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Forum "Lineare Algebra - Matrizen" - Diagonalmatrix
Diagonalmatrix < Matrizen < Lineare Algebra < Hochschule < Mathe < Vorhilfe
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Diagonalmatrix: Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 21:40 Sa 30.04.2011
Autor: JenniferS

Aufgabe
Gegeben sei die reelle Matrix A = [mm] \pmat{ 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 } [/mm]
Berechnen  Sie eine invertierbare Matrix S mit der Eigenschaft, dass [mm] S^{t}AS [/mm] eine Diagonalmatrix ist, wobei nur die Elemente 0 , 1 , -1 auf der Diagonalen stehen.

Ich hab ein paar Probleme mit dieser Aufgabe. Wie muss ich vorgehen, damit so eine Diagonalmatrix entsteht? Bisher hab ich die Eigenwerte und zu diesen die Eigenvektoren bestimmt. Die Eigenwerte sind 0 und 3. Wie komm ich weiter?
Schon mal vielen Dank im Voraus.
Mit freundlichen Grüßen Jenni

Ich habe diese Frage in keinem Forum auf anderen Internetseiten gestellt.

        
Bezug
Diagonalmatrix: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 22:48 Sa 30.04.2011
Autor: wieschoo


> Gegeben sei die reelle Matrix A = [mm]\pmat{ 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 }[/mm]
>  
> Berechnen  Sie eine invertierbare Matrix S mit der
> Eigenschaft, dass [mm]S^{t}AS[/mm] eine Diagonalmatrix ist, wobei
> nur die Elemente 0 , 1 , -1 auf der Diagonalen stehen.
>  Ich hab ein paar Probleme mit dieser Aufgabe. Wie muss ich
> vorgehen, damit so eine Diagonalmatrix entsteht? Bisher hab
> ich die Eigenwerte und zu diesen die Eigenvektoren
> bestimmt. Die Eigenwerte sind 0 und 3. Wie komm ich
> weiter?
>  Schon mal vielen Dank im Voraus.
> Mit freundlichen Grüßen Jenni
>  
> Ich habe diese Frage in keinem Forum auf anderen
> Internetseiten gestellt.

Entweder du diagonalisierst wie normal. Oder du führsz Zeilenumformungen an der Matrix.
[mm]\pmat{ 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 }[/mm]
[mm]\underbrace{\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 1/2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 }}_{S_1^T}\pmat{ 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 }\underbrace{\pmat{ 1 & 1/2 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 }}_{S_1}[/mm]
...
bis du auf Diagonalgestalt kommst.



Bezug
                
Bezug
Diagonalmatrix: Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 22:53 Sa 30.04.2011
Autor: JenniferS

Was meinst du mit diagonalisierst wie normal? Das klappt ja hier iwie nicht, da ich die Eigenwerte 0 und 3 hab. Und so würde ich eine Diagonalmatrix bekommen die so aussieht D = [mm] \pmat{ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 3 } [/mm] .
Wie genau kann ich die Zeilenumformungen die ich vollziehe in die Matrix S schreiben?
Mit freundlichen Grüßen Jenni

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Diagonalmatrix: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 13:48 So 01.05.2011
Autor: MathePower

Hallo Jenni,

> Was meinst du mit diagonalisierst wie normal? Das klappt ja
> hier iwie nicht, da ich die Eigenwerte 0 und 3 hab. Und so
> würde ich eine Diagonalmatrix bekommen die so aussieht D =
> [mm]\pmat{ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 3 }[/mm] .
>  Wie genau kann ich die Zeilenumformungen die ich vollziehe
> in die Matrix S schreiben?


Ausgehend von der Einheitsmatrix aus:

[mm]Z:=\pmat{1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1}[/mm]

wird die Matrix A zunächst aus Zeilenstufenform gebracht,
wobei die Operationen, die mit der Matrix A durchgeführt werden,
auch mit der Matrix Z durchzuführen sind.

