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Informazioni sul corso
Questo è lo schema di un corso gratuito di autoapprendimento scritto da Saving Planets. Non è un corso universitario, non dà crediti accademici e nessuna scuola è coinvolta.
Il suo ambito segue un corso semestrale di algebra lineare del secondo anno. È modellato sui temi e sulla profondità di MIT 18.06 Linear Algebra tenuto da Gilbert Strang (gratuito su MIT OpenCourseWare) e sui corsi di algebra lineare del secondo anno di Georgia Tech e Purdue, usando il testo gratuito di Georgia Tech Interactive Linear Algebra di Dan Margalit e Joseph Rabinoff e il libro gratuito Linear Algebra di Jim Hefferon, che colleghiamo dove aiutano. Nessuno di quegli autori o istituti approva questa pagina.
Cosa aggiungiamo: ogni unità è collegata a un lavoro reale sul pianeta con una fonte pubblica citata (GPS, Landsat 9, satelliti del livello del mare della NASA, supercomputer meteorologici della NOAA, dati input–output e di riciclo dell’EPA, studi sugli edifici dell’USGS, spettrometro minerale EMIT della NASA), ogni numero della pagina viene ricalcolato da uno script di controllo prima della pubblicazione, e ogni laboratorio si svolge in un foglio di calcolo gratuito o su carta.
Seguilo in ordine. Ogni unità ha obiettivi, idee chiave, equazioni, esempi passo per passo, esercizi con soluzioni complete, errori comuni, flashcard e un quiz. I tuoi progressi sono salvati solo in questo browser.
Come questo corso aiuta a salvare il pianeta
L’algebra lineare è il linguaggio dei dati sul pianeta. Un pixel satellitare è un vettore, una posizione GPS è la soluzione di un sistema lineare, una previsione meteo sono milioni di equazioni risolte più e più volte, e l’inquinamento di un’economia può essere tracciato con una sola matrice.
Le stesse poche idee, eliminazione, proiezione, autovalori e SVD, trasformano misure grezze in mappe di foreste, tendenze del livello del mare e polveri minerali. Ogni unità termina con una breve sezione con fonti. I valori che non provengono da una fonte sono indicati come valori di esempio.
Prima di iniziare
Prerequisiti
- Algebra delle superiori: risolvere due equazioni in due incognite e lavorare con le funzioni.
- Analisi I aiuta con limiti e derivate in alcuni esempi, ma per la maggior parte del corso non serve l’analisi.
- Dimestichezza con un foglio di calcolo; Introduzione alla programmazione aiuta per le versioni Python facoltative dei laboratori.
- Analisi III ed Equazioni differenziali si abbinano bene a questo corso ma non sono richiesti.
Come studiare
- Fai prima ogni calcolo a mano su piccoli esempi (2 × 2 e 3 × 3), poi controllalo con un foglio di calcolo o una calcolatrice.
- Pensa ad Ax in due modi: come prodotti scalari delle righe con x, e come combinazione delle colonne di A.
- Verifica ogni risposta: sostituisci x in Ax = b, moltiplica A per la sua inversa o verifica Av = λv.
- Tieni traccia delle dimensioni: una matrice m × n per una n × p dà m × p, e dimensioni che non combaciano indicano un errore.
- Fai disegni in 2D e 3D: rette, piani, proiezioni e stiramenti rendono le regole facili da ricordare.
- Fai ogni esercizio su carta prima di aprire la risposta e ripeti i quiz qualche giorno dopo.
Attrezzatura di laboratorio (per i laboratori reali)
- Un computer con un foglio di calcolo gratuito (le sue funzioni MMULT, MINVERSE, MDETERM e LINEST fanno il lavoro matriciale).
- Carta millimetrata, un righello, un goniometro e una matita.
- Facoltativo: Python gratuito con NumPy per le versioni più grandi dei laboratori.
- Uno spago e puntine o nastro adesivo per il laboratorio di trilaterazione, e una mappa stampata o un foglio di carta.
- Una foto in scala di grigi o una piccola griglia di numeri per il laboratorio di compressione delle immagini.
