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Forum "Uni-Lineare Algebra" - exp(matrix)
exp(matrix) < Lineare Algebra < Hochschule < Mathe < Vorhilfe
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exp(matrix): Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 19:21 So 18.07.2004
Autor: user_theo

hi,

ich habe folgendes problem:

[mm] exp\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]

so weit ich des verstanden hab muss ich [mm] \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm] + [mm] \summe_{k=1}^{unendlich} \bruch{\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}^k}{k!} [/mm] machen.
Kommt da dann [mm] \begin{pmatrix} 1 & e \\ 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm] raus ?

gruss theo

Ich habe diese Frage in keinem weiteren Forum gestellt.

        
Bezug
exp(matrix): Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 19:50 So 18.07.2004
Autor: Marc

Hallo Theo,

[willkommenmr]

> [mm]exp\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]
>  
> so weit ich des verstanden hab muss ich [mm]\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}[/mm] +
> [mm]\summe_{k=1}^{unendlich} \bruch{\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}^k}{k!}[/mm]
> machen.

Ja, du mußt in die Definition der Exponentialreihe [mm] \exp(X)=\summe_{k=0}^{\infty} \bruch{X^k}{k!} [/mm] formal diese Matrix einsetzen.
Also:

[mm] $\exp\left(\pmat{0 & 1 \\0 & 0}\right)=\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^0*\bruch{1}{0!}+\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^1*\bruch{1}{1!}+\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^2*\bruch{1}{2!}+\ldots$ [/mm]

Dabei ist [mm] $\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^0:=\pmat{1 & 0 \\0 & 1}$ [/mm] und [mm] $\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^1=\pmat{0 & 1 \\0 & 0}$ [/mm]

Jetzt rechne doch mal aus, was [mm] $\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^2$ [/mm] ist, und was dann wohl [mm] $\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^3$, $\pmat{0 & 1 \\0 & 0}^4$, $\ldots$ [/mm] ist; dann siehst du,...

>  Kommt da dann [mm]\begin{pmatrix} 1 & e \\ 0 & 1 \end{pmatrix}[/mm] raus ?

... dass dieses Ergebnis nicht richtig ist ;-)

Probier's doch noch mal und melde dich mit Fragen oder dem Ergebnis zur Kontrolle.

Viele Grüße,
Marc

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Bezug
exp(matrix): Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 16:11 Mo 19.07.2004
Autor: user_theo

hi

jetzt bekomm ich [mm] \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm]  raus.

Wenn des stimmt, müsste des auch stimmen :
exp [mm] \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]  = [mm] \begin{pmatrix} 2+e & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm]

Gruss Theo

Bezug
                        
Bezug
exp(matrix): Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 16:55 Mo 19.07.2004
Autor: Marc

Hallo Theo!

> jetzt bekomm ich [mm]\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}[/mm]  raus.

[ok]
  

> Wenn des stimmt, müsste des auch stimmen :
>  exp [mm]\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[/mm]  
> = [mm]\begin{pmatrix} 2+e & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm]

Bis auf den linken oberen Eintrag ist das auch richtig. Ich würde da über die 2 nochmal nachdenken...

Viele Grüße,
Marc

Bezug
                                
Bezug
exp(matrix): Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 16:01 Di 20.07.2004
Autor: user_theo

hi

also wirds wohl [mm] \begin{pmatrix} e & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm] sein, weil links oben immer eine 1 steht wenn man ein paar glieder ausrechnet!

wenn ich jetzt aber so was hab : exp [mm] \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} [/mm] , dann bekomm ich : [mm] \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^0 [/mm] = einheitsmatrix ; [mm] \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^1 [/mm] = [mm] \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} [/mm] ; [mm] \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^2 [/mm] = [mm] \begin{pmatrix} 4 & 4 & 1 \\ 0 & 4 & 4 \\ 0 & 0 & 4 \end{pmatrix} [/mm] und [mm] \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^3 [/mm] = [mm] \begin{pmatrix} 16 & 32 & 24 \\ 0 & 16 & 32 \\ 0 & 0 & 16 \end{pmatrix}. [/mm]

Was soll ich den damit anfangen ? ich find da kein schema drin ! und wenn ich eins hab dann kommt noch des 1/n! dazu .... und was mach ich dann ?

Gruss Theo

Bezug
                                        
Bezug
exp(matrix): Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 19:16 Di 20.07.2004
Autor: Stefan

Lieber Theo!

> also wirds wohl [mm]\begin{pmatrix} e & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}[/mm]
> sein, weil links oben immer eine 1 steht wenn man ein paar
> glieder ausrechnet!

