Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js

MPZI_vj05_s_izradom

2444 days ago by fresl

 

Vektori i matrice


Vektori


1. Zadatak

Definirajte vektore

   a=(2,3,1)  i

   b=(1,5,4),

a zatim izračunajte: 

  1. 2a+b,
  2. a2b,
  3. skalarni umnožak ab vektora a i b,
  4. vektorski umnožak a×b vektora a i b i provjerite da je rezultat okomit na a i b
       
a = (2, 3, 1)
b = (-1, 5, 4)
a = (2, 3, 1)
b = (-1, 5, 4)
       
(3, 11, 6)
(3, 11, 6)
       
(4, -7, -7)
(4, -7, -7)

Skalarni umnožak:

       
17
17
       
Traceback (click to the left of this block for traceback)
...
NameError: name 'dot_product' is not defined
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "_sage_input_7.py", line 10, in <module>
    exec compile(u'open("___code___.py","w").write("# -*- coding: utf-8 -*-\\n" + _support_.preparse_worksheet_cell(base64.b64decode("ZG90X3Byb2R1Y3QgKGEsIGIpICAgICAgICAgICAgICAgICAgICAjIG9wxIdhIGZ1bmtjaWphIGRvdF9wcm9kdWN0IG5lIHBvc3Rvamk="),globals())+"\\n"); execfile(os.path.abspath("___code___.py"))
  File "", line 1, in <module>
    
  File "/tmp/tmpRGFvyL/___code___.py", line 2, in <module>
    exec compile(u'dot_product (a, b)                    # op\u0107a funkcija dot_product ne postoji
  File "", line 1, in <module>
    
NameError: name 'dot_product' is not defined
       
17
17

Vektorski umnožak:

       
(7, -9, 13)
(7, -9, 13)
       
Traceback (click to the left of this block for traceback)
...
NameError: name 'cross_product' is not defined
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "_sage_input_10.py", line 10, in <module>
    exec compile(u'open("___code___.py","w").write("# -*- coding: utf-8 -*-\\n" + _support_.preparse_worksheet_cell(base64.b64decode("Y3Jvc3NfcHJvZHVjdChhLCBiKSAgICAgICAgICAgICAgICAgICAgIyBvcMSHYSBmdW5rY2lqYSBjcm9zc19wcm9kdWN0IG5lIHBvc3Rvamk="),globals())+"\\n"); execfile(os.path.abspath("___code___.py"))
  File "", line 1, in <module>
    
  File "/tmp/tmpsenxvP/___code___.py", line 2, in <module>
    exec compile(u'cross_product(a, b)                    # op\u0107a funkcija cross_product ne postoji
  File "", line 1, in <module>
    
NameError: name 'cross_product' is not defined

Provjera da je vektorski umnožak okomit na faktore produkta (ako su vektori a i b međusobno okomiti, onda je ab=0):

       
0
0
       
0
0


2. zadatak

Za vektore a i b, definirane u 1. zadatku, izračunajte:

  1. duljinu vektora a,
  2. kut (u stupnjevima) između a i b.

Na kraju uklonite varijable a i b.

Duljina ili norma vektora:

       
sqrt(14)
sqrt(14)
       
3.74165738677394
3.74165738677394
       
sqrt(14)
sqrt(14)
       
3.74165738677394
3.74165738677394

Kut između vektora:

c=cos(a,b)=abab(a,b)=arccosc

       
0.701068184015974
0.701068184015974
       
arccos(17/588*sqrt(42)*sqrt(14))
arccos(17/588*sqrt(42)*sqrt(14))
       
0.793901974719713
0.793901974719713
       
45.4872324985413
45.4872324985413

Uklanjanje varijabli:

       
       
