background image

PRZYKLAD OBLICZENIOWY nr 4 

Temat : Rozwiązywanie problemu wartości własnych  Ax=λx 

Wymagane obliczenia należy przeprowadzić “ręcznie” (tj. używając “kalkulatora” a nie gotowego 

programu generującego ostateczny wynik).  

Każdy student rozwiązuje inny przykład liczbowy, oznaczony numerem odpowiadającym numerowi 

nazwiska studenta na liście. Każda grupa laboratoryjna ma oddzielny zestaw zadań (przykłady 
zamieszczone są w dalszej części, po opisie zadań do wykonania). 

W przypadku problemów obliczeniowych proszę skontaktować sie z prowadzącym zajęcia. 
 

Podpisany konspekt z wynikami obliczeń i wnioskami należy oddać prowadzącemu zajęcia 

przed laboratorium poświęconym rozwiązywaniu układów równań liniowych. 

 

 

Zadanie 1:

 

Obliczanie analityczne wartości własnych 

 

Wyznaczyć  analitycznie  wartości  i  wektory  własne  macierzy  A  (podanej  w  dalszej  części). 

Wartości  własne  obliczamy  szukając  zerowego  wyznacznika  macierzy  Ax-λI  ,  odpowiadające  im 

wektory własne obliczamy z zależności  Ax=λx

 

Zadanie 2: Obliczanie numeryczne wartości własnych - metoda potęgowa

 

 

Dla  tego  samego  przykładu  wykonać  5  iteracji  metody  potęgowej  startując  z  wektora 

początkowego  x

0

=[1  1]  (lub  innego,  jeśli  ten  nie  jest  odpowiedni).  Dla  każdego  kroku  podać 

przybliżenie  wartości  własnej  λ

i

  (tutaj:  o  największym  module)  i  odpowiadającego  jej  wektora 

własnego x

i

. Przybliżenia wektorów własnych proszę normalizować korzystając z normy euklidesowej 

(normy “2”) lub "nieskończonej". Czy obserwujemy zbieżność do rozwiązania analitycznego? 

 

Zadanie 3: Przykład zagadnienia na wartości własne w mechanice 

Rozważamy przedstawiony na rysunku układ trzech mas połączonych sprężynami: 

 

 

Symbolami  x1(t),  x2(t)  i  x3(t)  oznaczono  oscylacje  poziome  mas  m1,  m2  i  m3  (w  funkcji  czasu  t) 

wokół położenia równowagi, k1, k2 i k3 są współczynnikami sprężystości sprężyn. 
 

x1(t) 

x2(t) 

x3(t) 

m1 

m2 

m3 

k1 

k2 

k3 

background image

Układ różniczkowych równań ruchu (w przypadku braku tłumienia) można zapisać w postaci: 

''

0

3

''

0

3

3

''

0

k1+ k2

-k2

0

x1(t)

m1

0

0

x1 (t)

-k2

k2+ k3

k

x2(t)

0

m2

0

x2 (t)

0

k

k

x3(t)

0

0

m3

x3 (t)

 

 

 

  

  

+

=

  

  

 

 

 

  

 

gdzie x1″(t), x2″(t) i x3″(t) oznaczają drugie pochodne x1(t) , x2(t) i x3(t) po czasie. 
 

Poszukujemy częstości własnych i postaci drgań własnych rozważanego układu, czyli niezerowego 

rozwiązania powyższego układu równań różniczkowych. Zakładamy, że funkcje x1(t), x2(t) i x3(t), 

spełniające równania ruchu, mają postać:  

  

 

 

 

                     

                         

sin(

),

sin(

),

(

sin(

)

x1(t)

a1

t

x2(t)

a2

t

x3 t)

a3

t

ω θ

ω θ

ω θ

=

+

=

+

=

+

 gdzie a1, a2, a3, 

ω

 i 

θ

 są stałymi niezależnymi od czasu. 

