Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Файлы

Сиськова Д.Ю. Рудакова П.Н. Матвеева Т.А. Светличная В.Б.

Статья в формате PDF

629 KB

Спектральный анализ линейных операторов имеет целый ряд важных применений в классической механике (особенно теории колебаний), электродинамике, квантовой механике, дифференциальных и интегральных уравнений и других областях математики и математической физики.

Пусть функция f(λ) пределена на спектре квадратной матрицы А,

 - минимальный многочлен А.

Тогда спектральное разложение матрицы f(A) имеет вид

 (1)

В данной работе рассмотрим построение спектрального разложения матрицы

и его применения к вычислению функций от матриц, решение систем линейных однородных дифференциальных уравнений (ОДУ).

Найдем минимальный многочлен матрицы А - последний инвариантный множитель матрицы (A - λE):

 - характеристический многочлен.

Следовательно, НОД миноров 3 порядка:

.

Найдем делители всех миноров 2-го порядка матрицы А:

Т.к. данные миноры 2-го порядка взаимно простые, то d₂(λ) = 1.

Следовательно, минимальный многочлен

По формуле (1) для любой функции f(λ), определенной на спектре матрицы А, имеем

Полагая в этом разложении поочередно

f(λ) = 1; f(λ) = (λ ‒ 2); f(l) = (λ ‒ 2)²,

приходим к системе матричных уравнений

из которой находим компоненты Z₁₁, Z₁₂, Z₂₁.

Таким образом, спектральное разложение матрицы А примет вид:

 (2)

Спектральное разложение очень удобно, если требуется вычислить несколько функций от одной и той же матрицы.

Например, вычислим значение функции от матрицы sin(πA). При f(λ) = sin(πλ) имеем f(2) = 0, f′(2) = π, f(3) = 0. Следовательно,

Рассмотрим другое применение спектрального анализа - это решение систем ОДУ с постоянными коэффициентами Y′ = AY, где A = (a_ij)_n×n - матрица коэффициентов.

Решение системы , удовлетворяющее начальным условиям

,

находится по формуле

.

Если в качестве y_i0 брать произвольные постоянные Ci (i = 1, 2, ..., n), то  - общее решение системы.

Найдем общее решение системы ОДУ: Y′ = AY, где А - исходная матрица.

Вычислим e^At с помощью спектрального разложения (2). При f(λ) = e^λt имеем f(2) = e^2t, f′(2) = te^2t, f(3) = e^3t. Получаем

Тогда по формуле  находим общее решение системы ОДУ

Библиографическая ссылка