Traceback (click to the left of this block for traceback)
...
NameError: name 'a' is not defined
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "_sage_input_17.py", line 10, in <module>
    exec compile(u'open("___code___.py","w").write("# -*- coding: utf-8 -*-\\n" + _support_.preparse_worksheet_cell(base64.b64decode("cHJpbnQgYSwgYg=="),globals())+"\\n"); execfile(os.path.abspath("___code___.py"))
  File "", line 1, in <module>
    
  File "/tmp/tmpmlEqGM/___code___.py", line 2, in <module>
    exec compile(u'print a, b
  File "", line 1, in <module>
    
NameError: name 'a' is not defined


3. zadatak

Na materijalnu točku A djeluju dvije sile prikazane vektorima  a1=(2,1,2)  i  a2=(4,1,1),  a na točku B sile prikazane vektorima  b1=(1,3,1)  i  b2=(3,2,5).  Na koju od točaka djeluje rezultanta silâ većega intenziteta?

Uputa: rezultanta silâ dobiva se zbrajanjem sila, a intenzitet je sile jednak duljini vektora kojim je prikazana.

Prvo ćemo definirati sile i prikazati ih pomoću naredbe print:

       
(2, -1, 2) (4, 1, 1) (-1, 3, -1) (-3, -2, 5)
(2, -1, 2) (4, 1, 1) (-1, 3, -1) (-3, -2, 5)

Zatim ćemo izračunati rezultante rA i rB:

       
(6, 0, 3) (-4, 1, 4)
(6, 0, 3) (-4, 1, 4)

Sada možemo izračunati njihove intenzitete:

       
3*sqrt(5)
sqrt(33)
3*sqrt(5)
sqrt(33)
       
6.70820393249937
5.74456264653803
6.70820393249937
5.74456264653803

Zaključujemo da na točku A djeluje sila većega intenziteta. Možemo to i provjeriti:

       
3*sqrt(5) > sqrt(33)
3*sqrt(5) > sqrt(33)
       
True
True
       
3*sqrt(5) < sqrt(33)
3*sqrt(5) < sqrt(33)
       
False
False


4. zadatak

Definirajte dva vektora. Komponente prvoga neka su svi parni brojevi između 1 i 30 (uključivo), a komponente drugoga svi neparni brojevi u istom intervalu. Izračunajte kut između tih vektora u radijanima i stupnjevima.

       
(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30)
(1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29)
(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30)
(1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29)

Provjera jednakosti dimenzija (broja komponenata):

       
15
15
True
15
15
True

Izračunavanje kuta:

       
118/139345*sqrt(4495)*sqrt(310)
118/139345*sqrt(4495)*sqrt(310)
       
0.999623166286920
0.999623166286920
       
0.0274538661296681
0.0274538661296681
       
1.57299066054714
1.57299066054714


1. zadaci za vježbu

Definirajte vektore  a=(1;3;2,1)  i  b=(1;5,3;0)  pa zatim izračunajte:

  1. vektor c=3a4b,
  2. duljine vektora ab,
  3. skalarni i vektorski umnožak vektora ab,
  4. kut između vektora ac; rezultat neka bude u stupnjevima,
  5. ploštinu paralelograma određenoga vektorima ab;  uputa: ploština je paralelograma a×b.

Rješenja se nalaze na kraju datoteke.

       

 

Matrični račun


5. zadatak

Zadajte matrice

   a kojoj su reci (0,2,1), (4,1,0) i (2,5,1) i

   b kojoj su reci (0,2,1), (1;1,5;2) i (0,4,2)

pa izračunajte:

  1. 3a2b
  2. umnožak ab i
  3. inverznu matricu one matrice kojoj je determinanta različita od nule.
Na kraju uklonite varijable a i b.
       
