Spazi lineari - PARTE II - Felice Iavernaro. Dipartimento di Matematica Università di Bari. 9 e 16 Marzo 2007



Documenti analoghi
Spazi lineari. Felice Iavernaro. Dipartimento di Matematica Università di Bari. 17 Dicembre 2009

Corso di Matematica per la Chimica

1 Applicazioni Lineari tra Spazi Vettoriali

ESERCIZI DI ALGEBRA LINEARE E GEOMETRIA

x 1 + x 2 3x 4 = 0 x1 + x 2 + x 3 = 0 x 1 + x 2 3x 4 = 0.

Parte 3. Rango e teorema di Rouché-Capelli

Parte 6. Applicazioni lineari

Applicazioni lineari

Esercizi su lineare indipendenza e generatori

Università degli Studi di Roma Tor Vergata. Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

ESERCIZI APPLICAZIONI LINEARI

LEZIONE 23. Esempio Si consideri la matrice (si veda l Esempio ) A =

Dimensione di uno Spazio vettoriale

Parte 2. Determinante e matrice inversa

2.1 Definizione di applicazione lineare. Siano V e W due spazi vettoriali su R. Un applicazione

APPLICAZIONI LINEARI

4 Quarta lezione: Spazi di Banach e funzionali lineari. Spazio duale

Esame di Geometria - 9 CFU (Appello del 28 gennaio A)

Rango: Rouchè-Capelli, dimensione e basi di spazi vettoriali.

LE FIBRE DI UNA APPLICAZIONE LINEARE

9 Metodi diretti per la risoluzione di sistemi lineari: fattorizzazione P A = LU

Esempio. Approssimazione con il criterio dei minimi quadrati. Esempio. Esempio. Risultati sperimentali. Interpolazione con spline cubica.

MATEMATICA. { 2 x =12 y 3 y +8 x =0, si pone il problema di trovare, se esistono, un numero x ed un numero y che risolvano entrambe le equazioni.

Tutorato di GE110. Universitá degli Studi Roma Tre - Corso di Laurea in Matematica

Diagonalizzazione di matrici e applicazioni lineari

Algebra Lineare e Geometria

Corso di Calcolo Numerico

Equazioni alle differenze finite (cenni).

Universita degli Studi di Roma Tor Vergata Facolta di Ingegneria - Edile ed Edile-Architettura

Ottimizazione vincolata

RICHIAMI SULLE MATRICI. Una matrice di m righe e n colonne è rappresentata come

15 febbraio Soluzione esame di geometria - 12 crediti Ingegneria gestionale - a.a COGNOME... NOME... N. MATRICOLA...

Chiusura lineare. N.B. A può essere indifferentemente un insieme, finito o no, o un sistema. Es.1. Es.2

Lezioni di Algebra Lineare III. Applicazioni lineari e matrici Struttura algebrica delle soluzioni dei sistemi lineari

LEZIONE 16. Proposizione Siano V e W spazi vettoriali su k = R, C. Se f: V W

ANALISI DEL CONDIZIONAMENTO DI UN SISTEMA LINEARE

CORSO DI LAUREA INF TWM ANNO DI IMMATRICOLAZIONE MATRICOLA

4. Operazioni elementari per righe e colonne

Introduzione. Rappresentazione di numeri in macchina, condizion

Richiami di algebra lineare e geometria di R n

Lezione 6 Nucleo, Immagine e Teorema della Dimensione. 1 Definizione di Nucleo e Immagine

Autovalori e Autovettori

Applicazioni lineari

LE FUNZIONI A DUE VARIABILI

Lezioni di Geometria e Algebra. Fulvio Bisi, Francesco Bonsante, Sonia Brivio

Corso di Analisi Numerica - AN1. Parte 2: metodi diretti per sistemi lineari. Roberto Ferretti

APPLICAZIONI LINEARI

ELEMENTI DI ALGEBRA LINEARE E GEOMETRIA Corso di Laurea Ingegneria Edile-Architettura

ALGEBRA: LEZIONI DAL 13 OTTOBRE AL 3 NOVEMBRE

STRUTTURE ALGEBRICHE

Condizionamento di sistemi lineari.

FUNZIONI ELEMENTARI - ESERCIZI SVOLTI

LEZIONE 14. a 1,1 v 1 + a 1,2 v 2 + a 1,3 v a 1,n 1 v n 1 + a 1,n v n = w 1

LEZIONE 17. B : kn k m.

