Rădăcina pătrată a unei matrici reale de ordinul 2

Similar documents
New aspects on square roots of a real 2 2 matrix and their geometric applications

Soluţii juniori., unde 1, 2

Teorema Reziduurilor şi Bucuria Integralelor Reale Prezentare de Alexandru Negrescu

Ecuatii si inecuatii de gradul al doilea si reductibile la gradul al doilea. Ecuatii de gradul al doilea

ON THE QUATERNARY QUADRATIC DIOPHANTINE EQUATIONS (II) NICOLAE BRATU 1 ADINA CRETAN 2

Gradul de comutativitate al grupurilor finite 1

APLICAŢII ALE FORMULELOR LUI NEWTON PENTRU POLINOAME SIMETRICE

Despre AGC cuasigrupuri V. Izbaș

Divizibilitate în mulțimea numerelor naturale/întregi

O V E R V I E W. This study suggests grouping of numbers that do not divide the number

Subiecte geometrie licenta matematica-informatica 4 ani

Procedeu de demonstrare a unor inegalităţi bazat pe inegalitatea lui Schur

Teoreme de Analiză Matematică - I (teorema Weierstrass-Bolzano) 1

Barem de notare clasa a V-a

1.3. OPERAŢII CU NUMERE NEZECIMALE

UNITATEA DE ÎNVĂȚARE 3 Analiza algoritmilor

Câteva rezultate de algebră comutativă

GAZETA MATEMATICĂ SERIA A. ANUL XXXVI (CXV) Nr. 1 2/ 2018 ARTICOLE. Computing exponential and trigonometric functions of matrices in M 2 (C)

FORMULELE LUI STIRLING, WALLIS, GAUSS ŞI APLICAŢII

Mugur Acu OPERATORUL INTEGRAL LIBERA-PASCU ŞI PROPRIETĂŢILE ACESTUIA CU PRIVIRE LA FUNCŢIILE UNIFORM STELATE, CONVEXE, APROAPE CONVEXE ŞI

Cercet¼ari operaţionale

Sisteme cu logica fuzzy

COMPARATIVE DISCUSSION ABOUT THE DETERMINING METHODS OF THE STRESSES IN PLANE SLABS

PROBLEME DIVERSE lecţie susţinută la lotul de 13 de Andrei ECKSTEIN Bucureşti, 25 mai 2015

Habilitation Thesis. Periodic solutions of differential systems: existence, stability and bifurcations

INEGALITĂŢI DE TIP HARNACK ŞI SOLUŢII POZITIVE MULTIPLE PENTRU PROBLEME NELINIARE

Rezolvarea ecuaţiilor şi sistemelor de ecuaţii diferenţiale ordinare (II)

PROPRIETĂŢI GEOMETRICE ŞI ANALITICE ALE UNOR CLASE DE FUNCŢII UNIVALENTE

RECREAŢ II MATEMATICE REVISTĂ DE MATEMATICĂ PENTRU ELEVI Ş I PROFESORI

Legi de distribuţie (principalele distribuţii de probabilitate) Tudor Drugan

Cristalul cu N atomi = un sistem de N oscilatori de amplitudini mici;

Teoreme de compresie-extensie de tip Krasnoselskii şi aplicaţii (Rezumatul tezei de doctorat)

Matematici speciale Integrarea functiilor complexe

INCLUZIUNI OPERATORIALE PRIN TEHNICA PUNCTULUI FIX ÎN SPAŢII METRICE VECTORIALE

SIMULAREA DECIZIEI FINANCIARE

METODE NUMERICE: Laborator #4 Eliminare gaussiană cu pivotare totală şi scalare. Algoritmul Thomas pentru rezolvarea sistemului 3-diagonal

1 Generarea suprafeţelor

STUDIUL GEOMETRIEI ȘI TOPOLOGIEI VARIETĂȚILOR DE CONTACT ȘI SUBVARIETĂȚILOR LOR TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Numere prime. O selecţie de probleme pentru gimnaziu