Am besten gehst Du dann von der Matrix

[mm]\pmat{1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1\\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 1\\ 0 & 0 & 1& 1 & 1 & 2}[/mm]

aus. Dann hast Du die Operationen nur einmal durchzuführen.


>  Mit freundlichen Grüßen Jenni


Gruss
MathePower

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Diagonalmatrix: Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 14:40 So 01.05.2011
Autor: JenniferS

Hm ok, danke. Aber meines Erachtens hat die Matrix doch vollen Rang oder?
Wie schaff ich es das dann auf der 1. zeile und 1. Spalte nur Nullen stehn? Kann ich da einfach die 1. Zeile mit Null multiplizieren und du das etwaige ebenfalls bei der anderen Matrix?
Mit freundlichen Grüßen Jenni

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Diagonalmatrix: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 15:00 So 01.05.2011
Autor: M.Rex

Hallo und [willkommenmr]

> Hm ok, danke. Aber meines Erachtens hat die Matrix doch
> vollen Rang oder?
>  Wie schaff ich es das dann auf der 1. zeile und 1. Spalte
> nur Nullen stehn?

Mit dem [url0http://www.arndt-bruenner.de/mathe/9/lgsbsp2.htm]Gauß-Algorithmus[/url], eine weitere Erklärung gibt es hier


> Kann ich da einfach die 1. Zeile mit Null multiplizieren
> und du das etwaige ebenfalls bei der anderen
> Matrix?

Nein, eine Zeile mit Null multiplizieren ist keine elementare Umformung.

>  Mit freundlichen Grüßen Jenni

Marius


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Diagonalmatrix: Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 15:13 So 01.05.2011
Autor: JenniferS

Ja das Verfahren ist mir bekannt. Ich schaff aber aber nur die Matrix A auf folgendes zu bringen A = [mm] \pmat{ 0 & 0 & 0 \\ -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & -1 } [/mm]

Bezug
                                                        
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Diagonalmatrix: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 16:14 So 01.05.2011
Autor: MathePower

Hallo JenniferS,

> Ja das Verfahren ist mir bekannt. Ich schaff aber aber nur
> die Matrix A auf folgendes zu bringen A = [mm]\pmat{ 0 & 0 & 0 \\ -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & -1 }[/mm]
>  


Dann poste Deine Rechenschritte dazu.


Gruss
MathePower

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Diagonalmatrix: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 16:37 So 01.05.2011
Autor: JenniferS

[mm] \pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 2 } [/mm]  III + II -> [mm] \pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 3 & 3 } [/mm] II + -2/3 *III -> [mm] \pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1/3 & -2/3 & -1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 3 & 3 } [/mm] I + 2*II -> [mm] \pmat{ 1 & 2/3 & -4/3 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 1/3 & -2/3 & -1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 3 & 3 } [/mm] III + 3*I  und II+ -1*I -> [mm] \pmat{ 1 & 2/3 & -4/3 & 0 & -1 & -1 \\ -1 & -1/3 & 2/3 & -1 & 1 & 0 \\ 3 & 3 & -3 & 0 & 0 & 0 } [/mm] Vertauschungen -> [mm] \pmat{ 3 & 3 & -3 & 0 & 0 & 0 \\ -1 & -1/3 & 2/3 & -1 & 1 & 0 \\ 1 & 2/3 & -4/3 & 0 & -1 & -1 } [/mm] hoffe die Schritte genügen so
Mit freundlichen Grüßen Jenni

Bezug
                                                                        
Bezug
Diagonalmatrix: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 16:43 So 01.05.2011
Autor: MathePower

Hallo JenniferS,

> [mm]\pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 2 }[/mm]
> -> [mm]\pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 3 & 3 }[/mm]
> -> [mm]\pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1/3 & -2/3 & -1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 3 & 3 }[/mm]
> -> [mm]\pmat{ 1 & 2/3 & -4/3 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 1/3 & -2/3 & -1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 3 & 3 }[/mm]
> -> [mm]\pmat{ 1 & 2/3 & -4/3 & 0 & -1 & -1 \\ -1 & -1/3 & 2/3 & -1 & 1 & 0 \\ 3 & 3 & -3 & 0 & 0 & 0 }[/mm]
> -> [mm]\pmat{ 3 & 3 & -3 & 0 & 0 & 0 \\ -1 & -1/3 & 2/3 & -1 & 1 & 0 \\ 1 & 2/3 & -4/3 & 0 & -1 & -1 }[/mm]
> hoffe die Schritte genügen so