Programma suggerito di 15 settimane
Circa 6-9 ore a settimana: lettura, esercizi e, nelle settimane di laboratorio, il laboratorio.
| Settimana | Unità | Argomenti | Lettura |
|---|---|---|---|
| 1 | Vettori: combinazioni lineari, lunghezze e prodotti scalari | Vettori, combinazioni lineari, span, lunghezza | MIT 18.06 L1; ILA 2.1–2.2 |
| 2 | Vettori: combinazioni lineari, lunghezze e prodotti scalari | Prodotti scalari, angoli, ortogonalità; Laboratorio A; inizio dell’eliminazione | ILA 6.1 |
| 3 | Sistemi di equazioni lineari ed eliminazione di Gauss | Eliminazione, forme a scala, insiemi di soluzioni; Laboratorio B | MIT 18.06 L2; ILA 1.1–1.3 |
| 4 | Algebra delle matrici: moltiplicazione, inverse e fattorizzazione LU | Moltiplicazione di matrici, inverse, A = LU; Laboratorio C | MIT 18.06 L3–4; ILA 3.4–3.5 |
| 5 | Modelli lineari: economia input–output (Leontief), reti e bilanciamento | Modelli input–output, reti, bilanciamento | Hefferon Topics; EPA USEEIO |
| 6 | Spazi vettoriali, sottospazi, indipendenza, base, rango e i quattro sottospazi fondamentali | Sottospazi, spazio delle colonne, nucleo, Ax = 0 | MIT 18.06 L5–7; ILA 2.6 |
| 7 | Spazi vettoriali, sottospazi, indipendenza, base, rango e i quattro sottospazi fondamentali | Indipendenza, base, dimensione, rango, quattro sottospazi; esercitazione di metà corso | MIT 18.06 L8–10; ILA 2.5, 2.7, 2.9 |
| 8 | Ortogonalità, proiezioni, minimi quadrati e Gram–Schmidt | Ortogonalità e proiezioni | MIT 18.06 L14–15; ILA 6.3 |
| 9 | Ortogonalità, proiezioni, minimi quadrati e Gram–Schmidt | Minimi quadrati, Gram–Schmidt, A = QR; Laboratorio D | MIT 18.06 L16–17; ILA 6.4–6.5 |
| 10 | Determinanti: proprietà, cofattori, regola di Cramer e volume | Determinanti, cofattori, regola di Cramer, volume | MIT 18.06 L18–20; ILA 4.1–4.3 |
| 11 | Autovalori e autovettori | Autovalori, autovettori, metodo delle potenze, modi | MIT 18.06 L21; ILA 5.1–5.2, 5.5 |
| 12 | Diagonalizzazione, potenze di matrici, catene di Markov e sistemi dinamici lineari | Diagonalizzazione, catene di Markov, sistemi dinamici; Laboratorio E | MIT 18.06 L22–25; ILA 5.4, 5.6 |
| 13 | La decomposizione ai valori singolari, l’analisi delle componenti principali e le matrici definite positive | Matrici definite positive e SVD | MIT 18.06 L27–29 |
| 14 | La decomposizione ai valori singolari, l’analisi delle componenti principali e le matrici definite positive | Approssimazione a rango basso, PCA, numero di condizionamento; Laboratorio F | MIT 18.06 L29; sito del libro di Strang |
| 15 | Ripasso | Ripasso ed esercitazione finale | Tutte le unità |
I tuoi progressi
Spunta unità e laboratori man mano che li finisci, e fai i quiz. Progressi e punteggi sono salvati solo in questo browser e non ci vengono mai inviati.
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Unità 1 · Settimane 1–2
Vettori: combinazioni lineari, lunghezze e prodotti scalari
Vettori in due, tre e n dimensioni, somma e moltiplicazione per scalare, combinazioni lineari e span, lunghezza, versori, prodotto scalare, angolo tra vettori, ortogonalità e le disuguaglianze di Cauchy–Schwarz e triangolare.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Sommare, scalare e combinare vettori a mano e con disegni.
