43040989[1]
TRANSCRIPT
จดทำำโดย
นำงสำว สรรตน ตนสกลรหสประจำำตว 43040989
อำจำรยทปรกษำอำจำรย กรรณกำ คงสำคร
เสนอ
อำจำรย พชร เลศวจตรศลป
เมอเรำเรยนพชคณตเชงเสน (linear algebra) เรำมกจะพบเอกลกษณทเรยกวำ Vandermonde determinant ในรป
23
22
21
321
xxx
xxx
111
det )xx)(xx)(xx( 231312 −−−
=Vandermonde Matrix
⇒ Vandermonde Matrix
23
22
21
321
xxx
xxx
111
ตวอยำง
⇒ det = (4-2)(4-3)(3-2) = (2)(1)(1) = 2
1694
432
111
⇒ det = (-1-(-4))(-1-(-3))(-1-(-2)) (-2-(-4))(-2-(-3))(-3-(-4))
= (3)(2)(1)(2)(1)(1) = 12
−−−−
−−−−
182764
14916
1234
1111
ในกรณทวไปนยำมเมทรกซทเรยก Vandermonde matrix เปน
−
=
1nn
x... 1-n
3 x
1-n2
x1-n
1 x
.
n
x... 3
x2
x1
x
1 ... 1 1 1
)x,...,x,(x V n21
… (1)
∏≤<≤
−=nji1
ijn1 )xx()x,...,x(Vdet
เมอ n เปนจำำนวนเตมบวกและ n 2≥…(2)
พสจน
กรณ n = 2 เหนไดชดเจนวำ
….(3)
( ) ( )1221
21 xxxx
11x,xVdet −==
สมมตให
∏≤<≤
−=kji1
ijk1 )xx()x,...,x(Vdet
เมอ k เปนจำำนวนเตมบวกใด ๆ ตองกำร
แสดงวำ ∏
+≤<≤
−=1kji1
ij )xx(det V (x1,…xk,xk+1) เปนจรง
เปนจรง
det V (x,…xk,xk+1) = det
+
−+
−−−−
+
+
k1k
kk
k3
k2
k
1k1k
1kk
1k3
1k2
1k
21k
2k
23
22
21kk32
xx...xxx
xx...xxx
.....
.....
.....
xx...xxx
xx...xxx
11...111พจำรณำ
…(4)
เมอกระจำยตำมหลกท 1 คำของ det V(x,…,xk,xk+1) จะเปนพหนำมดกร k ใน x และถำแทน x ดวย จะเหนวำ คำของตวกำำหนด (determinant) เปนศนย
1k32 x,...,x,x +
ดงนนสำมำรถ เขยนไดวำ det V(x,…,xk,xk+1) = A(x-x2) (x-x3)…(x-xk) (x-xk+1) ….(5)
เมอ A เปนคำคงท จำก (5) จะเหนวำ A เปนสมประสทธของ xk ดงนนจำก (4) ไดวำ
1k1k
1kk
1k3
1k2
1kk32
k
xx...xx
....
....
....
