Page 1 of 1

Odmocnina z matice $2\times2$

Posted: Sat May 14, 2016 7:57 am
by Martin Sleziak
Niečo k bonusovej úlohe z písomky.

Skupina A
Nájdite všetky matice $X$ typu $2\times2$ nad poľom $\mathbb C$ také, že
$$X^2=
\begin{pmatrix}
3 & 1 \\
-1 & 5 \\
\end{pmatrix}.
$$
(Nápoveda: Aký môže mať $X$ Jordanov tvar? Riešenia budú dve -- viete povedať prečo?)
Skupina B
Nájdite všetky matice $X$ typu $2\times2$ nad poľom $\mathbb C$ také, že
$$X^2=
\begin{pmatrix}
5 &-1 \\
1 & 3 \\
\end{pmatrix}.
$$
(Nápoveda: Aký môže mať $X$ Jordanov tvar? Riešenia budú dve -- viete povedať prečo?)
Výsledky

Skupina A:

$$X=\pm\frac14\begin{pmatrix}
7 & 1 \\
-1 & 9 \\
\end{pmatrix}$$

Skupina B:
$$X=\pm\frac14\begin{pmatrix}
9 &-1 \\
1 & 7 \\
\end{pmatrix}$$

Re: Odmocnina z matice $2\times2$

Posted: Sat May 14, 2016 7:58 am
by Martin Sleziak
Riešenie

Sem napíšem iba jedno riešenie - to, ktoré sa mi zdá najkratšie.
Ale napísal som dlhší pokec k tomuto príkladu s viacerými riešeniami, ktorý som dal sem: http://msleziak.com/vyuka/2015/lag2/mat ... ocniny.pdf
Ak si ho prečítate, tak tam budete vidieť, že sa to dalo vyrátať s použitím Jordanovho tvaru. (A aj v jednej z odovzdaných písomiek bolo úplne správne odôvodnenie toho, ako vyzerajú všetky možnosti pre Jordanov tvar matice $X$. Od toho už nie je ďaleko k tomu, aby sme našli nejaké riešenia rovnice $X^2=A$.)
Takisto sa to niektorí pokúšali riešiť ako sústavu štyroch rovníc kde neznáme sú prvky matice $A$. Dá sa to dorátať aj takýmto spôsobom a nejaké riešenie pomocou tejto sústavy tiež nájdete v tom súbore.

Tu je riešenie, v ktorom sa používajú podbné úvahy ako pri odvodení pomerne všeobecného vzorca, ktorý je na Wikipédii.
Niečo podobné pre prípad diagonalizovateľnú maticu (ale aj s diskusiou ako by to bolo všeobecne) nájdete aj tu:
Bernard W. Levinger: The Square Root of a $2\times2$ Matrix, Mathematics Magazine, Vol. 53, No. 4 (Sep., 1980), pp. 222-224, http://dx.doi.org/10.2307/2689616

Pustime sa teda konečne do samotného riešenia.

Pripomeňme, že vo všeobecnosti platí, že stopa matice je súčet jej vlastných hodnôt a determinant je súčin jej vlastných hodnôt.

Teda špeciálne ak $X$ je matica $2\times2$ a jej vlastné hodnoty sú $\lambda_{1,2}$, tak dostávame pre charakteristický polynóm vyjadrenie:
\begin{align*}
\newcommand{\Tra}{\operatorname{Tr}}
\chi_X(t)&=(t-\lambda_1)(t-\lambda_2)\\
&=t^2-\Tra(X)t+\det(X),
\end{align*}
pričom $\Tra(X)$ označuje stopu matice $X$.

Máme teda rovnosti
\begin{align*}
\Tra(X)&=\lambda_1+\lambda_2\\
\det(X)&=\lambda_1\lambda_2
\end{align*}
Súčasne viem, že $A=X^2$ má vlastné hodnoty $\lambda_1^2$ a $\lambda_2^2$. Teda potom máme:
\begin{align*}
\det(A)&=(\lambda_1\lambda_2)^2\\
\Tra(A)&=\lambda_1^2+\lambda_2^2=(\lambda_1+\lambda_2)^2-2\lambda_1\lambda_2
\end{align*}
čo znamená, že
\begin{align*}
\det(A)&=\det(X)^2\\
\Tra(A)&=\Tra(X)^2-2\det(X)
\end{align*}

To, čo sme odvodili doteraz, platí pre ľubovoľné matice $2\times2$ také, že $X^2=A$. V~našom prípade máme $\Tra(A)=8$ a $\det(A)=16$. Dostávame teda, že
\begin{align*}
\det(X)^2&=16\\
\Tra(X)^2-2\det(X)&=8
\end{align*}
To znamená, že možné hodnoty determinantu sú $\det(X)=\pm4$. Ak už máme hodnotu $\det(X)$, tak z~druhej rovnice dostaneme možné hodnoty pre $\Tra(X)$, pretože $\Tra(X)^2=8+2\det(X)$.

Ak $\det(X)=-4$, tak dostaneme $\Tra(X)=0$. To by znamenalo, že $\chi_X(t)=t^2-4$ a potom platí
$$X^2-4I=0$$
čiže $X^2=4I$ a $X$ nie je riešenie rovnice $X^2=A$.

Zostáva nám možnosť, že $\det(X)=4$. Vtedy dostaneme $\Tra(X)=\pm 4$, čiže $\chi_X(t)=t^2\pm4t+4I$. Teda podľa Cayley-Hamiltonovej vety musí potom pre maticu $X$ platiť
\begin{align*}
X^2\pm4X+4I&=0\\
A\pm4X+4I&=0\\
X&=\pm\frac14(A+4I)
\end{align*}