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Matrix mit dem Exponenten 100 berechnen?

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Tags: Eigenwert, Matrizenrechnung, Vektorraum

 
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ge-10

ge-10 aktiv_icon

23:23 Uhr, 10.05.2022

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Es geht um die Matrix hier drunter. Ich soll A100 berechnen. Wie genau schaffe ich das?

a10000
0a1000
00a000
000b10
0000b0
00000c







Eine weitere Frage hätte ich auch noch.
Ich habe folgende Aufgabenstellung "Trigonalisieren Sie die folgenden Matrizen A1 und A2
jeweils, indem Sie eine invertierbare Matrix S-1 berechnen, so dass S-1AS eine obere Dreiecksmatrix ist. Berechnen Sie auch S-1 und die Dreiecksform explizit" ich habe hier mithilfe der Haupträume die Matrix S berechnet und hiernach diese Matrix invertiert und die Dreiecksmatrix berechnet, ist dies korrekt so oder soll ich etwas anderes tun?

Für alle, die mir helfen möchten (automatisch von OnlineMathe generiert):
"Ich möchte die Lösung in Zusammenarbeit mit anderen erstellen."
Hierzu passend bei OnlineMathe:
Exponentialfunktion (Mathematischer Grundbegriff)
Potenzregeln (Mathematischer Grundbegriff)
Online-Nachhilfe in Mathematik
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michaL

michaL aktiv_icon

07:33 Uhr, 11.05.2022

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Hallo,

die Matrix ist eine Jordansche Normalform.
Was wisst ihr darüber?

Mfg Michael
ge-10

ge-10 aktiv_icon

10:20 Uhr, 11.05.2022

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So gut wie nichts, wir wissen, dass die Anzahl der Kästchen gleich der Dimension der Matrix ist und man eine solche Matrix mithilfe der diagonalen die eigenwerte berechnen kann.
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HAL9000

HAL9000

10:59 Uhr, 11.05.2022

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1) Es handelt sich bei einer solchen Jordanmatrix um eine spezielle Blockdiagonalmatrix: D.h. alles außerhalb der quadratischen Blockmatrizen entlang der Hauptdiagonale ist gleich Null.

Die Potenz einer solchen Matrix ist gleich der Blockdiagonalmatrix bestehend aus den Potenzen der einzelnen Blockmatrizen.


2) Nun zu diesen einzelnen Jordan-Blockmatrizen: Die haben alle die Struktur J=λI+N mit d×d-Matrizen J,I,N, wobei I die Einheitsmatrix ist und N eine Matrix mit sämtlich Einsen auf der ersten oberen Nebendiagonale, und ansonsten Null. Das ist eine sehr spezielle Nilpotenzmatrix mit folgener Eigenschaft der Potenzen:

Nk besteht für 1kd-1 aus Einsen auf der k-ten oberen Nebendiagonale, sonst Null. Im Fall kd ist es dann einfach die Nullmatrix.

Das kann man nutzen bei der Berechnung der J-Potenzen:

Jn=(λI+N)n=k=0n(nk)λn-kIn-kNk=λnI+k=1d-1(nk)λn-kNk


Beispiel: Für A=(a100a100a) ist d=3 und λ=a, es folgt dann

An=anI+nan-1N+n(n-1)2an-2N2=(annan-1n(n-1)2an-20annan-100an).
ge-10

ge-10 aktiv_icon

17:39 Uhr, 11.05.2022

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Ich habe jetzt bei A:
J^n=a^n*I+Summe(k=0 bis d-1)an-kNk und verstehe nicht wie ich auf die letzte Zeile komme.
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HAL9000

HAL9000

17:47 Uhr, 11.05.2022

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Die Formel, die du da jetzt eben genannt hast, ist falsch.
ge-10

ge-10 aktiv_icon

18:14 Uhr, 11.05.2022

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Ich hab dir ein Bild geschickt, was ist da falsch?

35a060f7-bcaf-4034-9cb2-ab96da3651ab
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HAL9000

HAL9000

19:41 Uhr, 11.05.2022

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Das jetzt stimmt, ist ja auch was ganz anderes: In deinem Beitrag 17:39 fehlte der Binomialkoeffizient, und die Summe begann bei k=0 statt k=1 - wie soll ich also was zu Formeln sagen, die derart verstümmelt sind?
ge-10

ge-10 aktiv_icon

19:46 Uhr, 11.05.2022

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In der Aufgabe steht "Hinweis: Sie müssen Binomialkoeffizienten nicht explizit ausrechnen; Angabe von
n
k
reicht.Schlagen Sie hierfür ggf. den Binomischen Lehrsatz nach, z. B. auf Wikipedia"
Heißt das, dass ich sozusagen für die erste Matrix A fertig bin oder muss ich da noch was machen? Bin mir nicht sicher wie ich das n und k verwenden soll.
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HAL9000

