אקספוננט של מטריצות

בערך זה נעשה שימוש בסימנים מוסכמים מתחום המתמטיקה. להבהרת הסימנים ראו סימון מתמטי.

במתמטיקה אקספוננט של מטריצות הוא פונקציה הפועלת על מטריצות ריבועיות ומקבילה לפעולת האקספוננט של מספר (ממשי או מרוכב). לפונקציה זו חשיבות רבה בתחומי המתמטיקה והפיזיקה והיא משמשת לפתרון משוואות דיפרנציאליות ליניאריות. בתורת לי ניתן להשתמש באקספוננט המטריצי כדי לקשר את אלגברת לי של המטריצות המרוכבות עם חבורת לי המתאימה לה, שהיא החבורה הליניארית הכללית.

נהוג לסמן את פונקציה זו בסימונים $\exp (A)$ או $e^A$, זאת על אף שאין לפעולה משמעות במובן של הכפלת המספר e בעצמו.

הגדרה פורמלית

בהינתן מטריצה ריבועית מרוכבת $A\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ ניתן להגדיר את האקספוננט המטריצי:

$e^A:=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{k!}{A}^k$

כאשר $A^k$ הוא הכפלת המטריצה $A$ בעצמה $k$ פעמים ו-$k!$ היא פונקציית העצרת. הפלט של פונקציה זו יהיה מטריצה ריבועית מרוכבת בעלת אותם הממדים של $A$. את איברי אותה המטריצה יש לחשב על ידי חישוב הגבול איבר-איבר.

ניתן להראות שעל אף שההגדרה מכילה טור אינסופי, טור זה מתכנס לכל מטריצה $A$. כלומר, הטור מתכנס לכל איברי המטריצה ולכל קלט.

במקרה הפרטי שבו $n=1$ ההגדרה זהה לזו של אקספוננט של מספר.

תכונות

האקספוננט המטריצי מקיים את התכונות הבאות:

• $e^0=I$ כאשר $0$ היא מטריצת האפס ו-$I$ היא מטריצה היחידה.
• $\exp (A^T)=(\exp (A){)}^T$ כאשר $A^T$ היא המטריצה המשוחלפת של $A$.
• $\exp (A^{*})=(\exp (A){)}^{*}$ כאשר $A^{*}$ היא המטריצה הצמודה של $A$.
• $e^{\alpha A+\beta A}=e^{\alpha A}{e}^{\beta A}$
• $e^A{e}^{-A}=I$, כלומר $e^A$ תמיד הפיכה, ועל כן שייכת ל-$\mathrm{GL}(\mathbb{ℂ},n)$ שהיא החבורה הליניארית הכללית של $\mathbb{ℂ}$.
• לכל $B\in \mathrm{GL}(\mathbb{ℂ},n)$ (מטריצה מרוכבת הפיכה מגודל $n\times n$) קיימת מטריצה $A\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ כך ש: $\exp (A)=B$. כלומר, $\exp :{\mathbb{ℂ}}^{n\times n}\to \mathrm{GL}(\mathbf{𝐂},n)$ היא העתקה על ממרחב המטריצות (הכללי) למרחב המטריצות ההפיכות.
• בהינתן מטריצה $A\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ כלשהי ומטריצה הפיכה $U\in \mathrm{GL}(\mathbb{ℂ},n)$ מתקיימת הזהות $e^{U^{-1}AU}=U^{-1}{e}^{A}U$. כלומר, אם זוג מטריצות דומות אחת לשנייה, גם האקספוננטים שלהן דומים אחד לשני.
• הדטרמיננטה של האקספוננט ניתנת לחישוב על-ידי העקבה של המטריצה: $\det (e^A)=e^{\mathrm{tr}(A)}$

אופן חישוב

מטריצה נילפוטנטית

עבור מטריצה נילפוטנטית $A\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ מסדר $k$ (כלומר $A^k$ היא מטריצת האפס), הטור האינסופי בהגדרת האקספוננט המטריצי הופך להיות סכום סופי, מה שמקל על חישוב האקספוננט:

$\exp (A)=I+A+\frac{1}{2}{A}^2+\dots +\frac{1}{(k-1)!}{A}^{k-1}$

מטריצה אלכסונית

בהינתן מטריצה אלכסונית:

$D=\left(\begin{array}{cccc}{a}_1& 0& \cdots & 0\\ 0& a_2& \cdots & 0\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ 0& 0& \cdots & a_n\end{array}\right)$

ניתן לחשב את האקספוננט המטריצי בקלות רבה יחסית על ידי חישוב האקפוננט של מספר על כל אחד מאיברי האלכסון:

$e^D=\left(\begin{array}{cccc}{e}^{a_1}& 0& \cdots & 0\\ 0& e^{a_2}& \cdots & 0\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ 0& 0& \cdots & e^{a_n}\end{array}\right)$

מטריצה לכסינה

בהינתן מטריצה לכסינה כלשהי $A\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ קיימת מטריצה הפיכה $U\in \mathrm{GL}(\mathbb{ℂ},n)$ כלשהי כך ש-$D:=U^{-1}AU$ היא מטריצה אלכסונית. במקרה זה ניתן להשתמש בנוסחה $e^A=e^{UD{U}^{-1}}=U{e}^D{U}^{-1}$ כדי למצוא את האקספוננט של $A$.

מטריצה כללית

בהינתן מטריצה כללית $A\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$, על-פי פירוק ז'ורדן ניתן למצוא שתי מטריצות $B,N\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ כך ש:

1. $A=B+N$
2. $N$ מטריצה נילפוטנטית מסדר $k$ כלשהו
3. $B$ מטריצה לכסינה
4. $BN=NB$

בהינתן פירוק זה, חישוב האקספוננט המטריצי הופך פשוט:

$\exp (A)=\exp (B)\exp (N)$

כאשר את האקספוננטים מימין קל לחשב וסדר הכפל ביניהם קומוטטיבי.

אקספוננט של סכום

בניגוד לאקספוננט של מספרים (ממשיים או מרוכבים), השוויון $e^{A+B}=e^A{e}^B$ אינו מתקיים באופן כללי ונכון אך ורק עבור מטריצות מתחלפות, כלומר אם $AB=BA$.

עם זאת, ישנן נוסחאות אחרות המהוות תחליף לשוויון קלאסי זה.

נוסחת הכפל של לי

עבור כל זוג מטריצות $A,B\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ ניתן לחשב את $e^{A+B}$ בעזרת חישוב הגבול:

$e^{A+B}=\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }{\left(e^{\frac{A}{n}}{e}^{\frac{B}{n}}\right)}^n$

נוסחת זו נקראת נוסחת הכפל של לי על שם המתמטיקאי סופוס לי.

נוסחת קמפבל-בייקר-האוסדורף

עבור זוג מטריצות $A,B\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ נרצה למצוא מטריצה כלשהי $C\in {\mathbb{ℂ}}^{n\times n}$ כך שמתקיים השוויון $e^A{e}^B=e^C$. נוסחת בייקר-קמפבל-האוסדורף מאפשרת למצוא את מטריצה זו:

$C=A+B+\frac{1}{2}[A,B]+\frac{1}{12}[A,[A,B]]-\frac{1}{12}[B,[A,B]]+\cdots$

כאשר הפעולה $[,]$ היא פעולת הקומוטטור. כלומר, ניתן לחשב את $C$ על ידי סכום אינסופי של קומוטטורים של $A$ ו-$B$. קל לשים לב כי אם $A$ ו-$B$ מתחלפים כלל רכיבי הקומוטטור מתאפסים ומתקבל $C=A+B$ כצפוי.

הנוסחה נקראת על שמם של המתמטיקאים הנרי פרדריק בייקר, ג'ון אדוארד קמפבל ופליקס האוסדורף.

חישוב נומרי

חישוב נומרי של אקספונט של מטריצה הינה משימה לא פשוטה שרגישה לתכונות המטריצה שנרצה לבצע עליה את הפעולה.