Utilizarea claselor de echivalenta in analiza asistata de calculator a sistemelor cu evenimente discrete

PENTRU CERCURILE DE ELEVI

DanielaMANEA. x n +a 1. EdituraParalela45

Curs de Geometrie. Andrei-Dan Halanay

2. Finite Impulse Response Filters (FIR)

Rezultate în Teoria Punctului Fix şi Procese Iterative cu Aplicaţii

BABEŞ-BOLYAI UNIVERSITY CLUJ-NAPOCA FACULTY OF MATHEMATICS AND COMPUTER SCIENCE

Reactoare chimice cu curgere piston (ideala) cu amestecare completa de tip batch (autoclava)

TEOREME DE PUNCT FIX PENTRU OPERATORI CE NU INVARIAZĂ DOMENIUL DE DEFINIŢIE ŞI

Alte rezultate din teoria codurilor

Definiţie. Pr(X a) - probabilitatea ca X să ia valoarea a ; Pr(a X b) - probabilitatea ca X să ia o valoare în intervalul a,b.

ELEMENTE DE DINAMICĂ ŞI GEOMETRIE PE SPAŢII VECTORIALE POISSON

Avem 6 tipuri de simboluri in logica predicatelor:

Pentru clasa a X-a Ştiinţele naturii-sem II

AN APPROACH TO THE NONLINEAR LOCAL PROBLEMS IN MECHANICAL STRUCTURES

Controlul predictiv bazat pe modele intare-stare-iesire. Cuprins. 2. Modele intrare-stare-iesire :01

Graduări pe algebre de matrice

Dynamic Response of Beams on Elastic Foundation with Axial Load

PLANIFICAREA TEMELOR LA GRUPELE DE EXCELENȚĂ DISCIPLINA MATEMATICĂ AN ȘCOLAR

ALGORITMI DE OPTIMIZARE IN INGINERIE ELECTRICA. Sef lucrari ing. Alin-Iulian DOLAN

ECUAŢII CU DERIVATE PARŢIALE ŞI EVALUAREA OPŢIUNILOR CU VOLATILITATE STOHASTICĂ

Laborator 3. Backtracking iterativ

4/68. Mini-comutatoare cu came. Prezentare generalã a sistemului. Întreruptoare Pornit-Oprit TM. Comutatoare de comandã TM.

Logică și structuri discrete. Marius Minea 25 septembrie 2017

Self-Small Abelian Groups and Related Problems. (Abstract)

STRUCTURAL PARASITIC CAPACITANCE REDUCTION TECHNIQUES IN PLANAR MAGNETIC INTEGRATED STRUCTURES

Curs 5 ELEMENTE STRUCTURALE SOLICITATE LA RASUCIRE

CURS 11: Programare dinamică - II - Algoritmica - Curs 12 1

FLORENTIN SMARANDACHE Asupra unor conjecturi si probleme nerezolvate referitoare la o functie in Teoria Numerelor

Test de Departajare pentru MofM 2014 (Bucureşti) Enunţuri & Soluţii

array a[0..n-1] a[0] = v0,..., a[n-1] = vn-1

SPECTRAL DECOMPOSITION OF THE ELASTICITY MATRIX

MATEMATICĂ 3 PROBLEME DE REFLECŢIE

Teoria Modelelor Master Anul I, Semestrul II 2016

RECREAŢ II MATEMATICE REVISTĂ DE MATEMATICĂ PENTRU ELEVI Ş I PROFESORI

Utilizarea limbajului SQL pentru cereri OLAP. Mihaela Muntean 2015

SOI prin smart-cut. Caracterizarea TEM-HRTEM a defectelor structuale induse in Si prin hidrogenare in plasma.