- Calcolare lunghezze, versori e prodotti scalari.
- Trovare l’angolo tra due vettori e verificare l’ortogonalità.
- Descrivere lo span di uno, due o tre vettori.
Concetti chiave
- Un vettore in ℝⁿ è una lista ordinata di n numeri. In 2D e 3D è una freccia; in dimensioni più alte è una lista, come gli 11 valori di banda di un pixel satellitare.
- Una combinazione lineare c₁v₁ + c₂v₂ + … scala i vettori e li somma. Lo span è l’insieme di tutte le combinazioni lineari: una retta, un piano o tutto lo spazio.
- Lunghezza ‖v‖ = √(v·v). Dividendo per la lunghezza si ottiene un versore u = v/‖v‖ di lunghezza 1.
- Prodotto scalare v·w = v₁w₁ + v₂w₂ + … = ‖v‖‖w‖cos θ. Se v·w = 0 i vettori sono ortogonali (perpendicolari).
- Cauchy–Schwarz: |v·w| ≤ ‖v‖‖w‖. Disuguaglianza triangolare: ‖v + w‖ ≤ ‖v‖ + ‖w‖.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 1.1 Trova la lunghezza di v = (3, 4) e il versore nella sua direzione.
Mostra i passaggi
- ‖v‖ = √(3² + 4²) = √25 = 5.
- u = v/5.
Risposta: ‖v‖ = 5, u = (0.6, 0.8).
Esempio 1.2 Trova l’angolo tra v = (3, 4) e w = (1, 2).
Mostra i passaggi
- v·w = 3 + 8 = 11.
- ‖v‖ = 5, ‖w‖ = √5 = 2.236.
- cos θ = 11/(5 × 2.236) = 0.9839.
Risposta: θ = 10.30°.
Esempio 1.3 Scrivi 2(1, 0, 1) + 3(0, 1, 1) come un unico vettore. (2, 3, 4) appartiene allo span di questi due vettori?
Mostra i passaggi
- 2(1, 0, 1) + 3(0, 1, 1) = (2, 3, 5).
- Ogni combinazione c₁(1, 0, 1) + c₂(0, 1, 1) = (c₁, c₂, c₁ + c₂), quindi la terza componente deve essere la somma delle prime due.
Risposta: (2, 3, 5); (2, 3, 4) non è nello span perché 2 + 3 ≠ 4.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Trova ‖(1, 2, 2)‖.
Mostra la risposta
√(1 + 4 + 4) = 3.
Trova (1, 2, 3)·(4, −5, 6).
Mostra la risposta
4 − 10 + 18 = 12.
(2, −1) e (1, 2) sono ortogonali?
Mostra la risposta
Yes: 2 − 2 = 0.
Trova il versore nella direzione di (6, 8).
Mostra la risposta
‖(6, 8)‖ = 10, quindi (0.6, 0.8).
Errori concettuali comuni
Mito: Il prodotto scalare è un vettore.
In realtà: È un solo numero (uno scalare).
Mito: ‖v + w‖ = ‖v‖ + ‖w‖ sempre.
In realtà: Solo quando v e w puntano nello stesso verso; altrimenti è minore.
Mito: I vettori hanno senso solo in 2D o 3D.
In realtà: I vettori di dati possono avere centinaia di componenti; valgono le stesse regole.
Flashcard
Combinazione lineare
c₁v₁ + c₂v₂ + …
Span
Tutte le combinazioni lineari di un insieme di vettori.
Lunghezza
‖v‖ = √(v·v).
Prodotto scalare
v·w = Σ vᵢwᵢ = ‖v‖‖w‖cos θ.
Ortogonale
v·w = 0.
Versore
v/‖v‖.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Ogni pixel di Landsat 9 è un vettore. Secondo l’USGS, l’Operational Land Imager 2 di Landsat 9 registra 9 bande spettrali a 30 m (15 m per la banda pancromatica) e il suo Thermal Infrared Sensor 2 registra 2 bande termiche a 100 m, così ogni punto al suolo diventa una lista di 11 numeri. I dati sono a 14 bit, 2¹⁴ = 16384 livelli per banda, e Landsat 9 acquisisce circa 750 scene al giorno, tutte gratuite.