xx...xx
11...11
)1(
−+
−−−
+
−A =
k)1(−= det V(x2,…,xk+1)
= (-1)k ∏+≤<≤
−1kji2
ij )xx(
สรปวำ detV= )x,x,...,x( 1kk1 +
(x-x2)(x-x3)…(x-xk)(x-xk+1)
−− ∏
+≤<≤ 1kji2ij
k )xx()1(=
เมอแทน x ดวย x1
det V (x1,…xk,xk+1) = (x1-x2) (x1-x3)…(x1-xk) (x1-xk+1)
−− ∏
+≤<≤ 1kji2ij
k )xx()1(
−∏
+≤<≤ 1kji2ij )xx( )xx)(xx)...(xx)(xx( 11k1k1312 −−−− +
∏+≤<≤
−1kji2
ij )xx(=
=
โดยหลกกำรอปนยทำงคณตศำสตร ไดวำ (2) เปนจรงทก ๆ n ทเปนสมำชกของจำำนวนเตมบวกใด ๆ
เรำมกจะพบ Vandermonde matrix ในปญหำดงตอไปน
1. กำรสรำงพหนำมคำสอดแทรก (polynomial interpolation)
2. ปญหำคำเรมตนของสมกำรเชงอนพนธ (differential equation initial value problem) และ
3. กำรสรำงลำำดบโดยกำำหนดจำกควำมสมพนธเวยนบงเกด (recursively defined sequences) ในทนจะกลำวถงเพยงปญหำทง 3 อยำงทกลำวไว
แลว ขำงตน และบทบำทของ Vandermonde matrix และเพอไมใหเกดควำมสบสน จะเขยน V แทน V
)x,...,x,x( n21
1. 1. พหนำมคำสอดแทรกพหนำมคำสอดแทรก (Polynomial (Polynomial interpolation)interpolation)กำำหนดใหพหนำมดกร n-1 ผำนจด (x1, y1),
(x2,y2),….,(xn,yn) ตำงกน n จด เขยนในรปq(x) = ….(6)
1n1n10 xc...xcc −
−+++
สมประสทธ ci หำไดจำกระบบสมกำร q(xj) = yj ; j = 1, 2 ,…,n
เมอแทนคำ j = 1, 2,…,n ในพหนำม q(x) จะไดระบบสมกำรดงน
1n11n
212110 xc...xcxcc −
−++++1n
21n222210 xc...xcxcc −
−++++
1nn1n
2n2n10 xc...xcxcc −
−++++
......
= yn
= y1
= y2
…(7)
จำกระบบสมกำร สำมำรถนำำมำเขยนในรปเมทรกซ ดงน
−
−
−
1nn
2nn
1n2
222
1n1
211
x...xx1
....
....
....
x...xx1
x...xx1
−1n
1
0
c
.
.
.
c
c
=
n
2
1
y
.
.
.
y
y
… (8)
สงเกตวำ เมทรกซ สมประสทธ จะเปนตวสลบเปลยน (transposed) ของ Vandermonde matrix และ ตวกำำหนด (determinant) ของเมทรกซ สมประสทธของ (7) จะเกยวของกบเอกลกษณ (2) เหนไดชดวำเมอ xi
ตำงกนหมด ตวกำำหนด (determinant) จะไมเทำกบศนย สมประสทธของ q มเพยงหนงเดยว
q(x) q(x) จะสำมำรถหำไดโดยกำรปฏบตดงจะสำมำรถหำไดโดยกำรปฏบตดงตอไปนตอไปน
กำำหนดให
Q(x) = det
−−−−
0y...yy
xx...xx
....
....
....
xx...xx
11...11
n21
1n1nn
1n2
1n1
n21
…(9)
เมอแทน x ใน หลกสดทำยดวย xi จะได
Q( xi) = det
−−−−
0y...yy
xx...xx
....
....
....
xx...xx
11...11
n21
1ni
1nn
1n2
1n1
in21
นำำหลกสตรทำยลบดวย หลกท i จะไดวำสมำชกในหลกสดทำย เปน 0 ยกเวน สมำชกตวสดทำย มคำเปน -yi และ
Q( xi) = det
−
−−−
in21
1nn
1n2
1n1
n21
yy...yy
0x...xx
....
....
....