GENERATOARE DE SEMNAL DIGITALE

Lucrare de cercetare postdoctorală

LABORATORY 4 INFINITE IMPULSE RESPONSE FILTERS

ARTICOLE ŞI NOTE MATEMATICE

Decision Trees Some exercises

Arhivele Electronice Los Alamos arxiv:physics/ v2 [physics.ed-ph] 30 Apr 2000

FUNCŢII SPECIALE CU APLICAŢII ÎN ANALIZA NUMERICĂ

RECREAŢ II MATEMATICE

THE BEHAVIOUR OF ELASTOMERIC BEARINGS UNDER LOAD COMBINATIONS

Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea de Automatică şi Calculatoare Departamentul de Automatică şi Ingineria Sistemelor

Calcul Numeric. Cursul Anca Ignat

GAZETA MATEMATICĂ SERIA A. ANUL XXXI(CX) Nr. 1 2/ 2013 ANIVERSĂRI. Profesorul Ioan Tomescu la a 70-a aniversare

Nonlinear Vibrations of Elastic Beams

2D AND 3D PROCESSING OF THE INTERDEPENDENCE BETWEEN THE COMFORT MAIN INDICATORS

COMPARATIVE STUDY ON DETERMINING THE INTERNAL FRICTION ANGLE FOR SAND

The 2017 Danube Competition in Mathematics, October 28 th. Problema 1. Să se găsească toate polinoamele P, cu coeficienţi întregi, care

THE OPERATIONAL FIABILITY IN THERMAL SYSTEMS THE WEIBULL DISTRIBUTION MODEL

A GENERALIZATION OF A CLASSICAL MONTE CARLO ALGORITHM TO ESTIMATE π

U.P.B. Sci. Bull., Series A, Vol. 74, Iss. 4, 2012 ISSN ALTERNATING -GROUPS. Ion ARMEANU 1, Didem OZTURK 2

Sisteme cu logica fuzzy cu mai multe intrari (MISO)

Ordin. pentru aprobarea structurii informaţiilor înscrise pe cardul naţional de asigurări sociale de sănătate

TWO BOUNDARY ELEMENT APPROACHES FOR THE COMPRESSIBLE FLUID FLOW AROUND A NON-LIFTING BODY

TEORIA RELATIVITĂŢII. Gheorghe Munteanu, Vladimir Bălan

Transcription:

Rădăcina pătrată a unei matrici reale de ordinul Mircea Crasmareanu Mai 19, 017 ( a c Actorii acestei poveşti: matricile A = M b d (R. PROBLEMA STUDIATĂ: Există B M (R aşa încât: B = A? O astfel de matrice B o numim rădăcină a lui A. Cazul matricilor reale de ordinul 3 este studiat în [4]. Exemplul euclidian Reamintim n-grupul ortogonal: O(n = {A M n (R : A t A = I n }; este grupul de invarianţă al produsului scalar euclidian <, > (prin urmare şi al normei euclidiene asociate. Dacă A O(n atunci (det A t (det A = deti n = 1 implică det A = ±1. Deci grupul ortogonal se descompune: O(n = SO(n O (n unde SO(n conţine matricile din O(n având deta = 1 iar O (n pe cele cu deta = 1; reprezintă reuniunea disjunctă a mulţimilor. SO(n este subgrup în O(n numit n-grupul ortogonal special. O (n nu este parte stabilă la înmulţirea matricilor: A 1, A O (n implică A 1 A SO(n. Alte detalii despre O(n aflaţi în [6]. Deoarece M 1 (R = R avem O(1 = {±1} cu SO(1 = {1} şi O (1 = { 1}; observăm că O(1 conţine rădăcinile unităţii! Ştim şi O(: ( ( cos t sin t cos t sin t R(t = SO(, S(t = O (. sin t cos t sin t cos t Avem imediat că: ( ( S(t cos t sin t cos t sin t = = I sin t cos t sin t cos t deci S(t este rădăcină a matricii unitate I. O rădăcină a matricii unitate o numim structură aproape produs; [7]. Semnificaţia geometrică: R(t este matricea rotaţiei de unghi t în sens trigonometric (i.e antiorar în jurul originii iar S(t este matricea simetriei axiale în raport cu dreapta d t/ =dreapta din plan ce trece prin origine şi face unghiul orientat t/ cu axa Ox; avem S(t S(t 1 = A(t t 1 S(t 1 S(t. Pentru detalii consultaţi [6, p. 18]. Revenim la cazul general al matricii A. Reamintim că A posedă doi invarianţi: T ra := a + d, det A := ad bc. Proprietăţi: i T r : M (R R este operator liniar: T r(αa 1 + βa = αt ra 1 + βt ra, ii det : M (R R este funcţie multiplicativă: det(a 1 A = det A 1 det A, iii Ecuaţia caracteristică a lui A: A T ra A + det A I = O.