La salute di foreste e colture si legge dalla banda rossa (banda 4, 0.64–0.67 µm) e dalla banda del vicino infrarosso (banda 5, 0.85–0.88 µm). L’indice di vegetazione NDVI = (NIR − red)/(NIR + red) confronta due componenti del vettore pixel. Con riflettanze di esempio di 0.40 (NIR) e 0.08 (rosso), NDVI = 0.32/0.48 = 0.667, tipico di vegetazione sana; il suolo nudo dà valori vicini a zero.
Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Deforestazione
Fonti: USGS: Landsat 9 · Interactive Linear Algebra, 2.1 Vectors
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 2.1 Vectors: Testo gratuito con figure interattive.
- Interactive Linear Algebra, 6.1 Dot products and orthogonality: Lunghezze, angoli e ortogonalità.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezione 1: la geometria delle equazioni lineari.
- PhET: Vector Addition: Interattivo.
Unità 2 · Settimane 2–3
Sistemi di equazioni lineari ed eliminazione di Gauss
Sistemi lineari visti per righe e per colonne, matrici aumentate, eliminazione fino alla forma a scala, sostituzione all’indietro, forma a scala ridotta, pivot e variabili libere, e quando un sistema ha una, nessuna o infinite soluzioni.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Scrivere un sistema come Ax = b e come matrice aumentata.
- Risolvere sistemi per eliminazione e sostituzione all’indietro.
- Trovare la forma a scala ridotta e individuare pivot e variabili libere.
- Decidere se un sistema ha una, nessuna o infinite soluzioni.
Concetti chiave
- Vista per righe: ogni equazione è una retta (2D) o un piano (3D) e la soluzione è dove si incontrano. Vista per colonne: b è una combinazione delle colonne di A, con pesi x.
- Tre operazioni di riga non cambiano le soluzioni: scambiare righe, moltiplicare una riga per un numero non nullo e sommare a una riga un multiplo di un’altra.
- L’eliminazione produce una forma triangolare superiore (a scala); la sostituzione all’indietro risolve poi dal basso verso l’alto. I pivot sono i primi elementi non nulli di ogni riga.
- Una colonna senza pivot dà una variabile libera e infinite soluzioni. Una riga 0 = c con c ≠ 0 significa nessuna soluzione (incompatibile).
- Equazioni di distanza al quadrato come (x − a)² + (y − b)² = d² non sono lineari, ma sottraendone una da un’altra si eliminano x² e y² e restano equazioni lineari. È così che i problemi di posizionamento diventano sistemi lineari.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 2.1 Risolvi x + y + z = 6, 2x + y − z = 1, x − y + 2z = 5.
Mostra i passaggi
- R₂ − 2R₁: −y − 3z = −11. R₃ − R₁: −2y + z = −1.
- R₃ − 2R₂: 7z = 21, quindi z = 3.
- Sostituzione all’indietro: −y − 9 = −11 dà y = 2; poi x = 6 − 2 − 3 = 1.
Risposta: (x, y, z) = (1, 2, 3).
Esempio 2.2 Dei radiofari si trovano in (0, 0), (10, 0) e (0, 10) km. Un ricevitore misura distanze al quadrato di 25, 65 e 45 km². Trova la sua posizione.
Mostra i passaggi
- Equazione 1 meno equazione 2: x² + y² − [(x − 10)² + y²] = 25 − 65, quindi 20x − 100 = −40.
- Equazione 1 meno equazione 3: 20y − 100 = −20.
- Risolvi le due equazioni lineari.
Risposta: (x, y) = (3, 4) km.
Esempio 2.3 Quante soluzioni hanno x + 2y = 3, 2x + 4y = 6? E x + 2y = 3, 2x + 4y = 7?
Mostra i passaggi
- R₂ − 2R₁ dà 0 = 0 nel primo sistema: un pivot, una variabile libera.
- Nel secondo, R₂ − 2R₁ dà 0 = 1.