[ 0  2  1]
[ 4  1  0]
[-2  5  1]

[0.000000000000000  2.00000000000000  1.00000000000000]
[ 1.00000000000000  1.50000000000000  2.00000000000000]
[0.000000000000000  4.00000000000000  2.00000000000000]
[ 0  2  1]
[ 4  1  0]
[-2  5  1]

[0.000000000000000  2.00000000000000  1.00000000000000]
[ 1.00000000000000  1.50000000000000  2.00000000000000]
[0.000000000000000  4.00000000000000  2.00000000000000]
       
[0.000000000000000  2.00000000000000  1.00000000000000]
[ 10.0000000000000 0.000000000000000 -4.00000000000000]
[-6.00000000000000  7.00000000000000 -1.00000000000000]
[0.000000000000000  2.00000000000000  1.00000000000000]
[ 10.0000000000000 0.000000000000000 -4.00000000000000]
[-6.00000000000000  7.00000000000000 -1.00000000000000]
       
[2.00000000000000 7.00000000000000 6.00000000000000]
[1.00000000000000 9.50000000000000 6.00000000000000]
[5.00000000000000 7.50000000000000 10.0000000000000]
[2.00000000000000 7.00000000000000 6.00000000000000]
[1.00000000000000 9.50000000000000 6.00000000000000]
[5.00000000000000 7.50000000000000 10.0000000000000]
       
14
14
       
0.000000000000000
0.000000000000000
       
[ 1/14  3/14 -1/14]
[ -2/7   1/7   2/7]
[ 11/7  -2/7  -4/7]
[ 1/14  3/14 -1/14]
[ -2/7   1/7   2/7]
[ 11/7  -2/7  -4/7]
       
[ 0.0714285714285714   0.214285714285714 -0.0714285714285714]
[ -0.285714285714286   0.142857142857143   0.285714285714286]
[   1.57142857142857  -0.285714285714286  -0.571428571428571]
[ 0.0714285714285714   0.214285714285714 -0.0714285714285714]
[ -0.285714285714286   0.142857142857143   0.285714285714286]
[   1.57142857142857  -0.285714285714286  -0.571428571428571]
       


6. zadatak

Neka su

1. A točka u ravnini i rA njezin radijus–vektor  i

2. Rα matrica oblika [cosαsinαsinαcosα].

Umnožak  RαrA  je radijus–vektor  rB  točke B u koju prelazi točka A pri rotaciji ravnine za kut α,  pri čemu je ishodište središte rotacije,  a rotacija je za  α>0  u smislu suprotnom od smisla vrtnje kazaljke na satu,  dok je za  α<0  u smislu vrtnje kazaljke na satu. 

Pronađite točku B u koju prelazi točka A=(2,3) pri rotaciji ravnine za kut α=π3.  Provjerite da je radijus–vektor novodobivene točke jednake duljine kao i radijus–vektor polazne točke.

Dodatak:  Rotacija za kut  α  točku B „vraća” u početni položaj, u točku A;  ta je rotacija, prema tome, operacija koja je inverzna rotaciji za kut α,  pa je  Rα=R1α

Kako su  sin(α)=sinα  i  cos(α)=cosα,  bit će i  Rα=RTα.

„Vratite” točku B u početni položaj množenjem vektora  rB  slijeva matricom  RTα  te množenjem vektora  rB  slijeva matricom  R1α.

 

Prvi način — sa simboličkim i cjelobrojnim veličinama:

  • matrica Rα i vektor rA:
       
(1212312312)
                                
                            

                                
       
(2,3)
                                
                            

                                
  • rotacija točke A:
       
(323+1,3+32)
                                
                            

                                
  • provjera jednakosti duljina:
       
13
12(332)2+(23+3)2
                                
                            

                                
       
13
                                
                            

                                
       
sqrt(13) == 1/2*sqrt((3*sqrt(3) - 2)^2 + (2*sqrt(3) + 3)^2)
sqrt(13) == 1/2*sqrt((3*sqrt(3) - 2)^2 + (2*sqrt(3) + 3)^2)
       
True
True
       
True
True
  • proračun je proveden s točnim cjelobrojnim i simboličkim veličinama, a „realne” su aproksimacije izračunane tek na kraju, pa su međusobno jednake.
  • Dodatak: vraćanje u početni položaj pomoću transponirane matrice:
       