HAL9000

20:24 Uhr, 11.05.2022

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Ich hab den Eindruck, du grübelst über Fragen, die doch schon lange geklärt schienen: Ich hatte oben schon (n1)=n und (n2)=n(n-1)2 eingesetzt...
ge-10

ge-10 aktiv_icon

20:28 Uhr, 11.05.2022

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Ich verstehe nicht ganz was ich jetzt machen soll, das was auf dem Bild steht habe ich schon, was muss ich jetzt tun? Ich kann die letzte nicht ganz nachvollziehen.
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HAL9000

HAL9000

08:52 Uhr, 12.05.2022

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Schwierige Kommunikation, da du nicht genau benennst, was du nicht verstehst. "Das letzte" ist keine sonderlich genaue Referenzierung:

Meinst du womöglich die letzte Zeile in meinem Beitrag 11.5., 10:59 ? Das ist einfach nur die Binomische Expansion der drittletzten Zeile angewandt auf d=3, unter Berücksichtigung von (n1)=n, (n2)=n(n-1)2 sowie N=(010001000) und N2=(001000000) .

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Kartoffelchipsman

Kartoffelchipsman aktiv_icon

12:22 Uhr, 12.05.2022

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step by step, uh baby...

(a100000a100000a000000b100000b000000c)100

=((a000000a000000a000000b000000b000000c)+(010000001000000000000010000000000000))100

=k=0100(100k)(a000000a000000a000000b000000b000000c)100-k(010000001000000000000010000000000000)k

=(1000)(a000000a000000a000000b000000b000000c)100(010000001000000000000010000000000000)0

+(1001)(a000000a000000a000000b000000b000000c)99(010000001000000000000010000000000000)1

+(1002)(a000000a000000a000000b000000b000000c)98(010000001000000000000010000000000000)2

=(1000)(a000000a000000a000000b000000b000000c)100(100000010000001000000100000010000001)

+(1001)(a000000a000000a000000b000000b000000c)99(010000001000000000000010000000000000)

+(1002)(a000000a000000a000000b000000b000000c)98(001000000000000000000000000000000000)

=(1000)(a100000000a100000000a100000000b100000000b100000000c100)(100000010000001000000100000010000001)

+(1001)(a99000000a99000000a99000000b99000000b99000000c99)(010000001000000000000010000000000000)

+(1002)(a98000000a98000000a98000000b98000000b98000000c98)(001000000000000000000000000000000000)


=(1000)(a100000000a100000000a100000000b100000000b100000000c100)

+(1001)(0a99000000a990000000000000b990000000000000)

+(1002)(00a98000000000000000000000000000000000)

=((1000)a100000000(1000)a100000000(1000)a100000000(1000)b100000000(1000)b100000000(1000)c100)

+(0(1001)a99000000(1001)a990000000000000(1001)b990000000000000)

+(00(1002)a98000000000000000000000000000000000)

=((1000)a100(1001)a99(1002)a980000(1000)a100(1001)a9900000(1000)a100000000(1000)b100(1001)b9900000(1000)b100000000(1000)c100)

=(a100100a994950a980000a100100a9900000a100000000b100100b9900000b100000000c100)

Antwort
Kartoffelchipsman

Kartoffelchipsman aktiv_icon

12:28 Uhr, 12.05.2022

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Die "weitere Frage" in Deinem ersten Beitrag

musst Du nochmal exakt formulieren.

Ansonsten noch etwas zu lesen für Dich.

Dort werden auch hohe Potenzen von Jordankästchen berechnet,

es geht aber auch noch um mehr...

090 K_4_6 A_4
091 K_4_6 A_5
Antwort
HAL9000

HAL9000

14:47 Uhr, 12.05.2022

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Ich zitiere nochmal aus meinem Beitrag 11.5., 10:59

> 1) Es handelt sich bei einer solchen Jordanmatrix um eine spezielle Blockdiagonalmatrix [...] Die Potenz einer solchen Matrix ist gleich der Blockdiagonalmatrix bestehend aus den Potenzen der einzelnen Blockmatrizen.

D.h., man muss nicht auf die harte Tour (vom Aufschrieb her) ellenlange Rechnungen mit 6x6-Matrizen durchführen, sondern es reicht die getrennte Potenzbildung der 3x3-Matrix zu Eigenwert a, der 2x2-Matrix zu EW b und der 1x1-Matrix zu EW c, um am Ende alles zusammenzupacken zu dem Ergebnis

(a100000a100000a000000b100000b000000c)n=(annan-1n(n-1)2an-20000annan-100000an000000bnnbn-100000bn000000cn) ,

speziell auch für n=100.
Antwort
Kartoffelchipsman

Kartoffelchipsman aktiv_icon

21:45 Uhr, 12.05.2022

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Wie ja auch allgemein bei Potenzen

von Blockdiagonalmatrizen die Blöcke

unter sich bleiben...

So eine voluminöse Rechnung wie von mir hier zuvor

braucht natürlich keiner mehr, der sich auch nur

minimal in die Materie eingearbeitet hat,

aber so jemand kommt ja auch nicht in einem

Matheforum mit seinen LinA 1- Hausaufgaben angeklotscht...
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