Risposta: Infinite; nessuna.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Risolvi x + y = 5, x − y = 1.
Mostra la risposta
Sommando si ottiene 2x = 6: x = 3, y = 2.
Un segnale di tipo GPS impiega 0.00505783 s ad arrivare. Quanta strada ha percorso a 299792458 m/s?
Mostra la risposta
d = ct = 1516299 m, circa 1516 km.
Trova la forma a scala ridotta di [[1, 2, 3], [2, 5, 8]] (aumentata).
Mostra la risposta
R₂ − 2R₁ = [0, 1, 2]; R₁ − 2R₂ = [1, 0, −1]: x = −1, y = 2.
Un sistema 3 × 5 ha 3 pivot. Quante variabili libere ci sono?
Mostra la risposta
5 − 3 = 2.
Errori concettuali comuni
Mito: Moltiplicare una riga per 0 è un’operazione di riga lecita.
In realtà: Distrugge informazione; il moltiplicatore deve essere non nullo.
Mito: Un sistema con più incognite che equazioni non ha soluzione.
In realtà: Se compatibile ne ha infinite; può anche essere incompatibile.
Mito: Una riga nulla significa nessuna soluzione.
In realtà: Solo una riga 0 = c con c ≠ 0 lo significa; 0 = 0 indica solo una variabile libera.
Flashcard
Matrice aumentata
[A | b].
Pivot
Primo elemento non nullo di una riga in forma a scala.
Variabile libera
Variabile la cui colonna non ha pivot.
RREF
Pivot uguali a 1, zeri sopra e sotto.
Incompatibile
Una riga 0 = c, c ≠ 0.
Sostituzione all’indietro
Risolvere il sistema triangolare dal basso verso l’alto.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Il GPS è una macchina di algebra lineare. GPS.gov riferisce che almeno 24 satelliti operativi sono disponibili il 95% del tempo e che 31 satelliti operativi sono in volo da più di un decennio, a circa 20200 km di quota, e ognuno compie due giri della Terra al giorno. Sono disposti su sei piani orbitali equidistanti così che gli utenti vedano almeno quattro satelliti da praticamente qualsiasi punto del pianeta.
L’attività di trilaterazione di GPS.gov spiega l’idea: distanza = velocità × tempo, con la velocità pari a quella della luce, 299792458 m/s, e le distanze da almeno 3 satelliti fissano una posizione 3D. Anche l’orologio di un ricevitore reale è incognito, quindi nel modello standard dei manuali le incognite sono x, y, z e lo scarto dell’orologio, quattro incognite che richiedono quattro satelliti; sottraendo le equazioni di distanza, come nell’esempio svolto, si ottiene un sistema lineare. Un errore d’orologio di un solo microsecondo sposterebbe una distanza di 299.8 m. Posizioni precise guidano trattori che spargono meno fertilizzante, navi su rotte efficienti e le stazioni di rilievo che misurano livello del mare e ghiaccio.
Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Spazio
Fonti: GPS.gov: Space segment · GPS.gov: Trilateration (NOAA classroom activity)
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 1.1 Systems of linear equations: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 1.2 Row reduction: Forme a scala passo dopo passo.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezione 2: eliminazione con le matrici.
- Jim Hefferon, Linear Algebra (free text): Capitolo uno: sistemi lineari.
Unità 3 · Settimana 4
Algebra delle matrici: moltiplicazione, inverse e fattorizzazione LU
Prodotti matrice–vettore e matrice–matrice, le regole (e le non-regole) dell’algebra delle matrici, trasposte, matrici di eliminazione, l’inversa e Gauss–Jordan, la formula dell’inversa 2 × 2, A = LU e il costo dell’eliminazione.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Moltiplicare matrici controllando che le dimensioni combacino.
- Trovare inverse con la formula 2 × 2 e con Gauss–Jordan.
- Fattorizzare A = LU e usarla per risolvere sistemi.
- Stimare il costo dell’eliminazione al crescere di n.
Concetti chiave
- (AB)ᵢⱼ = prodotto scalare della riga i di A con la colonna j di B. Una matrice m × n per una n × p è m × p. In generale AB ≠ BA.