Multiplicativitatea determinantului produce: CONDIŢIE NECESARĂ: B : B = A det A 0. Deci în continuare vom presupune det A 0. Exemplul euclidian revăzut 1: T rs(t = 0, dets(t = 1 ce spune că S(t nu admite, la rândul ei, rădăcină. O rădăcină de ordinul 4 a matricii unitate se numeşte structură de tip electromagnetică conform [8, p. 3807]. Avem şi relaţii de legătură între invarianţii lui A şi B: T ra = (T rb det B, det A = (det B (0 Demonstraţie E suficient de arătat prima identitate. Scriem Ecuaţia caracteristică a lui B: A T rb B + det B I = O (1 ce dă: Ridicăm această relaţie la pătrat: A = T rb B det B I. ( sau încă: Din (1 avem şi: ce o înlocuim în paranteza pătrată din (3: A = (T rb A T rb det B B + (det B I A (T rb A + det B[T rb B] (det B I = O. (3 T rb B = A + det B I (4 A (T rb A + det B[A + det B I ] (det B I = A [(T rb det B] A + (det B I = O şi comparând cu Ecuaţia caracteristică pentru A avem concluzia. Relaţia (4 este fundamentală pentru determinarea lui B şi avem: Cazul I: T rb = 0 implică: A = det B I. Cazul II T rb 0 implică: B = 1 T rb [A + det B I ]. (5 Din (0 1 avem: (T rb = T ra + det A (6 şi deci dacă A ai avem: II1 T ra + det A 0 implică: A nu are rădăcini, II T ra + det A > 0 dar T ra det A 0 implică: A are două rădăcini: 1 B ± = ± T ra + det A [A + det AI ] (7 II3 T ra det A > 0 (ceea ce implică T ra + det A > 0 implică: A are patru rădăcini: 1 B ± (ε = ± T ra + ε det A [A + ε det AI ], ε = ±1. (8 Exemplul euclidian revăzut Pentru A(t avem: T rr(t = cos t, det R(t = 1, T rr(t+ det R(t = 4 cos t, T rr(t det R(t = (cos t 1 0. (9

