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34 changes: 17 additions & 17 deletions skript/8/beispiele.tex
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Expand Up @@ -65,14 +65,14 @@ \subsection{Federkette}
\Delta=
-\frac{K}{m}
\begin{pmatrix}
-2&1&0&0&0&\dots&&&0\\
1&-2&1&0&0&&&&\\
0&1&-2&1&0&&&&\\
0&0&1&-2&1&&&&\\
\vdots&&&&&\ddots&&\\
&&&&&&-2&1&0\\
&&&&&&1&-2&1\\
0&&&&&&0&1&-2
-2&1&0&0&\dots&&&0\\
1&-2&1&0&&&&\\
0&1&-2&1&&&&\\
0&0&1&-2&&&&\\
\vdots&&&&\ddots&&\\
&&&&&-2&1&0\\
&&&&&1&-2&1\\
0&&&&&0&1&-2
\end{pmatrix}
\]
beschrieben.
Expand Down Expand Up @@ -142,14 +142,14 @@ \subsubsection{Zwei Massen}
\caption{Schwingungsmodi einer Federkette mit zwei Massen ( $n=2$)\label{n2modi}}
\end{figure}%
Es gibt also zwei Schwingungsmodi, in
Abbildung~\ref{n2modi} werden jeweils die beiden Extremlagen
Abbildung~\ref{n2modi} werden jeweils die beiden Extremlagen
gezeigt.
Bei der langsamen Schwingung mit Kreisfrequenz
$\omega_-=\sqrt{\lambda_-}=1$ bewegen sich die Massen gleichphasig,
was auch angezeigt wird durch die gleichen Vorzeichen
der Komponenten von $v_-$.
Bei der schnellen Schwingung mit Kreisfrequenz
$\omega_+=\sqrt{\lambda_+}=\sqrt{3}\simeq 1.732$ bewegen sich die
$\omega_+=\sqrt{\lambda_+}=\sqrt{3}\simeq 1.732$ bewegen sich die
beiden Massen gegenphasig, ausgedrückt auch durch
die verschiedenen Vorzeichen der Komponenten von $v_+$.

Expand Down Expand Up @@ -227,7 +227,7 @@ \subsubsection{Drei Massen}
Zur geringsten Frequenz
$\omega_3=\sqrt{\mathstrut\lambda_3}=\sqrt{2-\sqrt{2\mathstrut}}\simeq 0.7654$
gehört eine Schwingung, bei der alle drei Massen in Phase
hin- und herschwingen, wobei die mittlere Masse eine 41\%
hin- und herschwingen, wobei die mittlere Masse eine 41\%
grössere Amplitude hat (Abbildung~\ref{n3modi} unten).
Zur höchsten Frequenz
$\omega_2=\sqrt{\lambda_2}=\sqrt{2+\sqrt{2}}\simeq 1.848$
Expand Down Expand Up @@ -303,12 +303,12 @@ \subsection{Fibonacci-Zahlen}
Durch Wahl eines anderen Paares von Startzahlen
erhält man eine alternative Fibonacci-Folge.
Die Fibonacci-Zahlen
erfüllen die Gleichung
erfüllen die Gleichung
\[
x_{n+1}=x_n+x_{n-1},
\]
die wir
auch
auch
\begin{equation}
x_{n+1}-x_n-x_{n-1}=0
\end{equation}
Expand Down Expand Up @@ -379,7 +379,7 @@ \subsubsection{Lösung als Eigenwertproblem}
Natürlich ist es etwas umständlich, zum Beispiel die 1291-ste Fibonacci-Zahl
zu berechnen, da wäre eine Formel $f(n)$ sehr praktisch, in der man einfach
die Zahl 1291 einsetzen könnte.
Die Fibonacci-Zahlen nehmen sehr schnell zu,
Die Fibonacci-Zahlen nehmen sehr schnell zu,
wir versuchen die Lösung in der Form
\[
f(n)=a\lambda^n
Expand Down Expand Up @@ -454,7 +454,7 @@ \subsubsection{Lösung als Eigenwertproblem}
1&-\frac{1-\sqrt{5}}2
\end{pmatrix}
\]
und eine nichttriviale Lösung
und eine nichttriviale Lösung
\[
y_-=\begin{pmatrix}
\frac{1-\sqrt{5}}2\\
Expand Down Expand Up @@ -593,7 +593,7 @@ \subsubsection{Anfangswerte}
$\lambda_+$.

