Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨY THỪA CỦA MA TRẬN VUÔNG
Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
ThS. Nguyễn Hoàng Xinh
Nguyễn Thị Mỹ Cầm MSSV: 1110007 Lớp: SP Toán K37
Cần Thơ, 2015
1 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống không có sự thành công nào mà không dựa trên sự nỗ lực, quyết tâm của cá nhân cùng với sự giúp đỡ hỗ trợ của mọi người. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi đến quý Thầy Cô Bộ môn Toán nói riêng, Khoa Sư phạm nói chung lời cảm ơn chân thành vì đã tạo điều kiện để em được học tập, nghiên cứu, mở rộng kiến thức cũng như tạo cơ hội để em có thể thực hiện và hoàn thành luận này. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Xinh đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn. Mặc dù đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Song cũng không thể tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu từ quý Thầy cô và bạn đọc để luận văn của em hoàn thiện hơn. Cuối lời, em xin kính chúc quý Thầy Cô dồi dào sức khỏe, thành công trong công tác giảng dạy và cuộc sống. Cần Thơ, ngày 20 tháng 04 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Mỹ Cầm
2 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN NỘI DUNG Chương 1: Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông…………….5 1.1 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp tính trực tiếp…………………………………………………………………………………………5 1.2 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp quy nạp toán học……………………………………………………………….10 1.3 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp sử dụng nhị thức Newton………………………………………………………20 1.4 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp chéo hóa ma trận……………………………………………………………….27 1.5 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp đưa về dạng chuẩn Jordan………………………………………………………35 1.6 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp sử dụng định lý Cayley – Hamilton……………………………………………41 Chương 2: Bài tập và lời giải…………………………………………………….45
PHẦN KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO
3 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
4 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
PHẦN NỘI DUNG Chương 1 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨY THỪA CỦA MA TRẬN VUÔNG 1.1 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp tính trực tiếp 1.1.1 Phương pháp Phân tích ma trận về các ma trận đặc biệt như ma trận đơn vị, ma trận không. 1.1.2 Các ví dụ a) Ví dụ 1
2014
Giải
503
b) Ví dụ 2 Trong M 2
3
cho
Giải 5 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
671
*
Giải Ta thấy A4 0 An 0, n 4
GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
d) Ví dụ 4
Chứng minh rằng A2014 0 thì A2 0 .
ii)
Tìm ma trận A để n
: An I 2
Giải
i)
2014
Ta có A
d với d là một số thực nào đó. c 2014
e với e là số thực nào đó. cn
Từ giả thiết An I 2 a n c n 1 . Vì thế xảy ra các trường hợp:
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
tất
cả
ma
a, b, c, d , n
trận
sao
cho
với
*
Giải
0 0 Ta thấy A là một ma trận cần tìm. 0 0
*
Trường hợp 1: c 0
b 0 Từ hệ phương trình ta có: a d c 0
4
Từ đẳng thức:
c3 ac a d d 2c
8 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
Từ
4
a d
3
ta có c = a+d thay vào phương trình trên ta được:
a(a d ) d 2 (a d ) ad 0
Trường hợp 2: b 0
0 0 b 0 0 c d d e , , , , Vậy các ma trận cần tìm là a a b 0 0 c 0 0 0
Với a, b, c, d, e, f là các số thực. f) Ví dụ 6
, tính An , n
*
Giải
Xét ánh xạ f :
a bi
Dễ dàng chứng minh f là một đẳng cấu trường. 9 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
Xét g :
a
Dễ dàng chứng minh g là một đẳng cấu trường.
2
cos n sin n rn sin n cos n 1.2 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp quy nạp toán học 1.2.1 Phương pháp 10 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
Bước 1: Tính các lũy thừa A2 , A3 , A4 ,… Bước 2: Dự đoán công thức tổng quát An Bước 3: Sử dụng phương pháp quy nạp toán học để chứng minh công thức đã dự đoán ở bước 2. 1.2.2 Các ví dụ a) Ví dụ 1
1.1
Chứng minh 1.1 bằng phương pháp quy nạp toán học n 1 công thức 1.1 đúng. Giả sử công thức 1.1 đúng với n k , k
*
Chứng minh công thức 1.1 đúng với n k 1, tức là chứng minh:
*
.