[ok]
  

> wenn ich jetzt aber so was hab : exp [mm]\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}[/mm]
> , dann bekomm ich : [mm]\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^0[/mm]
> = einheitsmatrix ; [mm]\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^1[/mm]
> = [mm]\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}[/mm]
> ; [mm]\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^2[/mm]
> = [mm]\begin{pmatrix} 4 & 4 & 1 \\ 0 & 4 & 4 \\ 0 & 0 & 4 \end{pmatrix}[/mm]
> und [mm]\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}^3[/mm]
> = [mm]\begin{pmatrix} 16 & 32 & 24 \\ 0 & 16 & 32 \\ 0 & 0 & 16 \end{pmatrix}. [/mm]
>  
>
> Was soll ich den damit anfangen ? ich find da kein schema
> drin ! und wenn ich eins hab dann kommt noch des 1/n! dazu
> .... und was mach ich dann ?

Spalte die Matrix mal auf:

[mm] $\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} [/mm] = [mm] \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} [/mm] + [mm] \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}$ [/mm]

und nutze die Identität

[mm] $\exp(A [/mm] + B) = [mm] \exp(A) \cdot \exp(B)$ [/mm]

aus, die dann gilt, wenn $A$ und $B$ kommutieren, wenn also $AB=BA$ gilt.

Fragen an dich:

1) Warum kommutieren hier die beiden Matrizen?

2) Wie sieht [mm] $\exp(Diagonalmatrix)$ [/mm] aus? (Das Ergebnis kann man direkt hinschreiben.)

3) Zeige, dass die zweite Matrix nilpotent ist und berechne ihr Exponential.

Melde dich mal mit Antworten auf die drei Fragen und einem Lösungsvorschlag. :-) (Oder sage, was unklar ist, dann helfen wir dir.)

Liebe Grüße
Stefan

Bezug
                                                
Bezug
exp(matrix): Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 20:45 Di 20.07.2004
Autor: user_theo

hi

zu 1.: ich hab ja : 2  * [mm] \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm] * [mm] \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm] =  [mm] \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]  * 2 * [mm] \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} [/mm]

da A/2 = einheitsmatrix => A*B = B*A =2 * B

zu 2.: exp [mm] \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} [/mm] = [mm] \begin{pmatrix} e^2 & 0 & 0 \\ 0 & e^2 & 0 \\ 0 & 0 & e^2 \end{pmatrix} [/mm]

zu 3.: den [mm] exp\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]  hab ich in einer anderen aufgabe berechnet und da kamm ich auf [mm] \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1/2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]


jetzt muss ich ja nur noch : [mm] \begin{pmatrix} e^2 & 0 & 0 \\ 0 & e^2 & 0 \\ 0 & 0 & e^2 \end{pmatrix} [/mm]  * [mm] \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1/2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm] = [mm] \begin{pmatrix} e^2 & e^2 & (e/2)^2 \\ 0 & e^2 & e^2 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]

so weit richitg ?

Gruss Theo

Bezug
                                                        
Bezug
exp(matrix): Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 21:40 Di 20.07.2004
Autor: Stefan

Lieber Theo!

> zu 1.: ich hab ja : 2  * [mm]\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}[/mm]
> * [mm]\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[/mm]
> =  [mm]\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[/mm]
>  * 2 * [mm]\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}[/mm]
>
> da A/2 = einheitsmatrix => A*B = B*A =2 * B

Ja, okay. [ok]
  

> zu 2.: exp [mm]\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}[/mm]
> = [mm]\begin{pmatrix} e^2 & 0 & 0 \\ 0 & e^2 & 0 \\ 0 & 0 & e^2 \end{pmatrix}[/mm]

[ok]

> zu 3.: den [mm]exp\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[/mm]
>  hab ich in einer anderen aufgabe berechnet und da kamm ich
> auf [mm]\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1/2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[/mm]

Hier stimmt was nicht. Wie sieht der Eintrag an der Stelle $(3,3)$ aus? ;-)

> jetzt muss ich ja nur noch : [mm]\begin{pmatrix} e^2 & 0 & 0 \\ 0 & e^2 & 0 \\ 0 & 0 & e^2 \end{pmatrix}[/mm]
>  * [mm]\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1/2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[/mm]
> = [mm]\begin{pmatrix} e^2 & e^2 & (e/2)^2 \\ 0 & e^2 & e^2 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} [/mm]

  
Das Prinzip stimmt, ja. :-) Jetzt nur noch mal neu  rechnen... ;-)

Liebe Grüße
Stefan


Bezug
                                                                
Bezug
exp(matrix): Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 21:53 Di 20.07.2004
Autor: user_theo

hi,

kleiner Leichtsinsfehler von mir ;-)
Natürlich kommt da ne 1 hin ! Den Rest schaff ich auch allein !
Vielen dank für eure Hilfe und dafür dass Ihr mir immer so schnell geantwortet habt.

Gruss Theo

Bezug
                                                                        
Bezug
exp(matrix): Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 02:59 Mi 21.07.2004
Autor: Marc

Hallo Theo,

> kleiner Leichtsinsfehler von mir ;-)
>  Natürlich kommt da ne 1 hin ! Den Rest schaff ich auch
> allein !

Schön, bei Problemen melde dich einfach wieder.

>  Vielen dank für eure Hilfe und dafür dass Ihr mir immer so
> schnell geantwortet habt.

Gern geschehen ;-)

Viele Grüße,
Marc

Bezug
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