Szerkesztő:Mozo/A2 feladatok

Függvényterek

1.

Legyen L az R-en értelmezett valós függvények következő lineáris altere:

$L=_{\mathrm{def}}\{A\mathrm{e}^{2x}+B\sin(3x)+C\cos(3x)\mid A,B,C\in\mathbf{R}\}$

(azaz az exp(2$\cdot$.), a sin(3$\cdot$.) és a cos(3$\cdot$.) függvények által kifeszített altér.) Adjuk meg L bázisát, igazoljuk, hogy

$\mathcal{A}f\quad=_{\mathrm{def}}\quad f'+4f$

lineáris operátor és adjuk meg egy mátrixát!

Megoldás

$B=\{\mathrm{e}^{2x};\,\sin(3x);\,\cos(3x)\}\,$

boztosan generátorrendszere L-nek. Lássuk be, hogy B független. Tegyük fel ugyanis, hogy minden x valós számra

$A\mathrm{e}^{2x}+B\sin(3x)+C\cos(3x)\equiv 0\,$

Ekkor x = 0-t véve:

$A+C= 0\,$

illetve x = 2π-t véve is:

$A\mathrm{e}^{4\pi}+C= 0\,$

mely két egyenletet kivonva

$A+A\mathrm{e}^{4\pi}= 0\,$

azaz A = 0. Viszont ekkor C = 0-is teljesül és B csak nulla lehet, mert a szinuszfüggvény nem az azonosan nulla. Tehát a fenti egyenlőségnek csak triviális megoldása van A, B, C-ben.

Térjünk rá az operátor linearitására. A deriválás lineáris, a 4-gyel való szorzás lineáris és a leképezések összege lineáris, tehát A lineáris. Adjuk meg a mátrixot! A bázisok képei:

$\mathcal{A}\mathrm{e}^{2x}=2\mathrm{e}^{2x}+4\mathrm{e}^{2x}=6\mathrm{e}^{2x}$

$\mathcal{A}\mathrm{sin}^{3x}=3\mathrm{cos}(3x)$

$\mathcal{A}\mathrm{cos}^{3x}=-3\mathrm{sin}(3x)$

Így

$[\mathcal{A}]=\begin{pmatrix} 6 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -3 \\ 0 & 3 & 0 \end{pmatrix}=6\cdot\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}+3\cdot\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}$

Megjegyezzük, hogy a leképezés lényegében egy x tengely körüli forgatás, majd a tengelyek menti nyújtás. A sajátvektorai: Ae^2x, sajátértéke 6.