Die letzten 3 Spalten der Matrix

[mm]\pmat{ 1 & 0 & 0 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 2 }[/mm]

sind doch durch entsprechende Zeilenmanipulationen
auf Zeilenstufenform zu bringen.


>  Mit freundlichen Grüßen Jenni


Gruss
MathePower

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Bezug
Diagonalmatrix: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 17:04 So 01.05.2011
Autor: JenniferS

Ja weiter geht es bei mir nicht. Und ich habe ja immer auch meine Aufgabe vor Auge, das ich eine Diagonalmatrix mit 0 , 1 und -1 auf der Diagonalen hinbekomme.

Bezug
                                                                                        
Bezug
Diagonalmatrix: Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 17:58 So 01.05.2011
Autor: JenniferS

Vllt kann mir jemand noch ein Tipp geben, wie ich weiter machen kann.

Bezug
                                                                                                
Bezug
Diagonalmatrix: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 18:36 So 01.05.2011
Autor: wieschoo

Die Idee von Mathepower ist nur die abgekürzte Version, die geschrieben hatte.

[mm]A:=\pmat{ 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 }[/mm]

Also erste Zeile mal 0.5 auf die zweite Zeile.
erste Zeile mal -0.5 auf dritte Zeile.
Als Zeilenopertaion kann man das so schreiben:
[mm]\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 1/2 & 1 & 0 \\ -1/2 & 0 & 1 }=:S_1^T[/mm]

Jetzt wendest du diese Matrix [mm]S_1^T[/mm] von Links als Zeilenoperation auf A an. Und gleich noch die Matrix [mm]S_1[/mm] als Spaltenoperation von rechts:

[mm]\underbrace{\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 1/2 & 1 & 0 \\ -1/2 & 0 & 1 }}_{S_1^T}\underbrace{\pmat{ 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 }}_{A_1=:A}\underbrace{\pmat{ 1 & 1/2 & -1/2 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 }}_{S_1}=\pmat{ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 3/2 & 3/2 \\ 0 & 3/2 & 3/2 }=:A_2[/mm]

Nun muss die dritte Zeile durch Addition der minus zweiten Zeile eliminiert werden:
Als Zeilenoperation
[mm]\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 }=:S_2^T[/mm]

Jetzt wendest du diese Matrix [mm]S_2^T[/mm] von Links als Zeilenoperation auf [mm]A_2[/mm] an. Und gleich noch die Matrix [mm]S_2[/mm] als Spaltenoperation von rechts:

[mm]\underbrace{\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 }}_{S_2^T}\underbrace{\pmat{ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 3/2 & 3/2 \\ 0 & 3/2 & 3/2 }}_{A_2}\underbrace{\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 1 }}_{S_2}=\pmat{ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 3/2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 }=:A_3[/mm]

Jetzt noch normieren:
[mm]S_3=S_3^T=\pmat{ \frac{1}{\sqrt{2}} & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{3/2}} & 0 \\ 0 & 0 & 0 }[/mm]

Damit ergibt sich
[mm]S_3^T\cdot A_3 \cdot S_3=\pmat{ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 }[/mm]

[mm] $S:=S_1S_2S_3$ [/mm] und [mm] $S^T$ [/mm] kennst du damit auch. Zusammenfassend:
[mm] $S_3^TS_2^TS_1^TAS_1S_2S_3=S^TAS=D$ [/mm]




Bezug
                                                                                                        
Bezug
Diagonalmatrix: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 00:08 Mo 02.05.2011
Autor: JenniferS

Dankeschön. =)

Bezug
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