0x...xx
01...11
= -yi det V(x1,…,xn)
หรอ yi = - ….(10))Q(x)x,...,detV(x
1i
n1
สงนเปนจรงสำำหรบทก i = 1, 2, 3…,n และเพรำะวำ q(xi) = yi
ดงนนจะไดวำ q(x) = ….(11)
)Q(x)x,...,detV(x
1-
n1
ในทน Vandermonde determinant มควำมสำำคญอยำงเหนไดชด ในกำรสรำงพหนำมคำสอดแทรก (polynomial interpolation) ผำนจดตำงกน n จด
กำำหนดใหพหนำมกำำลง 2 ทผำนจด (-3, 4), (0, 1), (2, 9)
ตวอยำงตวอยำง
คอ q(x) =
2210 xcxcc ++
เมอแทนคำ (x1, y1) =(-3,4) , (x2 y2) = (0,1)
และ (x3, y3) = (2,9) ลงในสมกำร จะได210 c9c3c +−
210 c0c0c ++
210 c4c2c ++
= 4
= 1
= 9
จำกระบบสมกำร สำมำรถเขยนในรปเมทรกซ ดงน
−
421
001
931
2
1
0
c
c
c
9
1
4
VT C = Y)x,x,x( 321
=
det V(x1,x2,x3) = det
−
409
203
111
= (2-(-3)) (0-(-3)) (2-0) = (5) (3) (2)
= 30
Q(x) = det
−
0914
x409
x203
1111
2
= - 2x
9 1 4
2 0 3-
1 1 1
-x
9 1 4
4 0 9
1 1 1
9 1 4
4 0 9
2 0 3-
+
จะได Q(x) = -30 + (-60)x -30 x2
จำก (11) ; q(x) = ดงนน q(x) = 1 + 2x + x2
)230x-60x-(-3030
1-
จำก (9) ; กำำหนดให
#
2. 2. ปญหาคาเรมตนของสมการเชงปญหาคาเรมตนของสมการเชงอนพนธอนพนธ(Differential equation initial value (Differential equation initial value problems)problems)พจำรณำสมกำรเชงอนพนธ
0=y0a+Dy1a+...+y1-nD1-na+y
nD ….(12)
เมอ a0,a1,…an เปนคำคงท และ D แทนกำรหำอนพนธเทยบกบ t พรอมดวยเงอนไขเรมตน
Djy(0) = yj ; j = 0, 1, 2,…,n-1 ….(13)
สมกำร (12) มพหนำมลกษณะเฉพำะ (characteristic polynomial)
( )( )( ) ( )n21
011n
1nn
xDxDxD
aDaDaDDp
−−−=++++= −
−
จำกสมกำร (12) จะมผลเฉลย yi = ; i = 1,
2,…,n และเมอ ผลเฉลยทง n ผลเฉลย จะเปนอสระเชงเสน ดงนน ผลรวมเชงเสน (linear combinations) ของ yi = คอ
tx ien21 x...xx ≠≠
tx ie
y =
txn
tx2
tx1
n21 ec...ecec +++เปนผลเฉลยของ (12) ดวย
Dy tx
nntx
22tx
11n21 exc...excexc +++=yD2
tx2nn
tx222
tx211
n21 exc...excexc +++=
tx1nnn
tx1n22
tx1n11
1n n21 exc...excexcyD −−−− +++=
เมอแทนเงอนไขเรมตนจำก (13) จะไดระบบสมกำร j
nnj22
j11 xc...xcxc +++ = yj ; j = 0,1,2,…,n-1
และ
…
ระบบสมกำรนสำมำรถเขยนใหม ในรปเมทรกซ ไดเปน
−−−− 1nn
1n3
1n2
1n1
2n
23
22
21
n321
x...xxx
....
....
....
x...xxx
x...xxx
1...111
=
n
3
2
1
c
.
.
.
c
c
c
−1n
2
1
0
y
.
.
.