(1212312312)
                                
                            

                                
       
(143(23+3)343+12,143(332)+123+34)
                                
                            

                                
       
(2,3)
                                
                            

                                
  • vraćanje u početni položaj pomoću inverzne matrice:
       
(1212312312)
                                
                            

                                
       
(2,3)
                                
                            

                                

 

Drugi način — s „realnim” brojevima:

  • matrica Rα i vektor rA:
       
(0.5000000000000000.8660254037844390.8660254037844390.500000000000000)
                                
                            

                                
       
(2.00000000000000, 3.00000000000000)
(2.00000000000000, 3.00000000000000)
  • rotacija točke A:
       
(-1.59807621135332, 3.23205080756888)
(-1.59807621135332, 3.23205080756888)
  • provjera jednakosti duljina:
       
3.60555127546399
3.60555127546399
False
3.60555127546399
3.60555127546399
False
    • kako se cijeli proračun provodio s približnim „realnim” brojevima, stvarna se jednakost izgubila: iako se brojevi u ispisanomu dijelu znamenaka ne razlikuju, „interni” se zapis brojeva razlikuje:
       
8118979690322419/2251799813685248
2029744922580605/562949953421312
8118979690322419/2251799813685248
2029744922580605/562949953421312
  • Dodatak: vraćanje u početni položaj pomoću transponirane matrice:
       
(0.5000000000000000.8660254037844390.8660254037844390.500000000000000)
                                
                            

                                
       
(2.00000000000000, 3.00000000000000)
(2.00000000000000, 3.00000000000000)
       
False
False
    • proračun je proveden s „realnim” brojevima, pa ne možemo očekivati jednakost; interni je zapis koordinata točaka:
       
(2, 3)
(2, 6755399441055745/2251799813685248)
(2, 3)
(2, 6755399441055745/2251799813685248)
  • vraćanje u početni položaj pomoću inverzne matrice:
       
(0.5000000000000000.8660254037844390.8660254037844390.500000000000000)
                                
                            

                                
       
(2.00000000000000, 3.00000000000000)
(2.00000000000000, 3.00000000000000)
       
False
False
       
False
False
    • interni je zapis koordinate točke D:
       
(9007199254740991/4503599627370496, 6755399441055745/2251799813685248)
(9007199254740991/4503599627370496, 6755399441055745/2251799813685248)


7. zadatak

Definirajte matricu

    D=[5,02,01,02,05,02,01,02,05,0].

Provjerite je li matrica D regularna i ako jest, izračunajte njezin inverz. Provjerite svojstvo  DD1=D1D=I.

Definicija matrice:

       
(5.02.01.02.05.02.01.02.05.0)
                                
                            

                                

Provjera regularnosti:

       
False
False

ili  (matrica je regularna ako je det(D)0):

       
72.0000000000000
72.0000000000000

Izračunavanje inverzne matrice:

       
(0.2916666666666670.1666666666666670.1250000000000000.1666666666666670.3333333333333330.1666666666666670.1250000000000000.1666666666666670.291666666666667)
                                
                            

                                

ili:

       

„Provjera” svojstva inverzne matrice:

       
False
False

Jednakost nije zadovoljena, jer „realna” aritmetika na računalu nije matematička realna aritmetika beskonačne točnosti, pa neke komponente, koje su u jediničnoj matrici nule:

       
(1.000000000000000.0000000000000000.0000000000000000.0000000000000001.000000000000000.0000000000000000.0000000000000000.0000000000000001.00000000000000)
                                
                            

                                

u umnošku  D * Dinv  nisu nule:

       
(1.000000000000001.11022302462516×10161.11022302462516×10161.66533453693773×10161.000000000000001.11022302462516×10161.11022302462516×10160.0000000000000001.00000000000000)
                                
                            

                                

Štoviše, iako su ispisane kao jedinice, ni „jedinice” nisu jedinice, kao što „interni” zapisi pokazuju:

       
4503599627370497/4503599627370496
4503599627370495/4503599627370496
4503599627370495/4503599627370496
4503599627370497/4503599627370496
4503599627370495/4503599627370496
4503599627370495/4503599627370496

Isto tako, nije zadovoljeno ni svojstvo

       
False
False


2. zadaci za vježbu

Definirajte matrice

    A=[2310410225141524]iB=[0211,520,511,511,5233042].