1 2014 . Chọn n 2014 ta được: A2014 1 0 Sử dụng Maple 11 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
*
Giải
Dự đoán: Bn 3n1.B , với n
*
1.2
.
Chứng minh 1.2 bằng phương pháp quy nạp toán học n 1 , công thức 1.2 đúng. Giả sử công thức 1.2 đúng với n k , k
*
, ta có: Bk 3k 1.B .
Chứng minh công thức 1.2 đúng với n k 1 , tức là chứng minh:
Bk 1 3k.B . Thậy vậy: 12 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
Bk 1 3k.B 3k 1.B.B 3k 1.3B 3k.B . Vậy Bn 3n1.B, n
*
.
Với n cụ thể ta có thể sử dụng Maple để kiểm tra kết quả Giả sử n = 1993
Theo cách giải trên ta được: A1993
31992 31992 31992 A1993 : 31992 31992 31992 31992 31992 31992
c) Ví dụ 3
*
.
Giải
13 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
22 I Ta tính được: A2 O
1.3
Chứng minh công thức 1.3 bằng phương pháp quy nạp toán học. n 1 : công thức 1.3 đúng. Giả
sử
công
thức
1.3
đúng
với
n k, k
*
.Ta
có:
Ta chứng minh 1.3 đúng với n k 1, tức là chứng minh
Thậy vậy:
*
Với n cụ thể ta có thể sử dụng Maple để kiểm tra kết quả Giả sử n = 100, theo cách giải trên thì:
14 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
A100
d) Ví dụ 4
1.4
Chứng minh 1.4 bằng phương pháp quy nạp toán học. 15 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
n 1 , công thức 1.4 đúng.
Giả sử công thức 1.4 đúng với n k , k
*
Chứng minh công thức (1.4) đúng với n k 1, tức là chứng minh
*
.
Với n cụ thể ta có thể sử dụng Maple để kiểm tra kết quả
1993
Giả sử n = 1993, theo cách giải trên thì: A
Bây giờ ta sử dụng Maple để giải. 16 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
7
6 2 n ) , cho ma trận A . Tính A với n nguyên dương. 0 1
1.5
Ta sẽ chứng minh 1.5 bằng quy nạp toán học.
n 1 , hiển nhiên 1.5 đúng.
Giả sử 1.5 đúng với n k , k
*
Ta sẽ chứng minh 1.5 đúng với n k 1, tức là chứng minh: 6 2 1 0 k 1 Ak 1 nếu k 1 lẻ, A nếu k 1 chẵn 0 1 0 1
17 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
Thậy vậy:
nguyên dương. Với n cụ thể ta có thể sử dụng Maple để kiểm tra kết quả Giả sử n 2014 , n 2015 theo cách giải trên thì:
18 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
cos x sin x Tính A2014 với A . sin x cos x Giải Ta tính được:
cos 2 x sin 2 x 3 cos3x sin 3x 4 cos 4 x sin 4 x A2 , A sin 3x cos3x , A sin 4 x cos 4 x . sin 2 x cos 2 x cos nx sin nx Dự đoán: An , n sin nx cos nx
1.6
*
Ta sẽ chứng minh 1.6 bằng quy nạp toán học. n 1 , hiển nhiên 1.6 đúng. Giả sử 1.6 đúng với n k , k
*
cos kx sin kx , ta có: Ak . sin kx cos kx
Thật vậy
cos kx sin kx cos x sin x Ak 1 Ak A sin kx cos kx sin x cos x 19 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm
Một số phương pháp tính lũy thừa của ma trận vuông
cos(2014 x) sin(2014 x) A2014 : sin(2014 x) cos(2014 x) 1.3 Tính lũy thừa của ma trận vuông bằng phương pháp sử dụng nhị thức Newton 1.3.1 Phương pháp Giả sử A là ma trận vuông cấp k, tính lũy thừa bậc n của ma trận A với n nguyên dương. Bước 1 : Phân tích A = B+ C, trong đó BC = CB, B, C là các ma trận tính lũy thừa dễ dàng. n
Bước 2: An B C Cnk B nk C k n
k 0
20 GVHD: Th.S Nguyễn Hoàng Xinh
SVTH: Nguyễn Thị Mỹ Cầm