y
y
y
VC = Y …(14)
เมอ V = , C = , Y = )x,...,x(V n1 [ ] Tn21 c...cc [ ] T
n10 y...yy
ถำ xiตำงกน ผลเฉลยของ (14) มหนงเดยวจะเหนวำ Vandermonde matrix มบทบำทในกำรหำคำคงท C ของผลเฉลยของปญหำ
ตวอยางตวอยาง
= 0 ; y0= 1,y1 = 9, y2= 17 y3yy3y +′−′′−′′′
( D3 - 3D2 – D + 3 )y = 0 พหนำมลกษณะเฉพำะของสมกำรคอ p(D) = D3 - 3D2 – D + 3
= (D + 1)(D – 1)(D – 3) 3tectect-ecy(t) 321 ++=
วธทำำ
เมอแทนเงอนไข เรมตน (13) จะไดผลเฉลย คอ
321 ccc ++321 c3cc)1( ++−321 c9cc ++
= 1
= 9
=17
จำกระบบสมกำรนำำมำเขยนในรปเมทรกซ ไดเปน
−
911
311
111
3
2
1
c
c
c
17
9
1
=
V C = C =
0Y
01YV−
#
3.3.ลำาดบทกำาหนดโดยความลำาดบทกำาหนดโดยความสมพนธเวยนบงเกดสมพนธเวยนบงเกด (Recursively defined sequences(Recursively defined sequences))
ให เปน n พจนแรกของลำำดบทมควำมสมพนธกนตำมสมกำร
n10 y,,y,y
….(15)
k02-nk2n1nk1nnk yayayay −−−−= +−−+−+
เมอ ai ไมขนกบ k จะเรยกลำำดบนวำ recurrent
sequenceตวอยำงของลำำดบนทรจกกนด คอ Fibonaci
sequence ซงเรมจำก 0,1,1,2,3,… และแตละพจนจะเปนผลรวมของ 2 พจน ทอยขำงหนำ
ในอกทำงหนง เรำกำำหนดให {yj} เปนลำำดบทม n + 1 พจน ซงสอดคลองกบสมกำรในรปแบบขำงตนเปน
….(16) 0yayayay k02-nk2n1nk1nnk =++++ +−−+−+
ซง y0, y1 ,y2, …, yn-1 เปนคำเรมตนทกำำหนดไวแนนอน สมกำรท (16) จะเรยกวำสมกำรเชงผลตำง (difference equations) และสมกำรนเปนสมกำรทสำำคญในกำรสรำงแบบจำำลองปญหำตำง ๆ
สมกำร (16) หำคำำตอบไดโดยกำรให yj อยในรปฟงกชนของ j ซงเหมอนกบทกลำวมำในสมกำรเชงอนพนธกำำหนดตวดำำเนนกำร L โดยท
L {yj} = {yj+1} , j=0,1,2,…
เรยกตวดำำเนนกำรนวำ ตวดำำเนนกำรเลอน
(Shifting Operator) ซงเลอนลำำดบ y0, y1, y2,… ไปทำงซำยเปนลำำดบ y1, y2, y3,… สมกำร (16)
เขยนใหมไดเปน Ln{yj}+ an-1L
n-1{yj}+…+a1L{yj}+a0L{yj}={0} ….(17)
ซงพหนำมลกษณะเฉพำะของสมกำรคอ
p(L) = Ln+an-1Ln-1+…+ a0
= (L-x1)(L-x2)…(L-xn)
ถำ x1, x2,…, xn
ตำงกนหมด ผลรวมเชงเสนทงหมดของลำำดบน จะเปนผลเฉลยของสมกำร (17) ดงนนผลเฉลยทวไปของ (17) คอ
jnn
j22
j11j xcxcxcy +++=
เมอใชคำเรมตนพบวำสมประสทธ cj จะสอดคลองกบ (14) คอ
n1n
2n1n
221n
11
1nn2211
0n21
yxcxcxc
y xcxcxc
y ccc
=+++
=+++
=+++
−−−
จะไดระบบสมกำรทสำมำรถเขยนใหอยในรปเมทรกซไดเปน
เมอ V = V(x1,…,xn) , C = [c1c2…cn]T ,