Matematica generale CTF

3 Applicazioni lineari e matrici

OGNI SPAZIO VETTORIALE HA BASE

risulta (x) = 1 se x < 0.

LEZIONE 31. B i : R n R. R m,n, x = (x 1,..., x n ). Allora sappiamo che è definita. j=1. a i,j x j.

(V) (FX) Z 6 è un campo rispetto alle usuali operazioni di somma e prodotto.

Lezione 9: Cambio di base

f(x, y, z) = (x + ky + z, x y + 2z, x + y z) f(x, y, z) = (x + 2y z, x + y z, x + 2y) F (f(x)) = (f(0), f(1), f(2))

1. PRIME PROPRIETÀ 2

LE SUCCESSIONI 1. COS E UNA SUCCESSIONE

Esercizi di Macroeconomia per il corso di Economia Politica

APPLICAZIONI LINEARI. B si definisce surriettiva. 9 quando ogni elemento di. B risulta IMMAGINE di. almeno un elemento di A.

La Programmazione Lineare

Siano V e W due spazi vettoriali. La definizione seguente é è tra quelle basilari per il corso di Matematica B. L : V W

Ricerca Operativa Esercizi sul metodo del simplesso. Luigi De Giovanni, Laura Brentegani

Universita degli Studi di Roma Tor Vergata Facolta di Ingegneria Elettronica

Federico Lastaria. Analisi e Geometria 2. Matrici simmetriche. Il teorema spettrale. 1/24

10. Insiemi non misurabili secondo Lebesgue.

Appunti sul corso di Complementi di Matematica - prof. B.Bacchelli Equazioni differenziali lineari omogenee a coefficienti costanti.

19. Inclusioni tra spazi L p.

Esercitazione n 1: Circuiti di polarizzazione (1/2)

Iniziamo con un esercizio sul massimo comun divisore: Esercizio 1. Sia d = G.C.D.(a, b), allora:

LA RETTA. Retta per l'origine, rette orizzontali e verticali

Corrispondenze e funzioni

Esistenza di funzioni continue non differenziabili in alcun punto

Funzioni. Parte prima. Daniele Serra

SISTEMI LINEARI QUADRATI: METODI ITERATIVI

Forme bilineari e prodotti scalari. Definizione Dato lo spazio vettoriale V (K) sul campo K, una funzione. b :

Corso di Geometria e Algebra Lineare - Sezione di Metodi Numerici

Per lo svolgimento del corso risulta particolarmente utile considerare l insieme

Metodi diretti per la soluzione di sistemi lineari

Complementi di Analisi per Informatica *** Capitolo 2. Numeri Complessi. e Circuiti Elettrici. a Corrente Alternata. Sergio Benenti 7 settembre 2013

Lezioni di Ricerca Operativa. Corso di Laurea in Informatica Università di Salerno. Lezione n 4

x (x i ) (x 1, x 2, x 3 ) dx 1 + f x 2 dx 2 + f x 3 dx i x i

Rette e piani con le matrici e i determinanti

G. Pareschi ALGEBRE DI BOOLE. 1. Algebre di Boole

Come visto precedentemente l equazione integro differenziale rappresentativa dell equilibrio elettrico di un circuito RLC è la seguente: 1 = (1)

Introduzione allo Scilab Parte 3: funzioni; vettori.

Da una a più variabili: derivate

Corso di Calcolo Numerico

FASCI DI RETTE. scrivere la retta in forma esplicita: 2y = 3x + 4 y = 3 2 x 2. scrivere l equazione del fascio di rette:

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA.

Matrice rappresent. Base ker e img. Rappresentazione cartesiana ker(f) + im(f).