\subsubsection{Verallgemeinerung}
Das eben dargestellte Verfahren zur Lösung einer endlichen
Das eben dargestellte Verfahren zur Lösung einer endlichen
Differenzengleichung lässt sich verallgemeinern.
Eine Differenzengleichung der Form
\[
Expand Down Expand Up @@ -638,7 +638,7 @@ \subsubsection{Verallgemeinerung}
Eigenwert-Problem
\[
\begin{pmatrix}
\lambda_{n-k+1}\\
\lambda^{n-k+1}\\
\vdots\\
\lambda^{n+1}
\end{pmatrix}
Expand Down
20 changes: 10 additions & 10 deletions skript/8/char.tex
Original file line number Diff line number Diff line change
Expand Up @@ -6,12 +6,12 @@
\section{Charakteristische Gleichung}
\rhead{Charakteristische Gleichung}
\index{charakteristische Gleichung}
Welche Eigenwerte und Eigenvektoren hat eine Matrix? Ein Eigenvektor
Welche Eigenwerte und Eigenvektoren hat eine Matrix? Ein Eigenvektor
ist ein von $0$ verschiedener Vektor $x$, der die Gleichung
$Ax=\lambda x$ erfüllt, oder wie wir früher gesehen haben,
eine nicht verschwindende Lösung des homogenen Gleichungssystems
$(A-\lambda E)x=0$.
Im Kapitel \ref{chapter-determinanten} wurde gezeigt, dass ein eine solche
In Kapitel~\ref{chapter-determinanten} wurde gezeigt, dass eine solche
Lösung nur dann existieren kann, wenn die Determinante des Gleichungssystems
verschwindet, also
\[
Expand All @@ -23,7 +23,7 @@ \section{Charakteristische Gleichung}
\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\
a_{n1}&a_{n2}&\dots&a_{nn}-\lambda
\end{matrix}
\right|
\right|.
\]
Die Determinante ist ein Polynom $n$-ten Grades in $\lambda$, das Finden der
Eigenwerte läuft also darauf hinaus, Nullstellen eines Polynoms zu finden.
Expand All @@ -39,34 +39,34 @@ \section{Charakteristische Gleichung}
\index{charakteristisches Polynom}
Das Polynom $\chi_A(\lambda)=\det(A-\lambda E)$ heisst
charakteristisches Polynom,
die Gleichung $\chi_A(\lambda)=0$ heisst
die Gleichung $\chi_A(\lambda)=0$ heisst
charakteristische Gleichung.
\end{definition}

\begin{beispiel}
Die Matrix $A=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}$ hat das
Die Matrix $A=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}$ hat das
charakteristische Polynom
\begin{align*}
\det(A-\lambda I)&=\left|\begin{matrix}-\lambda&1\\1&-\lambda\end{matrix}\right|\\
&=\lambda^2-1=(\lambda+1)(\lambda-1)
\end{align*}
mit den Lösungen $\lambda_\pm=\pm1$.
Um die Eigenvektoren zu finden, muss
man jetzt das Gleichungssystem $(A-\lambda E)x=0$ bestimmen.
man jetzt das Gleichungssystem $(A-\lambda E)x=0$ lösen.
Für die Eigenwerte $\pm1$ hat das Gleichungssystem die Matrizen
\[
\begin{pmatrix}
-1&1\\1&-1
\end{pmatrix}\quad \text{für $\lambda=1$},\qquad
\begin{pmatrix}
1&1\\1&1
\end{pmatrix}\quad\text{für $\lambda=-1$}
\end{pmatrix}\quad\text{für $\lambda=-1$},
\]
mit den Lösungsvektoren
mit den Lösungsvektoren
\[
\vec v_+=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix},
v_+=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix},
\qquad
\vec v_-=\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}.
v_-=\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}.
\]
\end{beispiel}

10 changes: 5 additions & 5 deletions skript/8/diagonal.tex
Original file line number Diff line number Diff line change
Expand Up @@ -20,7 +20,7 @@ \section{Diagonalisierung symmetrischer Matrizen\label{section-diag-sym}}
also $A^t=A$.