- L’inversa A⁻¹ soddisfa AA⁻¹ = A⁻¹A = I. Esiste esattamente quando A ha n pivot (det A ≠ 0). (AB)⁻¹ = B⁻¹A⁻¹ e (AB)ᵀ = BᵀAᵀ.
- Gauss–Jordan: ridurre per righe [A | I] a [I | A⁻¹].
- L’eliminazione senza scambi di righe registra i moltiplicatori in una L triangolare inferiore con uni sulla diagonale, ottenendo A = LU. Risolvi Lc = b, poi Ux = c; con L e U salvate, ogni nuovo termine noto costa poco.
- L’eliminazione su una matrice n × n costa circa n³/3 operazioni di moltiplicazione–somma; risolvere con L e U salvate costa circa n² per termine noto.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 3.1 Trova AB e BA per A = [[1, 2], [3, 4]] e B = [[0, 1], [1, 0]].
Mostra i passaggi
- AB: riga 1 · colonne = (2, 1); riga 2 = (4, 3).
- BA scambia le righe di A: [[3, 4], [1, 2]].
Risposta: AB = [[2, 1], [4, 3]], BA = [[3, 4], [1, 2]], quindi AB ≠ BA.
Esempio 3.2 Inverti A = [[4, 7], [2, 6]].
Mostra i passaggi
- ad − bc = 24 − 14 = 10.
- A⁻¹ = (1/10)[[6, −7], [−2, 4]].
Risposta: A⁻¹ = [[0.6, −0.7], [−0.2, 0.4]].
Esempio 3.3 Fattorizza A = [[2, 1], [6, 8]] come LU.
Mostra i passaggi
- Moltiplicatore ℓ₂₁ = 6/2 = 3.
- R₂ − 3R₁ = [0, 5].
Risposta: L = [[1, 0], [3, 1]], U = [[2, 1], [0, 5]].
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Che dimensione ha una matrice 3 × 2 per una 2 × 4?
Mostra la risposta
3 × 4.
Inverti [[2, 1], [5, 3]].
Mostra la risposta
det = 1, inversa [[3, −1], [−5, 2]].
Circa quante operazioni richiede l’eliminazione per n = 1000?
Mostra la risposta
n³/3 ≈ 3.33 × 10⁸.
Se A e B sono invertibili, quanto vale (AB)⁻¹?
Mostra la risposta
B⁻¹A⁻¹.
Errori concettuali comuni
Mito: AB = BA.
In realtà: Il prodotto di matrici di solito non è commutativo.
Mito: (AB)⁻¹ = A⁻¹B⁻¹.
In realtà: L’ordine si inverte: B⁻¹A⁻¹.
Mito: I computer risolvono Ax = b calcolando A⁻¹.
In realtà: Fattorizzano A = LU (o simili); formare A⁻¹ è più lento e meno accurato.
Flashcard
Identità
AI = IA = A.
Inversa
AA⁻¹ = I.
Inversa 2 × 2
Scambia a e d; cambia segno a b e c; dividi per ad − bc.
Regola della trasposta
(AB)ᵀ = BᵀAᵀ.
LU
A = LU dall’eliminazione.
Costo
Circa n³/3 per l’eliminazione.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Le previsioni meteo e climatiche sono, in sostanza, enormi calcoli di algebra lineare ripetuti molte volte al giorno. La NOAA ha comunicato nell’agosto 2023 che i suoi due supercomputer operativi gemelli, Dogwood a Manassas, in Virginia, e Cactus a Phoenix, in Arizona, sono stati potenziati del 20% fino a 14.5 petaflops ciascuno, così che insieme il sistema di previsione può eseguire 29 milioni di miliardi di calcoli al secondo, e che con i supercomputer di ricerca la capacità totale è di 49 petaflops.