Prin urmare avem cazul II şi deci R(t are două rădăcini: B ± (t = ± 1 ( cos t + 1 sin t cos t sin t cos t + 1 = ±R ( t. (10 Relaţia (10 poate fi considerată analogul matriceal al bine-cunoscutei relaţii Moivre din algebra lui C: (cos t + i sin t = cos(t + i sin(t. (11 Legea de grup a lui SO( este: R(t 1 R(t = R(t 1 + t = R(t R(t 1 ceea ce dă: R(t = R(t şi faptul că SO( este grup izomorf cu grupul multiplicativ (S 1, al numerelor complexe unitare. Inspiraţi de ecuaţia caracterististică a lui A introducem polinomul caracteristic al lui A, anume p A R[X]: p A (X = X T ra X + det A. (1 Ştim că eventualele rădăcini reale ale lui p A se numesc valori proprii ale lui A, utile în studiul posibilei diagonalizări a lui A. Astfel, dacă valorile proprii există şi sunt distincte, să le notăm λ 1 < λ, atunci A admite forma diagonală: A = S 1 diag(λ 1, λ S (13 cu S GL(, R=-grupul liniar general=grupul matricilor reale de ordinul, inevrsabile. Evident, condiţia de existenţă şi inegalitate pentru λ 1, se realizează atunci când discriminantul (p A este strict pozitiv: (p A := (T ra 4 det A. (14 Relaţia de legătură între (p A şi (p B este dată de: Propoziţie Fie B rădăcină pătrată a lui A. Atunci: (p A = (T rb (p B. (15 Prin urmare, dacă T rb 0 atunci A are valori proprii distincte dacă şi numai dacă B are valori proprii distincte. Demonstraţie Relaţia (15 este consecinţă imediată a relaţiilor (0. Corolar Fie matricea A având det A > 0 şi admiţând rădăcina B cu T rb 0. Presupunem că A este diagonalizabilă cu S GL(, R şi valori proprii distincte λ 1 < λ. Atunci 0 < λ 1 < λ şi B este diagonalizabilă cu aceeaşi matrice S având valorile proprii { λ 1, λ } sau { λ 1, λ } sau { λ 1, λ } sau { λ 1, λ }. Echivalent, suntem în cazul II3 cu: 1 B ± (ε = ± λ + ε [A + ε λ 1 λ I ] = S diag(± λ 1, ± λ S 1. (16 λ 1 Demonstraţie Deoarece det A > 0 avem că λ 1 şi λ au acelaşi semn. Să presupunem λ 1 < λ < 0. Din (6 avem: (T rb = λ 1 + λ ± λ 1 λ > 0. Deci se poate doar cazul cu + i.e. λ 1 λ + λ 1 λ > 0 imposibil datorită inegalităţii mediilor. Exemplul de aur Se ştie că proporţia (sau numărul de aur este soluţia pozitivă φ = ecuaţiei, [7]: x x 1 = 0. (17 5+1 a Soluţia negativă este φ 1 = 1 5. Fie matricea: ( 3 A =, T ra = 6, det A = 5. (18 3 A este diagonalizabilă (fiind simetrică cu 0 < λ 1 = 1 < λ = 5. Avem: T ra + ε det A = 6 + ε 5 = ( 5 + ε (19

Suntem în cazul II3 şi spre exemplu: B ± (1 = ± 1 5 + 1 ( 3 + 5 3 + 5 = ± 1 ( φ φ φ ( φ φ 1 = ± φ 1 φ. (0 Prin analogie cu problema studiată aici, putem numi matricile A ce satisfac A A I n = O n ca fiind structuri aproape aur. În [7] am pus stabilit o corespondenţă între structurile aproape aur şi cele aproape produs. Revenind la cazul I dat de A = ai şi prezentăm soluţia din [3, p. 491]. Avem, indiferent de semnul lui a o infinitate de rădăcini: ( c s B ± (c, s := ±, c R, s R. (1 c a c s Dacă a = 0 se mai adaugă familia infinită de structuri aproape tangente: ( 0 0 B ± (u := ±, u R. ( u 0 Dacă a > 0 adaugăm familia infinită: ( ± a 0 B ± (u := u a ( ± a 0, B ± := 0 ± a. (3 Exemplul euclidian revăzut 3 Pentru a = 1 familia B + (c, s devine: ( c s B(c, s = c 1 c s (4 ceea ce dă: B(cos t, sin t = S(t. (5 Am reobţinut deci matricile din O (. Considerăm un triunghi dreptunghic cu catetele x, y şi ipotenuza z; rezultă: S(t = 1 ( x y. (6 z y x În cazul în care (x, y, z (N 3 spunem că (x, y, z este un triplet pitagoreic; acest exemplu al structurilor aproape produs date de triplete pitagoreice apare pe pagina Web [1]. În [5] am dat o metodă de a obţine matrici A M 3 (R ce transformă un triplet pitagoreic tot într-un triplet pitagoreic. Problemă deschisă Matricile A ce păstrează tripletele pitagoreice admit rădăcini? Revenim la Corolarul dat: o matrice simetrică A cu valori proprii distince şi strict pozitive este pozitiv definită, a se vedea []. Prin urmare, A defineşte un nou produs scalar pe R n : Dacă A admite rădăcina B avem: < x, ȳ > A :=< x, Aȳ >. (7 < x, ȳ > A :=< x, B ȳ >=< B t x, Bȳ >. (8 Dacă şi B este simetrică, fapt ce se întâmplă pentru n =, atunci avem: < x, ȳ > A :=< B x, Bȳ > (9

