Bỏ qua nội dung

A.7 · LU factorisation and nullity of composed maps

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Chủ đề 28

Bài học video cho chủ đề này Mở trang video
2:51

A.7 · Phân tích LU và nullity của ánh xạ tổ hợp

Tiền đề: Phép biến đổi hàng, hệ tam giác và định lý hạng-không.

Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp

28

Phạm vi và yêu cầu tiên quyết

Chuẩn bị GRE đại học. Mục tiêu cục bộ nằm trong phạm vi ETS đã xem xét; đây là giảng dạy nguyên bản, không phải bài thi chính thức hoặc dự đoán điểm số.

Tiền đề: Phép biến đổi hàng, hệ tam giác và định lý hạng-không.

  • Giải hệ tuyến tính đã phân tích bằng phương pháp thế tiến và thế lùi
  • Áp dụng hoán vị hàng nhất quán khi cần hoán vị để tìm phần tử chính
  • Đánh giá chiều không gian hạt nhân của một phép hợp thành thông qua giao ảnh-hạt nhân

thế tiến: Giải hệ tam giác dưới bằng cách giải từ phương trình đầu tiên xuống dưới.

không: Chiều của không gian hạt nhân (kernel) của một ánh xạ tuyến tính.

28

Chọn và biện minh cho một phương pháp

Phân tích A=LU biểu diễn một ma trận vuông dưới dạng tam giác dưới L và tam giác trên U. Với đường chéo đơn vị L, thế tiến lên đặc biệt đơn giản. Một ma trận khả nghịch có thể không nhận được dạng này nếu không hoán vị dòng: một chốt dẫn đầu bằng không có thể yêu cầu một hoán vị. Đối với PA=LU, giải Ly=Pb, sau đó Ux=y. Hoán vị tác động lên cả vế phải cũng như ma trận hệ số. Các chốt chính tiền tố khác không chứng minh việc loại bỏ không cần hoán vị thông thường, chứ không chỉ riêng tính khả nghịch.

Trong Ly=b, tính y từ trên xuống dưới, trừ các số hạng đã biết; chia cho phần tử chính diagonal hiện tại trừ khi nó bằng một. Trong Ux=y, tính x từ dưới lên trên. Với mỗi phương trình, thế lại vào hàng ban đầu để kiểm tra. Tái sử dụng LU cho nhiều vế phải giúp tránh lặp lại quá trình khử: phân tích chặt mất công thức bậc ba theo kích thước, trong khi mỗi giải hệ tam giác chỉ tốn công thức bậc hai. Tính toán chính xác có thể dùng để kiểm tra các ví dụ nhỏ; hoán vị số giúp giảm bớt một số vấn đề làm tròn nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn sự sai số điều kiện.

Đối với B:V→W và A:W→Z, ker B nằm trong ker(A∘B), nhưng cái sau có thể lớn hơn. Các vector bổ sung là những vector được B ánh xạ vào ker A. Giới hạn B trên ker(A∘B): ảnh của nó là im B∩ker A và hạt nhân của nó là ker B. Định lý hạng-không áp dụng cho phép giới hạn này cho ta dim ker(A∘B)=dim ker B+dim(im B∩ker A). Giao, chứ không phải toàn bộ hạt nhân của A, quyết định phần không rỗng bổ sung.

Đối với tự đồng cấu của R⁶ với nullity A=2 và nullity B=3, rank B=3 và chiều giao có thể dao động từ 0 đến 2. Do đó nullity của A∘B nằm trong khoảng từ 3 đến 5. Các cận phụ thuộc vào không gian trung gian chung: đối với các không gian con có dimension r và s trong không gian m chiều, giao của chúng có dimension nằm giữa max(0,r+s−m) và min(r,s). Đảo ngược thứ tự hợp thành có thể thay đổi nullity của nó, mặc dù cả AB và BA đều được xác định. Hãy chọn các không gian tương thích trước khi áp dụng các công thức này.

Từ vựng Luyện tập
English Tiếng Việt
forward substitution/ˈfɔːwəd ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ thay thế tiến
nullity/ˈnʌlɪti/ số không
28

Ví dụ giải thích chi tiết

Đặt L=[[1,0,0],[2,1,0],[−1,3,1]], U=[[2,1,−1],[0,3,2],[0,0,4]], và b=(−1,−1,12). Thay thế tiến cho ta y=(−1,1,8). Thay thế lùi cho ta x₃=2, x₂=(1−4)/3=−1, và x₁=(−1−(−1)+2)/2=1. Do đó x=(1,−1,2). Nhân Ux cho ra y và nhân Ly cho ra b, kiểm tra độc lập thứ tự phân tích.

Bảng: Ly = b dẫn đến y = (−1, 1, 8), sau đó Ux = y dẫn đến x = (1, −1, 2)
Giải bằng LU bằng thế tiến qua L, sau đó thế lùi qua U
28

Điều kiện và phản ví dụ

Giải với L trước và U sau, và hoán vị b nếu PA=LU. Nullity của một phép hợp thành không tự động bằng tổng của hai nullities; chỉ có giao ảnh-hạt nhân mới cộng vào nullity của B.

28

Ứng dụng hướng dẫn

Cho $L=\begin{pmatrix}1&0\\2&1\end{pmatrix}$, $U=\begin{pmatrix}3&1\\0&2\end{pmatrix}$ và $b=(5,12)^T$. Giải LUx=b và kiểm chứng trong ma trận tích. Đối với PA=LU, P sẽ tác động ở đâu khi giải Ax=b?

Giải mẫu

Đầu tiên giải Ly=b: $y_1=5$, $2y_1+y_2=12$, do đó $y_2=2$. Sau đó Ux=y cho $x_2=1$ và $3x_1+1=5$, suy ra $x_1=4/3$. Ma trận tích là $A=\begin{pmatrix}3&1\\6&4\end{pmatrix}$; áp dụng nó lên $(4/3,1)^T$ cho kết quả $(5,12)^T$. Nếu PA=LU, nhân phương trình gốc với P và giải Ly=Pb, tiếp theo giải Ux=y. Việc bỏ qua P trên b sẽ dẫn đến việc giải một hệ phương trình khác.

28

Chuyển giao độc lập

Cho A và B là các tự đồng cấu của $\mathbb R^5$ lần lượt có nullity là hai và ba. Tìm tất cả các giá trị nullity có thể có của AB, và giải thích cả cận và khả năng đạt được.

Kiểm tra sau khi đã làm

Rank B bằng hai. Giới hạn B trên $\ker(AB)$ để thu được

$$\dim\ker(AB)=\dim\ker B+\dim(\operatorname{im}B\cap\ker A).$$
Hai không gian con trong giao đều có dimension hai trong năm chiều, nên dimension giao có thể bằng không, một hoặc hai. Do đó nullity là 3, 4 hoặc 5. Để thực hiện từng trường hợp, hãy lấy $\ker A=\operatorname{span}(e_1,e_2)$ và image B lần lượt là $\operatorname{span}(e_3,e_4)$, $\operatorname{span}(e_1,e_3)$ hoặc $\operatorname{span}(e_1,e_2)$. Chọn bất kỳ B hạng hai nào ánh xạ lên image đó. Những xây dựng này chứng minh khả năng đạt được chứ không chỉ là một khoảng cận lỏng lẻo.

Bài học tương tác về chủ đề này

Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.

Nhiều chủ đề hơn trong GRE Subject Test · GRE Mathematics

Đăng nhập hoặc tạo tài khoản

IGCSE, A-Level & AP