חישוב נומרי של אקספוננטה מטריציונית (ME) ניתן לחלק לשתי משפחות עיקריות של אלגוריתמים:

1. אלגוריתמים ייעודיים – מותאמים לסוג מסוים של מטריצות (כמו מטריצות אלכסוניות). לרוב הם יציבים ומדויקים מאוד, אך עלולים להיכשל לחלוטין כאשר מופעלים על מטריצות "שגויות".
2. אלגוריתמים כלליים – מתאימים לכל סוג מטריצה, ולכן נפוצים במערכות חישוב גדולות. עם זאת, גם להם יש קבוצות מטריצות שמובילות לטעויות גדולות או להתבדרות.

דוגמאות עיקריות לאלגוריתמים

• טור טיילור: עוצר לפי שארית פיאנו. איטי ולא מדויק, במיוחד במטריצות עם ערכים קטנים (בגלל ביטול נומרי).
• קירוב פדֶה בשילוב Scaling & Squaring: יציב וחזק יותר מטיילור, אך נכשל במטריצות עם נורמות גדולות.
• שיטת קיילי–המילטון: מבוססת על פירוק טיילור, רגישה מאוד לשגיאות עיגול, במיוחד כאשר דרגת המטריצה נמוכה יחסית.

שיטות מבוססות ערכים עצמיים

• אינטרפולציית לגראנז': לרוב מאוד מדויקת, אך נכשלת כאשר קיימים ערכים עצמיים קרובים או בעלי ריבוי גבוה → מוביל לשגיאות ביטול ולאי-יציבות.
• אינטרפולציית ניוטון: דומה ללגראנז' וסובלת מאותן בעיות.
• L-EXPM: נועד לחשב את האקספוננטה המטריציונית (ME) בדיוק רב יותר עבור כל מטריצה ריבועית (ממשית או מרוכבת), והוא מבוסס על שיטת Putzer עם התאמות נומריות. בשלב הראשון מחשבים את הערכים העצמיים של המטריצה (באמצעות שיטות כמו לנקזוס), תוך טיפול בערכים עצמיים קרובים או קרובים לאפס כדי להפחית שגיאות ביטול. בשלב השני, במקום לפתור מערכת משוואות דיפרנציאליות רקורסיבית כמקורי, האלגוריתם מחשב את מקדמי הפירוק באופן איטרטיבי באמצעות פתרון אנליטי. כך מתקבלת שיטה יציבה יחסית, המשלבת את יתרונות הפירוק לערכים עצמיים עם קירוב איטרטיבי, ומתאימה גם למטריצות גדולות ומורכבות.

שיטות כלליות נוספות

• פתרון ODEs: מתבסס על כך שהאקספוננטה המטריציונית היא פתרון של מערכת דיפרנציאלית. כולל שיטות אוילר, אינטגרטורים אקספוננציאליים ו-Runge–Kutta.
• שיטות קרילוב: מותאמות למטריצות גדולות ודלילות. מדויקות ומהירות, אך מחזירות רק מכפלה של ME בווקטור (ולא את המטריצה עצמה).

שימושים

פתרון משוואות דיפרנציאליות

בבעיות פיזיקליות רבות מתחום המכניקה יש למצוא פונקציה רציפה וחלקה $f(t):\mathbb{ℝ}\to {\mathbb{ℝ}}^n$ אשר מקיימת את משוואת התנועה:

$\frac{df}{dt}=Af$

כאשר $A$ מטריצה ריבועית כלשהי מגודל $n\times n$, עם תנאי ההתחלה $f(0)=y_0$. למעשה, משוואת התנועה הזו בנויה מ-$n$ משוואות דפרנציאליות. פתרון מערכת משוואות אלו הוא:

$f(t)=e^{tA}{y}_0$

ראו גם

• אקספוננט
• קבוע אוילר
• אלגברת לי

קישורים חיצוניים

• אקספוננט של מטריצות, באתר MathWorld (באנגלית)
• How (and why) to raise e to the power of a matrix, בביצוע 3blue1brown, סרטון באתר יוטיוב

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

אקספוננט של מטריצות41888257Q1191722