\begin{hilfssatz}
Sind $v_1$ und $v_2$ Eigenvektoren von $A$ zu den Eigenwerten
Sind $v_1$ und $v_2$ Eigenvektoren von $A$ zu den Eigenwerten
$\lambda_1$ und $\lambda_2$ mit $\lambda_1\ne \lambda_2$, dann
ist $v_1\cdot v_2=0$.
\end{hilfssatz}
Expand Down Expand Up @@ -67,7 +67,7 @@ \section{Diagonalisierung symmetrischer Matrizen\label{section-diag-sym}}

\begin{proof}[Beweis]
Wir müssen zeigen, dass $Av=\lambda v$.
Da $v$ so gewählt war, dass $v^tAv$ minimal wird, berechnen wir
Da $v$ so gewählt war, dass $v^tAv$ minimal wird, berechnen wir
\begin{align*}
f(t)&=\frac{(v+ty)^tA(v+ty)}{(v+ty)^t(v+ty)}
\\
Expand Down Expand Up @@ -106,7 +106,7 @@ \section{Diagonalisierung symmetrischer Matrizen\label{section-diag-sym}}
Nach Hilfssatz \ref{ev-existenz} gibt es mindestens einen Eigenvektor $v_1$
zum Eigenwert $\lambda$.
Die Menge der Vektoren, die auf $v_1$ senkrecht
stehen, bilden einen Vektorraum $V_1$.
stehen, bildet einen Vektorraum $V_1$.
Die durch $A$ definierte Abbildung
bildet Vektoren aus $V_1$ nach Hilfssatz \ref{ev-ortho} wieder nach
$V_1$ ab.
Expand All @@ -115,7 +115,7 @@ \section{Diagonalisierung symmetrischer Matrizen\label{section-diag-sym}}
Damit ist auch in $V$ eine Basis aus Eigenvektoren konstruiert.
\end{proof}

\begin{beispiel} Eine symmetrische $2\times 2$-Matrix
\begin{beispiel} Eine symmetrische $2\times 2$-Matrix
\[
A=\begin{pmatrix}a&b\\b&c\end{pmatrix}
\]
Expand Down Expand Up @@ -207,7 +207,7 @@ \section{Diagonalisierung symmetrischer Matrizen\label{section-diag-sym}}
kleiner ist.}

Man kann die Eigenwerte natürlich auch ausrechnen.
Die charakteristische Gleichung ist
Die charakteristische Gleichung ist
\[
\lambda^2-8\lambda-1=0
\]
Expand Down
8 changes: 4 additions & 4 deletions skript/8/problem.tex
Original file line number Diff line number Diff line change
Expand Up @@ -82,7 +82,7 @@ \section{Problemstellung}
\[
Ax=\alpha_1Av_1+\dots+\alpha_nAv_n=\alpha_1\lambda_1v_1+\dots+\alpha_n\lambda_nv_n.
\]
In der Basis $\{v_1,\dots,v_n\}$ hat $A$ also die Matrix
In der Basis $\{v_1,\dots,v_n\}$ entspricht $A$ also der Matrix
\[
A=\operatorname{diag}(\lambda_1,\dots,\lambda_n)
=
Expand All @@ -103,9 +103,9 @@ \section{Problemstellung}
Wäre $\lambda$ bekannt, könnten wir das Problem in ein Standardproblem
umwandeln:
\[
Ax=\lambda x\qquad\Rightarrow\qquad Ax-\lambda Ex=(A-\lambda E)x=0
Ax=\lambda x\qquad\Rightarrow\qquad Ax-\lambda Ex=(A-\lambda E)x=0.
\]
gesucht ist also ein nicht verschwindende Lösung des homogenen
Gesucht ist also eine nicht verschwindende Lösung des homogenen
Gleichungssystems mit
Matrix $A-\lambda E$.
Nur kennen wir $\lambda$ nicht.
Expand All @@ -115,7 +115,7 @@ \section{Problemstellung}
Bestimmung von $\lambda$: $A-\lambda E$ muss singulär sein.
Das Eigenwertproblem wird also in zwei Schritten gelöst:
\begin{compactenum}
\item Bestimmung der möglichen Eigenwerte: für welche Werte von $\lambda$
\item Bestimmung der möglichen Eigenwerte: Für welche Werte von $\lambda$
ist $A-\lambda E$ singulär?
\item Bestimmung der Eigenvektoren zu gegebenem Eigenwert: Finde die
Lösungen von $(A-\lambda E)x=0$.
Expand Down