Podstawiając  x1(t) , x2(t) i x3(t) do równań ruchu wykazać, że  

ω

2

 jest wartością własną macierzy A 

natomiast wektor własny tej macierzy ma składowe x=[a1 a2 a3]

T

 

 

 

 

(k1+ k2)/m1

-k2/m1

0

-k2/m2

(k2 + k3)/m2

-k3/m2

0

-k3/m3

k3/m3

=

A

background image

 

GRUPA 1 

Uwaga: każdy student wybiera dane zestawu o numerze odpowiadającym swojemu numerowi z listy 

(patrz numeracja w załączonym pliku z obecnością na pierwszym laboratorium) 

Nr przykładu 

Macierz A 

wartości własne 

  - 5.    3.   

    3.  - 5. 

- 8.    0. 

0.  - 2. 

    8.    6.   

    6.    8.   

    2.    0.    

    0.    14.   

    2.    5.   

    5.    2.   

  - 3.    0.   

    0.    7.   

    7.    6.   

    6.    7.   

    1.    0.    

    0.    13.   

    7.     11.   

    11.    7.    

  - 4.    0.    

    0.    18. 

  - 7.   - 12.   

  - 12.  - 7. 

  - 19.    0.   

    0.     5.   

    2.     15.   

    15.    2. 

  - 13.    0.    

    0.     17.   

  - 6.    3.   

    3.  - 6. 

- 9.    0. 

0.  - 3. 

    12.    9.    

    9.     12.   

    3.    0.    

    0.    21. 

10 

    4.    5.   

    5.    4. 

  - 1.    0.   

    0.    9.   

11 

    8.  - 6.   

  - 6.    8.   

    2.    0.    

    0.    14. 

12 

  - 2.  - 6.   

  - 6.  - 2. 

  - 8.    0.   

    0.    4. 

13 

  - 12.    6.    

    6.   - 12.   

- 18.    0. 

0.   - 6. 

14 

    1.    3.   

    3.    1.   

  - 2.    0.   

    0.    4.   

15 

  - 2.    6.   

    6.  - 2.   

  - 8.    0.   

    0.    4. 

16 

  - 9.    3.   

    3.  - 9.   

  - 12.    0.   

    0.   - 6.   

17 

    2.    6.   

    6.    2.   

  - 4.    0.   

    0.    8.   

18 

  - 4.     11.   

    11.  - 4.    

  - 15.    0.   

    0.     7.   

19 

  - 3.    5.   

    5.  - 3.   

  - 8.    0.   

    0.    2.   

20 

  - 1.    6.   

    6.  - 1.   

  - 7.    0.   

    0.    5. 

 

background image

 

 

GRUPA 2 

 

Uwaga: każdy student wybiera dane zestawu o numerze odpowiadającym swojemu numerowi z listy 

(patrz numeracja w załączonym pliku z obecnością na pierwszym laboratorium) 

 

Nr przykładu 

Macierz A 

wartości własne 

  - 8.    6.   

    6.  - 8.   

  - 14.    0.   

    0.   - 2.   

    1.    5.   

    5.    1.   

  - 4.    0.   

    0.    6.   

  - 7.  - 6.   

  - 6.  - 7.   

  - 13.    0.   

    0.   - 1.   

    7.     12.   

    12.    7.    

  - 5.    0.    

    0.    19. 

  - 7.   - 11.   

  - 11.  - 7. 

  - 18.    0.   

    0.     4.   

  - 4.    5.   

    5.  - 4.   

  - 9.    0.   

    0.    1. 

  - 3.     12.   

    12.  - 3. 

  - 15.    0.   

    0.     9.   

    6.     12.   

    12.    6.   

  - 6.    0.    

    0.    18.   

    11.    9.    

    9.     11. 

    2.    0.    

    0.    20. 

10 

    1.     14.   

    14.    1.   

  - 13.    0.    

    0.     15. 

11 

  - 1.    5.   

    5.  - 1. 

  - 6.    0.   

    0.    4.   

12 

    1.     15.   

    15.    1.    

  - 14.    0.    

    0.     16.   

13 

    1.     11.   

    11.    1. 

  -10.    0.    

    0.    12.   

14 

  - 4.     12.   

    12.  - 4.   