Luigi Piroddi

Cenni su algoritmi, diagrammi di flusso, strutture di controllo

Insiemi di livello e limiti in più variabili

Transcript:

Spazi lineari - PARTE II - Felice Iavernaro Dipartimento di Matematica Università di Bari 9 e 16 Marzo 2007 Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 1 / 17

Condizionamento dei sistemi lineari Si consideri il sistema lineare di n equazioni in n incognite Ax = b. Sappiamo che il sistema ammette un unica soluzione se det(a) 0. Possiamo pensare a questo sistema come ad un problema i cui dati di input sono la matrice dei coefficienti A ed il vettore dei termini noti b ed il cui dato di output è il vettore soluzione x. Nel risolvere questo sistema sul calcolatore non otterremo, in generale, la soluzione esatta: ciò è dovuto al fatto che il calcolatore, disponendo di memoria finita, fa uso di un aritmetica di macchina (o finita) che differirà dall aritmetica reale. In particolare, in fase di immissione dei dati, i coefficienti reali a ij e b i verranno rappresentati mediante numeri di macchina e conseguentemente si potrebbero generare degli errori di rappresentazione. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 2 / 17

Condizionamento dei sistemi lineari Il calcolatore risolverà un sistema perturbato della forma: dove: (A + δa)(x + δx) = b + δb. δa è una matrice di perturbazione; δb è un vettore di perturbazione; x è la soluzione del sistema non perturbato (x = A 1 b); δx è la perturbazione indotta sul risultato (dato di output) a causa delle perturbazioni in input (δa e δb) DOMANDA: come influiranno le perturbazioni in input sul risultato? Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 3 / 17

Condizionamento dei sistemi lineari Studiare il condizionamento di un problema significa analizzare in che misura le perturbazioni sui dati di input incidono sul risultato. Nel nostro caso occorrerà relazionare l errore relativo in output con gli errori relativi in input: avendo supposto b 0. δx x δa A, δb b OSSERVAZIONE: δx è la distanza tra la soluzione del sistema perturbato e quella del sistema non perturbato. Determineremo tale relazione nel caso più semplice in cui la perturbazione è introdotta solo sul vettore dei termini noti. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 4 / 17

Condizionamento dei sistemi lineari { Ax +Aδx = b + δb sistema perturbato Ax = b sistema non perturbato Sottraendo membro a membro otteniamo: Passando alle norme: Aδx = δb = δx = A 1 δb δx = A 1 δb A 1 δb Inoltre da Ax = b, passando alle norme si ottiene: b = Ax A x = 1 x A b Combinando le due disuguaglianze ottenute, ricaviamo: δx x A A 1 δb b Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 5 / 17

Condizionamento dei sistemi lineari La quantità µ(a) = A A 1 è detta numero di condizionamento della matrice A. Quindi: δx x µ(a) δb b µ(a) rappresenta il coefficiente di amplificazione dell errore in input: se µ(a) è moderatamente piccolo, il sistema sarà ben condizionato; se µ(a) è grande, il sistema sarà mal condizionato, ovvero le piccole perturbazioni in input possono generare grandi errori in output. OSSERVAZIONE: µ(a) 1. Infatti: 1 = I = AA 1 A A 1 = µ(a) Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 6 / 17

Esempio di sistema mal condizionato { (1 ε)x1 2x 2 = 1 x 1 + (2 + ε)x 2 = 3 con ε parametro reale che faremo tendere a zero. Si studi il condizionamento del sistema al variare di ε. [Ris. Il sitema è mal condizionato per ε 0 oppure ε 1] OSSERVAZIONE: A 1 = 1 det(a) agg(a) quindi se det(a) 0, A 1 1 µ(a) 1. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 7 / 17

Esempio di sistema mal condizionato Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 8 / 17

Sottospazi Definizione Siano (V, +, ) uno spazio vettoriale ed S V. Si dirà che S è un sottospazio vettoriale di V se, munito delle due leggi di composizione + e, S risulta uno spazio vettoriale. OSSERVAZIONE In pratica S V sarà un sottospazio vettoriale se: 1) u, v S : u + v S (ovvero S è stabile rispetto a +) 2) λ R, v S : λ v S (ovvero S è stabile rispetto a ) La 1) e la 2) in forma compatta si scriveranno: S + S S, R S S In parole: sommando due elementi di S si ottiene un elemento di S; moltiplicando uno scalare per un elemento di S si ottiene ancora un elemento di S. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 9 / 17