La regola n³/3 mostra perché la velocità conta. Come esempio, un sistema denso con n = 100000 incognite richiede circa 3.33 × 10¹⁴ operazioni; a 14.5 × 10¹⁵ operazioni al secondo sostenute sono circa 0.023 s, ma raddoppiare n moltiplica il lavoro per 8. I modelli reali usano matrici sparse e risolutori ingegnosi, ma è proprio questa crescita cubica che, secondo la NOAA, la potenza extra servirà a coprire: modelli a risoluzione più alta che migliorano previsioni e allerte.
Su Saving Planets: Introduzione alla programmazione · Soluzioni
Fonti: NOAA: NOAA completes upgrade to weather and climate supercomputer system (Aug. 10, 2023) · MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010)
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 3.4 Matrix multiplication: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 3.5 Matrix inverses: Inverse e Gauss–Jordan.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni 3–4: moltiplicazione, inverse e A = LU.
- MIT OpenCourseWare 18.06SC Linear Algebra (self-paced, Fall 2011): Video di esercitazione su LU.
Unità 4 · Settimana 5
Modelli lineari: economia input–output (Leontief), reti e bilanciamento
Costruire modelli lineari da sistemi reali: il modello input–output di Leontief x = Ax + d e la sua soluzione x = (I − A)⁻¹d, modelli estesi all’ambiente che trasformano la spesa in emissioni, flussi su reti e bilanciamento delle equazioni chimiche.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Impostare e risolvere un modello input–output di Leontief.
- Interpretare gli elementi di (I − A)⁻¹.
- Estendere un modello input–output con intensità di emissione per trovare un’impronta.
- Scrivere problemi di bilancio dei flussi e di bilancio chimico come sistemi lineari.
Concetti chiave
- In un modello input–output, la colonna j della matrice dei consumi A elenca ciò che il settore j acquista da ciascun settore per produrre un dollaro di output.
- L’output totale x deve coprire ciò che usano le industrie (Ax) più la domanda finale d: x = Ax + d, quindi (I − A)x = d e x = (I − A)⁻¹d.
- L’elemento (i, j) dell’inversa di Leontief (I − A)⁻¹ è l’output totale del settore i necessario, direttamente e attraverso tutte le filiere, per un dollaro di domanda finale rivolta al settore j.
- I modelli estesi all’ambiente moltiplicano l’output per una riga di intensità di emissione e (per esempio kg CO₂ per dollaro): impronta = e·x.
- Anche le leggi di conservazione danno equazioni lineari: il flusso entrante è uguale a quello uscente in ogni nodo di una rete, e gli atomi di ciascun elemento si bilanciano in una reazione chimica.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 4.1 Un’economia a due settori ha A = [[0.2, 0.3], [0.1, 0.4]] e domanda finale d = (100, 50) (valori di esempio, milioni di $). Trova l’output totale.
Mostra i passaggi
- I − A = [[0.8, −0.3], [−0.1, 0.6]], det = 0.48 − 0.03 = 0.45.
- (I − A)⁻¹ = (1/0.45)[[0.6, 0.3], [0.1, 0.8]].
- x = (1/0.45)(60 + 15, 10 + 40).
Risposta: x = (166.7, 111.1) milioni di $.
Esempio 4.2 Con intensità di emissione di esempio e = (0.5, 2.0) kg CO₂ per dollaro, trova l’impronta di quella domanda finale.
Mostra i passaggi
- impronta = 0.5 × 166.7 + 2.0 × 111.1 (in kg per $ × milioni di $).
Risposta: 305.6 milioni di kg = 305.6 kt CO₂ (esempio).
Esempio 4.3 Bilancia x CH₄ + y O₂ → z CO₂ + w H₂O.
Mostra i passaggi
- C: x = z. H: 4x = 2w. O: 2y = 2z + w.
- Set x = 1: z = 1, w = 2, y = 2.
Risposta: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Nel modello svolto, quanto output del settore 1 richiede in totale 1 $ di domanda finale per il settore 2?
Mostra la risposta
Elemento (1, 2) di (I − A)⁻¹ = 0.3/0.45 = 0.667.
Un’economia a un solo settore usa 0.25 del proprio output. Quale output totale soddisfa una domanda di 300?
Mostra la risposta
x = 300/(1 − 0.25) = 400.