- 16.    0.   

    0.     8.   

15 

  - 3.    9.   

    9.  - 3.   

  - 12.    0.   

    0.     6.   

16 

    9.     11.   

    11.    9.    

- 2.    0.    

    0.    20. 

17 

    5.     15.   

    15.    5.    

  - 10.    0.    

    0.     20. 

18 

  - 5.   - 15.   

  - 15.  - 5.    

  - 20.    0.    

    0.     10. 

19 

  - 2.     15.   

    15.  - 2. 

  - 17.    0.    

    0.     13.   

20 

  - 1.   - 11.   

  - 11.  - 1.   

  - 12.    0.   

    0.    10.   

21  

- 9.    3. 

3.  - 9. 

 

22 

5.    1. 
1.    5. 

 

23  

7.    1. 
1.    7. 

 

24 

8.    3. 
3.    8. 

 

25 

7.     10. 

10.    7. 

 

 

 

 

 

background image

 

GRUPA 3 

Uwaga: każdy student wybiera dane zestawu o numerze odpowiadającym swojemu numerowi z listy 

(patrz numeracja w załączonym pliku z obecnością na pierwszym laboratorium) 

Nr przykładu 

Macierz A 

wartości własne 

3.    2. 
2.    3. 

- 8.    0. 

0.  - 2. 

2.     10. 

10.    2. 

2.    0. 

0.    14. 

2.    9. 
9.    2. 

- 3.    0. 

0.    7. 

8.    2. 
2.    8. 

1.    0. 

0.    13. 

9.    2. 
2.    9. 

- 4.    0. 
0.    18. 

5.    2. 
2.    5. 

- 19.    0. 

0.     5. 

5.    4. 
4.    5. 

- 13.    0. 

0.     17. 

- 7.    4. 

4.  - 7. 

- 9.    0. 

0.  - 3. 

15.    4. 

4.     15. 

3.    0. 

0.    21. 

10 

3.    2. 
2.    3. 

- 1.    0. 

0.    9. 

11 

3.     20. 

20.    3. 

2.    0. 

0.    14. 

12 

- 2.    10. 

1.    4. 

- 8.    0. 

0.    4. 

13 

10.    20. 
20.    10. 

- 18.    0. 

0.   - 6. 

14 

10.    1. 

1.     10. 

- 2.    0. 

0.    4. 

15 

12.    1. 

1.     12. 

- 8.    0. 

0.    4. 

16 

- 4.    1. 

1.  - 4. 

- 12.    0. 

0.   - 6. 

17 

- 4.    8. 

8.  - 4. 

- 4.    0. 

0.    8. 

18 

3.    1. 
1.    3. 

- 15.    0. 

0.     7. 

19 

7.    2. 
2.    7. 

- 8.    0. 

0.    2. 

20 

7.    3. 
3.    7. 

- 7.    0. 

0.    5. 

21  

- 9.    2. 

2.  - 9. 

 

22 

5.    -2. 
-2.    5. 

 

23  

7.    -1. 
-1.    7. 

 

24 

8.    -3. 
-3.    8. 

 

25 

-7.     10. 

10.    -7. 

 

 

background image

 

GRUPA AWANS 

Uwaga: każdy student wybiera dane zestawu o numerze odpowiadającym swojemu numerowi z listy 

(patrz numeracja w załączonym pliku z obecnością na pierwszym laboratorium) 

Nr przykładu 

Macierz A 

wartości własne 

- 4.    3. 

3.  - 4. 

- 8.    0. 

0.  - 2. 

- 9.    3. 

3.  - 9. 

2.    0. 

0.    14. 

5.    1. 
1.    5. 

- 3.    0. 

0.    7. 

7.    1. 
1.    7. 

1.    0. 

0.    13. 

8.    3. 
3.    8. 

- 4.    0. 
0.    18. 

7.     10. 

10.    7. 

- 19.    0. 

0.     5. 

6.    4. 
4.    6. 

- 13.    0. 

0.     17. 

- 7.    -3. 

-3.  - 7. 

- 9.    0. 

0.  - 3.