Esempi di sottospazi Sottospazio nullo. S = {0}, ovvero il sottoinsieme ridotto al solo elemento nullo, è un sottospazio vettoriale. In effetti: 0 + 0 = 0 S e λ 0 = 0 S.{0} è detto sottospazio nullo. Sottospazio generato da un insieme di elementi di V. Siano v 1, v 2,..., v k, k elementi di V e consideriamo l insieme S formato dalle combinazioni lineari di questi elementi: S = { k i=1 α iv i, al variare di α i R}. S è un sottoinsieme di V che risulta stabile rispetto a + e (verificarlo per esercizio). S prende il nome di sottospazio generato dai vettori v i, i = 1,..., k e si denota con span{v 1, v 2,..., v k }. Tali vettori quindi rappresenteranno un sistema di generatori per S: ulteriormente se essi risultano linearmente indipendenti, allora rappresenteranno una base per S e quindi dim(s) = k. DOMANDA: Consideriamo k vettori v 1, v 2,..., v k R n, ed S = span{v 1, v 2,..., v k }. Sia poi v R n. Dire se v S. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 10 / 17

Nucleo di un applicazione lineare PREMESSA: una matrice A R m n può essere riguardata come un applicazione da R n in R m : A := x R n y = Ax R m Tale applicazione risulta lineare: A(αx + βy) = αax + βay. Il sottoinsieme di R n : ker(a) = {x R n Ax = 0} risulta stabile rispetto a + e (verifica per esercizio) e pertanto è un sottospazio di R n. ker(a) prende il nome di nucleo di A. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 11 / 17

Immagine (o range) di una matrice Il sottoinsieme di R m : Im(A) = {y R m x R n t.c. y = Ax} risulta stabile rispetto a + e (verifica per esercizio) e pertanto è un sottospazio di R m. Im(A) prende il nome di immagine di A. OSSERVAZIONE: Im(A) risulta il sottospazio generato dalle colonne di A, cioè, partizionando A per colonne: A = [a 1, a 2,..., a n ], risulta: Im(A) = span{a 1, a 2,..., a n }, Per rendersene conto, basta osservare che il prodotto Ax, con x generico, rappresenta una generica combinazione lineare delle colonne di A. DEFINIZIONE ALTERNATIVA DI RANGO: rank(a) = dim(im(a)) num. di colonne lin. indip. di A Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 12 / 17

Sottospazio ortogonale PREMESSA: Due vettori x, y R n si dicono ortogonali se il loro prodotto scalare è nullo x T y = 0. Definizione Siano V sottospazio di R n e {v 1, v 2,..., v k } una sua base. Il sottoinsieme di R n V = {x R n x T v = 0, v V } R n risulta essere un sottospazio di R n (verifica per esercizio). V è detto sottospazio ortogonale di V. Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 13 / 17

Sottospazio ortogonale Per stabilire se x V è sufficiente fare il test di ortogonalità solo sugli elementi della base di V ; infatti: x V x T ( k i=1 α i v i ) = 0 In forma compatta possiamo scrivere: k α i x T v i = 0 i=1 x V A T x = 0, { x T v i = 0, i = 1,..., k infatti Dunque A T = v T 1 v T 2. v T k V = ker(a T ) Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 14 / 17

Sottospazio ortogonale Qual è la dimensione di V? Sappiamo che V ha dimensione k (essendo v 1, v 2,..., v k linearmente indipendenti). Dunque risulta rank(a) = rank(a T ) = k Come abbiamo visto, dire che x V significa A T x = 0 Per il teorema di Rouché-Capelli, tale sistema sistema ammetterà infinito alla num. di incognite - rank(a T ) soluzioni, e quindi possiamo concludere dim(v ) = n k = n dim(v ) Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 15 / 17

Proprietà di V ESERCIZIO Siano V e W sottospazi di R n. Verificare che: 1) V W è un sottospazio vettoriale; 2) V + W è un sottospazio vettoriale, ricordando che: V + W = {x R n x = v + w, con v V e w W } PROPRIETÀ Sia V sottospazio vettoriale di R n e {v 1, v 2,..., v k } una sua base. Si provi che: 1) V V = {0} 2) V + V = R n Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 16 / 17

Somma diretta Definizione Siano V e W sottospazi vettoriali di R n. Si dice che R n è somma diretta di V e W e si scrive R n = V W se 1) V W = {0} 2) V + W = R n Proposizione Se R n = V W, ogni x R n può essere rappresentato in maniera univoca come somma di un elemento di V ed un elemento di W, cioè: x R n v V, w W tali che x = v + w. Ne segue quindi che: R n = V V Felice Iavernaro (Univ. Bari) Spazi lineari 9-16/03/2007 17 / 17