Y = [y0y1…yn-1]T
YCV
y
y
y
y
c
c
c
c
xxxx
xxxx
xxxx
1111
1n
2
1
0
n
3
2
1
1nn
1n3
1n2
1n1
2n
23
22
21
n321
=
=
−−−−−
ตวอยตวอยำงำง พจำรณำสมกำรผลตำงสบเนอง yn+2 - 5yn+1+ 6 yn
= 0 ; y0 = 9 , y1 = 23
เขยนในรปตวดำำเนนกำร L ไดเปน (L2 – 5L + 6)yn = 0
พหนำมลกษณะเฉพำะของสมกำร คอp(L) = L2 + 5L+6
= (L-2)(L-3)ดงนนผลเฉลย คอ yn = c12
n + c23n
เมอแทนเงอนไขเรมตน จะได c1 + c2 = 9
2c1 +3c2 = 23
จำกระบบสมกำร นำำมำเขยนในรปเมทรกซ ไดเปน
C = V-1Y0
=
23
9
c
c
32
11
2
1
0YCV =
เหนไดชดวำ Vandermonde determinant จะครอบคลมกำรแกของปญหำตำงๆ ตำมทกลำวมำ
#
แตละกรณขำงตน Vandermonde matrix เกยวของกบปญหำของกำรหำคำสมประสทธของผลรวมเชงเสน
ในปญหำพหนำมคำสอดแทรก ปญหำคำเรมตนของสมกำรเชงอนพนธ และของสมกำรเชงผลตำง สำมำรถหำสตรของผลเฉลยทเกยวของกบเมทรกซ V(x1,…,xn) โดยตรง โดยหลกเลยงกำรเกยวของกบกำรใชผลรวมเชงเสน (linear combinations)
พจำรณำสมกำรเชงอนพนธพจำรณำสมกำรเชงอนพนธ (12)(12)
หรอ
มพหนำมลกษณะเฉพำะของสมกำร
0yaDyayDayD 011n
1nn =++++ −
−
)x(D)x)(Dx(D
aDaDaDp(D)
n21
011n
1nn
−−−=++++= −
−
0)y aDaDa(D 011n
1nn =++++ −
−
เมอแปลงเปนระบบสมกำรอนดบหนงโดย กำำหนด
n1n2110n
n1n
32
21
1
ya...yaya Dy
y Dy
y Dy
y Dy
y y
−
−
−−−−==
===
เขยนในรปเมทรกซ ไดเปน
….(18)
หรอ DY = AY ….(19)
เมอ Y เปนเวกเตอรทประกอบดวยสมำชก A เปนเมทรกซขนำด n x n ซงอยทำงขวำ
ของสมกำร (18)
y
y
y
y
aaaa
1000
0100
0010
Dy
Dy
Dy
Dy
n
1n
2
1
1n210n
1n
2
1
−−−−
=
−
−
−
n21 y,,y,y
ผลเฉลยของรำกบนสมกำรอนดบหนง (18) ทำำไดโดยหำคำเจำะจง จำกสมกำร
λ
0
λaaaaa
1λ000
001λ0
0001λ
λIA
1n2n210
=
−−−−−−
−
−
−
=−
−−
กระจำยตวกำำหนดตำมแถวท n จะไดสมกำร ( )
n21
n21
012n
2n1n
1nn
x,,x,xλ
0 )x(λ)x)(λx(λ
λpaλaλaλaλ0
=
=−−−
=+++++= −−
−−
สำำหรบ หำเวกเตอรเจำะจง C1 จำก
1xλ =
0CI)λ-(A =
=
−−−−−−−
−−
−
−− 0
0
0
0
c
c
c
c
xaaaaa
1x000
001x0
0001x
n
1n
2
1
11n2n210
1
1
1
1n1n213112 cxc,,cxc,cxc −=== ดงนน
เลอก c1 = 1
จะได และ
=
n1
21
1
1
x
x
x
1
C
tx
n1
21
1tλ
1111 e
x
x
x
1
eCY
==
ทำำนองเดยวกน
tx
n2
22
2tλ
2222 e
x
x
x
1
eCY
==
ผลเฉลยทวไป คอ
tx
1nn
2n
n
ntx
1n2
22
2
2tx
1n1
21
1
1
n
3
2
1
nn2211
n21 e
x
x
x
1
ce
x
x
x
1
ce
x