şi deci: x A = B x. (30 Prin urmare, pentru vectorii nenuli x, ȳ R n unghiul ϕ( x, ȳ dintre ei este în raport cu <, > A dat de: cos A ϕ( x, ȳ = cos ϕ(b x, Bȳ. (31 Exemplul de aur generalizat Matricea A M (R o numim bi-simetrică dacă are expresis: ( a b A =. (3 b a Avem det A = a b şi pentru a exista rădăcini presupunem a > b. Suntem în cazul II3 şi rezultă: B ± (ε = ± 1 ( a + b + ε a b a + b ε a b (33 a + b ε a b a + b + ε a b ceea ce spune că şi orice rădăcină a sa este de asemenea bi-simetrică. Reciproca are loc: dacă B este bi-simetrică atunci şi B este bi-simetrică; se verifică imediat prin calcul. Exemplul hiperbolic Considerăm: ( cosh t sinh t A(t := sinh t cosh t. (34 Este o matrice bi-simetrică cu a > b şi cu formula (33 obţinem: ( cosh t B ± (1 = ± sinh t sinh t cosh t ( sinh t, B ± ( 1 = ± cosh t cosh t sinh t Exemplul Fibonacci În [9, p. 4] este introdusă Q-matricea Fibonacci: ( 1 1 Q = 1 0. (35 (36 ce are ca puteri naturale: Q n = Datorită exemplului de aur considerăm matricea: Cu expresia (33 avem rădăcinile: Q ± (n, ε = ± 1 Q(n = ( Fn+1 F n. (37 F n F n 1 ( Fn+1 F n. (38 F n F n+1 ( Fn+ + ε F n Fn+ ε Fn+ F n ε F n Fn+ + ε. (39 F n Exemplul aproape complex O rădăcină a matricii I se numeşte structură aproape complexă. Conform (1 avem expresia lor: ( s c B ± (s, c := ±, s R, c R. (40 s Avem cazul particular: 1 s c ( sinh t cosh t B ± (sinh t, cosh t := B(t = ± cosh t sinh t. (41

References [1] https://en.wikipedia.org/wiki/square root of a matrix [] https://ro.wikipedia.org/wiki/matrice pozitiv definit%c4%83 [3] N. Anghel, Square roots of real matrices, Gaz. Mat. Ser. B, 118(013, no. 11, 489-491. [4] N. Anghel, Square roots of real 3x3 matrices vs. quartic polynomials with real zeros, An. Ştiinţ. Univ. Ovidius Constanţa, Ser. Mat., 5(017, no., in press. [5] M. Crasmareanu, A new method to obtain Pythagorean triple preserving matrices, Missouri J. Math. Sci., 14(00, No. 3, 149-158. MR 199067(003h:15041, Zbl 103.15007 [6] M. Crasmareanu, Grupul ortogonal, 007, Material pentru perfecţionarea profesorilor, http://www.math.uaic.ro/ mcrasm/depozit/perfect Desen.pdf. [7] M. Crasmareanu; Cristina-Elena Hreţcanu, Golden differential geometry, Chaos, Solitons & Fractals, 38(008, No. 5, 19-138. MR 45653(009k:53059 [8] E. Reyes; V. Cruceanu; P. M. Gadea, Structures of electromagnetic type on vector bundles, J. Phys. A, Math. Gen., 3(1999, No. 0, 3805-3814. Zbl 0969.53041 [9] A. Stakhov; S. Aranson, The golden non-euclidean geometry. Hilberts fourth problem, golden dynamical systems, and the fine-structure constant, With the assistance of Scott Olsen, Series on Analysis, Applications and Computation 7. Hackensack, NJ: World Scientific, 017. Zbl 1351.5100