Izračunajte

  1. AB,
  2. determinantu matrice A,
  3. inverznu matricu matrice A i množenjem sa A provjerite da je rezultat jedinična matrica,
  4. transponiranu matricu matrice B.

Sve matrice prikažite pomoću funkcije show().

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Rješenja 1. zadataka za vježbu

Definirajte vektore  a=(1;3;2,1)  i  b=(1;5,3;0)

       
(1.00000000000000, 3.00000000000000, 2.10000000000000)
(-1.00000000000000, 5.30000000000000, 0.000000000000000)
(1.00000000000000, 3.00000000000000, 2.10000000000000)
(-1.00000000000000, 5.30000000000000, 0.000000000000000)

pa zatim izračunajte:

  •  c=3a4b
       
(7.00000000000000, -12.2000000000000, 6.30000000000000)
(7.00000000000000, -12.2000000000000, 6.30000000000000)
  •  duljine (ili: euklidske norme) vektora a i b
       
3.79605057922046
5.39351462406472
3.79605057922046
5.39351462406472
  •  skalarni umnožak vektora a i b
       
14.9000000000000
14.9000000000000
       
14.9000000000000
14.9000000000000
  •  vektorski umnožak vektora a i b
       
(-11.1300000000000, -2.10000000000000, 8.30000000000000)
(-11.1300000000000, -2.10000000000000, 8.30000000000000)
  •  kut između vektora  a i c
       
       
1.85438864827183
1.85438864827183
       
106.248643122946
106.248643122946
  •  ploštinu paralelograma određenoga vektorima a i b  (ploština je a×b)
       
14.0419692351180
14.0419692351180


Rješenja 2. zadataka za vježbu

 

Definirajte matrice

   A=[2310410225141524]iB=[0211,520,511,511,5233042].

       
(2310410225141524)
                                
                            

                                
       
(0.0000000000000002.000000000000001.000000000000001.500000000000002.000000000000000.5000000000000001.000000000000001.500000000000001.000000000000001.500000000000002.000000000000003.000000000000003.000000000000000.0000000000000004.000000000000002.00000000000000)
                                
                            

                                

Izračunajte:

  •  AB
       
(5.000000000000004.000000000000003.000000000000004.500000000000008.000000000000008.5000000000000013.000000000000011.500000000000023.00000000000000.00000000000000021.000000000000015.500000000000024.00000000000003.5000000000000024.000000000000020.0000000000000)
                                
                            

                                
  •  determinantu matrice A
       
84
84

        ili:

       
84
84
  •  inverznu matricu matrice A  (det,  pa matrica ima inverznu)
       

                                
                            

                                

        ili:

       

                                
                            

                                
       

                                
                            

                                
  • provjera da je \mathbf{A}\,\mathbf{A}^{\!-1} = \mathbf{I}
       

                                
                            

                                
       
True
True
       
True
True
    • budući da je u izračunavanju inverzne matrice upotrijebljena racionalna (a ne „realna”) aritmetika, rezultat je točan, a ne približan, pa je i rezultat množenja točan
       

                                
                            

                                
       

                                
                            

                                
       
False
False
       
False
False
    • za razliku od cjelobrojne, „realna” je aritmetika samo približna
  •  transponiranu matricu matrice \mathbf{B}
       

                                
                            

                                

        ili: