Глава 6 решаване на задачи от линейната алгебра, оптимизация и регресия

Разтворът на проблеми от линейната алгебра, оптимизация и регресия

Проблеми на линейна алгебра, оптимизация и регресия - един от най-популярните в областта на науката, технологиите и образованието [37, 39-46]. Те са предмет на тази глава. Тя дава основните определения от линейната алгебра, основи на работа с масиви, вектори и матрици, функции за работа с вектори и матрици и за решаване на системи линейни уравнения. Описанието на средства за оптимизация, включително най-новата Maple 10 система.







Преди да се обърнат към необятните възможности на Мейпъл пакети за решаване на задачи на линейното алгебра, обърнете внимание на кратки определения, свързани с нея.

Матрицата (m х п) - триизмерна правоъгълна маса, съдържаща м редове и п колони от елементи, всеки от които могат да бъдат представени от редица, постоянно, променливо или символично математически израз (широка интерпретация матрица).

Квадратна матрица - матрица, в която числото м редове равен на броя N на колони. Пример квадратна матрица размер 3 х 3:

В детерминанта на матрицата - полином в елементите на квадратна матрица, всеки член на която е продукт на п елементи, взети един по един от всеки ред и всяка колона на знака на продукта, зададени за паритет пермутация:

където М1 - детерминантата на матрицата за п-1, получен от матрицата чрез изтриване на първия ред и J- тата колона. Като такива, определящ фактор (известен също като определящ фактор) е лесно да се получи в символичен изчисление. В числени пресмятания, имаме предвид детерминанта числената стойност на този полином.

Единични (дегенеративен) матрица - квадратна матрица, чиято детерминанта (детерминантата) е 0. Такава матрица обикновено не е опростена със символично изчисление. Линейни уравнения с почти единични матрици могат да произвеждат големи грешки в разтвора.

матрица идентичност - е квадратна матрица, чиито диагоналните елементи са равни на 1, а останалите елементи са 0. По-долу е идентичност матрица от 4 х 4:

Единичните стойности на матрицата А - квадратни корени на собствените стойности на матрицата транспониране (А), # 8729; А, където транспозицията (A) - транспонирана матрица А (виж определението под него.).

В транспонирана матрица - матрица, чиито редове и колони са разменени, т.е. транспонирани матрични елементи отговарят на условието A T (I, J) = A (J, I). Ето един прост пример.

Обратното матрицата - матрица от М-1. който, когато умножена по оригинален квадратна матрица М дава матрицата идентичност Е.

В пристъпи формата на матрица съответства на състоянието, където първата ненулева елемент във всеки ред е 1 и първата ненулева елемент показва отдясно на всеки ред от първата ненулева елемент в предишния ред, т.е. всички елементи под първата ненулева ред - нули.

Диагонална матрица - разположени диагонално елементи Ai, Аз на матрица А. Матрицата долу диагоналните елементи са представени с главни букви:

Обикновено споменатата диагонална наречен основен диагонал - за матрица А, по-горе, е диагонал с елементи А, Е и L. понякога въвежда концепция poddiagonaley (елементи г и к) и naddiagonaley (компоненти В и F). Matrix, чиито елементи са подредени всички с изключение на диагонал, а subdiagonal naddiagonali са равни на нула, се нарича лента.

Рангът на матрицата - най-големият от заповедите на ненулеви непълнолетни лица на квадратна матрица.







Трейс на матрицата - сумата на диагоналните елементи.

Матрицата в целия степента - квадратна матрица в степен п (п - неотрицателно цяло число) определя, както следва: E = M0. M1 = М. M2 = ММ, ..., Mn = Mn-1M.

Idempotent матрица - матрица съответстващ състояние R² = F.

Симетричната матрица - матрица, съответстваща на състояние А = Am.

Антисиметрична матрица - матрица, съответстваща състояние Am = -А.

Ортогонално матрица - матрица, съответстваща на състояние А = Am-1.

Нула матрица - матрица, чиито елементи всички са равни на 0.

Блок матрица - матрица, съставена от матриците с по-малък размер, могат също да бъдат представени като матрица, където всеки елемент - матрица. Специфичен случай е блок диагонална матрица - матричен блок, елементи от които матрица е диагонална - нула матрица.

Комплекс-конюгат матрица - матрица # 256. получени от оригиналната матрица чрез заместване на нейните елементи от комплекс конюгат.

Hermitian матрица - матрица за удовлетворяващо # 256; = Am.

На собствения вектор квадратна матрица А - всеки вектор х ∈Vn. х ≠ 0 удовлетворява уравнението Ах = # 947; и. където # 947; - редица нарича собствена стойност на А.

Характерните полином на матрицата - детерминанта на разликата между матрицата и матрицата на идентичност умножена с променлива полином - | А - # 947 Е |.

Собствените стойности - корените на характерната полином.

Норма - обща представа за абсолютната стойност на числото.

Dimensional вектор норма || х || - дължината му.

Матрицата Норм - стойност SUP (|| Ах || / || х ||).

Матрицата се образува система линейни уравнения - експресия A # 8729; X = Б. където А - матрица на коефициентите, X - вектор на неизвестни и Б - вектор, на свободни членове. Един метод за решаване на такава система е очевидно - X = A -1 # 8729; В. където А 1 - обратна матрица.

Както знаете, обичайната система на линейни уравнения е от вида:

Тук a1,1. a1,2. ..., един, Н - фактори, които съставляват матрицата, и които могат да бъдат реални или комплекс ценности, x1. x2. ... HN- неизвестен, образуват вектор X и b1. b2. ..., милиарда - свободни членове (реален или сложни), образуващи вектор V. Тази система може да бъде представен под формата на матрица, като Ах = Б. където А - коефициентът матрицата на уравненията, X - неизвестната вектора на неизвестни и Б - вектор, на свободни членове. От това представителство система линейни уравнения, произтичащи различни методи за неговото разтвор: X = В / А (с използване на разделяне матрица), X = A-1В (обърната матрица А) и така нататък.

В хода на решаване на задачи от линейната алгебра, често е необходимо да се използват различни методи, като например добре известен още от училище Gaussian елиминиране. Въпреки това, за да се справи ефективно с тези проблеми е необходимо да се представят на матрицата по специален начин, носещ разлагане на матрицата. В хода на това, че трябва да работи с някои специални видове матрици, които често драстично опростява решаването на системи линейни уравнения. Нека да спомена някои от най-често срещаните матрица разлагане, които се изпълняват в най-SKA и СИМ.

LU-разлагане, наричан също триъгълни разлагане съответства на експресията на матрица Р # Формата 8729; A = L # 8729; U. където L - и долната U - горна триъгълна матрица. Всички матрици в този израз на квадрат.

QR разлагане под формата А = Q # 8729; R. където Q - ортогонална матрица, а R - горна триъгълна матрица. Това разширяване често се използва за решаване на всяка система за линейни уравнения, включително неопределена и underdetermined и с правоъгълна матрица.

Разлагане HoletskogoA = L # 8729; LT се прилага към симетрична матрица а, където L - триъгълна матрица.

А разлагане по особена стойност на размера на матрицата М х N (М х N) се дава с А = U # 8729; и # 8729; VT. където U и V - ортогонална матрица размер N х N и М х М. съответно, на S - диагонална матрица на особените стойности по диагонала на матрицата А.

Елементи на вектори и матрици в клен са индексирани променливи, т.е., местоположението на всеки елемент на вектора се определя от индекса и матрицата - двата индекса. Обикновено те са колективно означени като I (брой матрица ред или последователност на броя на вектор елемент) и к (брой матрица колона). Допустимо операция повикване желаната опция и присвояването на нова стойност към него:

V [Ь] - покана-тото елемент на вектор V;

М [Ь, й] - покана матрица М елемент разположени на и-ти ред в J- тата колона.

V [Ь]: = х - задаване на нова стойност х-тото елемент на вектор V;

М [Ь, й]: = х - х задаване на нова стойност елемент матрица М.

На първо място, ние трябва да обърнем внимание на факта, че вектор и матрица, въпреки че подобни на списъците, но не и напълно идентифицирани с тях. Това може да се види от следващите примери (файл vmop), в които тип се използва за наблюдение на множество видове предмети (вектори и матрици)