x
x
1
c
y
y
y
y
YcYcYcY
++
+
=
+++=
−−−
จดเปน
[ ] Ce,,eVDY
c
c
c
c
e000
0e00
00e0
000e
xxxx
xxxx
xxxx
1111
y
y
y
y
txtxiag
n
3
2
1
tX
tX
tX
tX
1nn
1n3
1n2
1n1
2n
33
22
21
n321
n
3
2
1
n1
n
3
2
1
=
=
−−−−
… (20)
เมอ =
[ ]txtxiag
n1 e,,eD
tX
tX
tX
tX
n
3
2
1
e000
0e00
00e0
000e
เมอใชเงอนไขคำเรมตน Djy(0) = yj ; j =
0,1,2,…,n-1 จะแทนดวย
Y(0) = Y0 ….(21)
ทำำใหไดวำ
Y0 = VIC = VC หรอ C = V-1Y0
สดทำยจะไดผลเฉลยหนงเดยวของสมกำร (19) และ (21) จะอยในรป
….(22)
[ ] 01txtx
iag YVe,,eVD(t)Y n1 −=
สงเกตวำ ถำ [ ]
=
n
3
2
1
n1iag
x000
0x00
00x0
000x
x,,xD
แลว [ ]n1iag
nn
n2
n1
2n
22
21
n21
x,,xDV
xxx
xxx
xxx
AV
=
=
ดงนน ….(23)
[ ] 1n1iag Vx,,xVDA −=
ในทำำนองเดยวกน จำก (22 ) กำำหนดเมทรกซ exponential
ดงนน ผลเฉลยของปญหำคำเรมตนของ
สมกำรเชงอนพนธ คอ ….(24)
[ ] 1txtxiag
At Ve,,eVDe n1 −=
0At YeY =
ตวอยำงตวอยำง จงหำผลเฉลยของสมกำร
1(0)y1,y(0) ; 06yy5y −=′==+′−′′
วธทำำ
พหนำมลกษณะเฉพำะของสมกำรคอ
3)2)(D(D
65DDp(D) 2
−−=+−=
ดงนน
กำำหนดให และ
[ ]
=
=
32
11V,
e0
0ee,eD
3t
2t3t2t
iag
′
=y
yY
=
1-
1Y 0
ผลเฉลยของสมกำรคอ [ ] 0
13t2tiag YVe,eVD Y −=
−
−
−
=
1
1
12
13
e0
0e
32
11
3t
2t
−
−=
3t2t
3t2t
9e8e
3e4e
นนคอ และ #
3t2t 3e4ey −=3t2t 9e8ey −=′
พจำรณำสมกำรเชงผลตำง (17)Ln{yj}+an-1L
n-1{yj}+….+a1L{yj}+a0{yj}= {0}
จะเปลยนรปเปนระบบสมกำรในวธทำำนองเดยวกน โดยเรำจะพจำรณำลำำดบของเวกเตอร{yj}
สมกำร (17) จะกลำยเปนL{Yj} = {AYj} ….(25)
เมอ A คอ เมทรกซทเคยกลำวถงเมอ L{Yj} = {Yj+1} แลวสมกำร (25) จะสมมล
กบ Yj+1 = AYj ….(26)
ในทำำนองเดยวกน เมอใชเงอนไขคำเรมตน (0) = 0 สดทำยผลเฉลยหนงเดยวของสมกำร (26) จะอยในรปประยกตใช (23) ไดวำผลเฉลยของปญหำคำเรมตนของสมกำรเชงผลตำงคอ
เมอ
Y Y
0j
j YAY =
[ ] 1jn
j1iag
j Vx,,xDVA −=
ตวอยำง พจำรณำสมกำรผลตำงสบเนอง yn+2 - 5yn+1
+ 6 yn = 0 ; y0 = 9 , y1 = 2
วธทำำ พหนำมลกษณะเฉพำะของสมกำร คอ
p(L) = L2 + 5L+6= (L-2)(L-3)
ดงนน กำำหนดให และ
[ ]
=
=
32
11V,
30
02,32D
n
nnn
iag
=
+1n
n
y
yY
=
23
9Y 0
ผลเฉลยของสมกำรคอ [ ]
⋅+⋅⋅+⋅
=
−
−
=
= −
nn
nn
n
n
01nn
iag
31528
3524
23
9
12
13
30
02
32
11
YV,32VDY
นนคอ yn = และ yn+1 =
#
nn 3524 ⋅+⋅nn 31528 ⋅+⋅