
+
2496
;
4
Równanie charakterystyczne
Znaleźliśmy następujący wyznacznik macierzy
A - λI
:
-
λ
3
0
+
87
λ
2
0
-1109
λ
+
2496
;
Przyrównujemy ten wyznacznik do zera i otrzymujemy równanie charakterystyczne macierzy
A
:
-
λ
3
0
+
87
λ
2
0
-1109
λ
+
2496
= 0;
Teraz możemy rozwiązać to równanie, a jego pierwiastki dadzą nam wartości własne macierzy
A
.
5
Rozwiązanie równania charakterystycznego
Zapisz początkowe równanie, którego rozwiązania należy znaleźć:
-
λ
3
0
+
87
λ
2
0
-1109
λ
+
2496
= 0;
Jak widać z równania, maksymalny stopień zmiennej wynosi
3
, co oznacza, że mamy równanie następującego typu:
3
0
+
2
0
+
+
d
= 0;
// gdzie
a
=
-1
;
b
=
87
;
c
=
-1109
;
d
=
2496
;
Aby rozwiązać to równanie, możemy użyć metody Cardana, która polega na sprowadzeniu początkowego równania do postaci sześciennej sprowadzonej;
Postać sześcienna sprowadzona oznacza usunięcie z równania
λ
2
0
i ma następującą postać:
t
3
0
+
pt
+
q
= 0;
// gdzie
t
=
x
+
b
3
a
;
p
=
3
ac
-
b
2
0
3
a
2
0
;
q
=
2
b
3
0
- 9
abs
+ 27
a
2
0
d
27
a
3
0
;
Pierwiastki
λ
0
1
,
λ
0
2
,
λ
0
3
równania początkowego są powiązane z pierwiastkami
t
0
1
,
t
0
2
,
t
0
3
równania sprowadzonego za pomocą zależności:
λ
0
i
=
t
0
i
-
b
3
a
, for
i
= 1, 2, 3;
Aby znaleźć pierwiastki równania, najpierw należy znaleźć wyróżnik równania sprowadzonego:
D
=
q
2
0
4
+
p
3
0
27
;
Następnie możemy mieć trzy przypadki:
6
Szczególne przypadki wzoru
Przypadek
1
, kiedy
D = 0
Są trzy pierwiastki rzeczywiste, ale drugi i trzeci pierwiastek są sobie równe:
t
0
1
=
3
q
p
;
t
0
2
=
t
0
3
= -
3
q
2
p
;
Przypadek
2
, kiedy
D > 0
Istnieje tylko jeden pierwiastek rzeczywisty i dwa nierealne pierwiastki sprzężone zespolone:
t
0
1
=
u
-
s
;
t
0
2
= -
u
-
s
2
+
3
2
(
u
+
s
)
i
;
t
0
3
= -
u
-
s
2
-
3
2
(
u
+
s
)
i
;
Gdzie:
u
=
3
-
q
2
-
D
;
s
=
p
3
u
;
Przypadek
3
, kiedy
D < 0
Są trzy pierwiastki rzeczywiste, ale wzory wyrażające te pierwiastki zawierają liczby zespolone. Niemniej jednak można uzyskać całkowicie rzeczywiste wyrażenia rozwiązań za pomocą funkcji trygonometrycznych:
t
0
1
=
u
*
cos
(
s
);
t
0
2
=
u
*
cos
(
s
-
k
);
t
0
3
=
u
*
cos
(
s
- 2
k
);
Gdzie:
u
=
2 *
-
p
3
;
s
=
1
3
*
arccos
(
3
q
pu
);
k
=
2 *
π
3
;
7
Postać sześcienna sprowadzona
p
=
3
ac
-
b
2
0
3
a
2
0
=
3 *
-1
*
-1
-
87
2
0
3 *
-1
2
0
=
-1414
;
q
=
2
b
3
0
- 9
abc
+ 27
a
2
0
d
27
a
3
0
=
2 *
87
3
0
- 9 *
-1
*
87
*
-1109
+ 27 *
-1
2
0
*
2496
27 *
-1
3
0
=
-19113
;
Postać sześcienna sprowadzona
:
t
3
0
-1414
t
-19113
= 0;
D
=
q
2
0
4
+
p
3
0
27
=
-19113
2
0
4
+
-1414
3
0
27
=
-13382416
79
100
;
8
Pierwiastki
Ponieważ
D < 0
, mamy przypadek
3
;
Są trzy pierwiastki rzeczywiste, ale wzory wyrażające te pierwiastki zawierają liczby zespolone. Niemniej jednak można uzyskać całkowicie rzeczywiste wyrażenia rozwiązań za pomocą funkcji trygonometrycznych:
u
=
2 *
-
p
3
= 2 *
-
-1414
3
=
43
21
50
;
s
=
1
3
*
arccos
(
3
q
pu
) =
1
3
*
arccos
(
3 *
-19113
-1414
*
43
21
50
)
=
3
25
;
k
=
2 *
π
3
=
2 * 3.14
3
=
2
9
100
;
t
0
1
=
u
*
cos
(
s
) =
43
21
50
*
cos
(
3
25
) =
43
1
10
;
t
0
2
=
u
*
cos
(
s
-
k
) =
43
21
50
*
cos
(
3
25
-
2
9
100
) =
-16
49
50
;
t
0
3
=
u
*
cos
(
s
-
2
k
) =
43
21
50
*
cos
(
3
25
- 2 *
2
9
100
) =
-26
3
25
;
λ
0
1
=
t
0
1
-
b
3
a
=
43
1
10
-
87
3 *
-1
=
72
1
10
;
λ
0
2
=
t
0
2
-
b
3
a
=
-16
49
50
-
87
3 *
-1
=
12
1
50
;
λ
0
3
=
t
0
3
-
b
3
a
=
-26
3
25
-
87
3 *
-1
=
2
22
25
;
Answer
det(A − λ · I) = 0
λ
0
1
=
72
1
10
;
λ
0
2
=
12
1
50
;
λ
0
3
=
2
22
25
;
Rozmiar3×3

  Źródła