Un nodo ha flussi entranti 40 e 25 e un flusso uscente f₁ più un flusso uscente di 30. Trova f₁.
Mostra la risposta
f₁ = 65 − 30 = 35.
Bilancia H₂ + O₂ → H₂O.
Mostra la risposta
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.
Errori concettuali comuni
Mito: L’output totale è uguale alla domanda finale.
In realtà: Le industrie consumano anche l’output l’una dell’altra, quindi x è maggiore di d.
Mito: L’impronta deriva solo dal settore da cui si acquista.
In realtà: L’inversa di Leontief somma tutti i fornitori a monte.
Mito: Qualsiasi A dà un’economia sensata.
In realtà: Le somme delle colonne devono essere minori di 1 perché (I − A)⁻¹ abbia elementi non negativi.
Flashcard
Matrice dei consumi
Input per dollaro di output.
Modello di Leontief
x = Ax + d.
Inversa di Leontief
(I − A)⁻¹, fabbisogni totali.
Modello esteso
impronta = e·x.
Bilancio dei flussi
Entrata = uscita in ogni nodo.
Sistema omogeneo
Ax = 0.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
L’EPA statunitense usa proprio questo modello per tracciare l’inquinamento attraverso l’economia. Secondo l’EPA, i suoi modelli USEEIO combinano dati sulle transazioni economiche tra 389 settori industriali con dati ambientali su quei settori, che coprono uso di suolo, acqua, energia e minerali, inquinamento atmosferico, nutrienti e sostanze tossiche, per valutare gli impatti di beni e servizi. L’EPA li descrive come utili per il calcolo dell’impronta di carbonio, e supportano il suo lavoro di gestione sostenibile dei materiali.
Una matrice dei consumi a 389 settori ha 389² = 151321 elementi, troppi per il calcolo a mano ma facili per i metodi di eliminazione e LU dell’unità 3. L’inversa di Leontief è ciò che permette a una città, un’azienda o una famiglia di vedere le emissioni nascoste nelle sue filiere, non solo ai cancelli della fabbrica.
Su Saving Planets: Soluzioni · Chimica Generale I
Fonti: U.S. EPA: US Environmentally-Extended Input-Output (USEEIO) models · Interactive Linear Algebra, 1.1 Systems of linear equations
Risorse di apprendimento gratuite
- U.S. EPA: US Environmentally-Extended Input-Output (USEEIO) models: I modelli input–output estesi all’ambiente dell’EPA.
- Jim Hefferon, Linear Algebra (free text): Argomento: analisi input–output di Leontief.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni ed esercizi sulle applicazioni.
- Interactive Linear Algebra, 1.2 Row reduction: Risolvere i sistemi.
Unità 5 · Settimane 6–7
Spazi vettoriali, sottospazi, indipendenza, base, rango e i quattro sottospazi fondamentali
Spazi vettoriali e sottospazi, spazio delle colonne e nucleo, risoluzione completa di Ax = 0 e Ax = b, indipendenza lineare, base e dimensione, rango, teorema del rango e i quattro sottospazi fondamentali di Strang.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Verificare se un insieme è un sottospazio.
- Trovare basi per lo spazio delle colonne e il nucleo di una matrice.
- Verificare l’indipendenza lineare di vettori.
- Usare il teorema del rango e le dimensioni dei quattro sottospazi fondamentali.
Concetti chiave
- Un sottospazio contiene il vettore nullo ed è chiuso rispetto alla somma e alla moltiplicazione per scalari. Rette e piani passanti per l’origine sono sottospazi; quelli che non passano per l’origine no.
- Spazio delle colonne C(A): tutti gli Ax, l’insieme dei b per cui Ax = b è risolubile. Nucleo N(A): tutti gli x con Ax = 0.
- I vettori sono linearmente indipendenti se l’unica combinazione che dà zero è quella con tutti i coefficienti nulli. Una base è un insieme generatore indipendente; ogni base di uno spazio ha lo stesso numero di vettori, la sua dimensione.
- Rango r = numero di pivot = dim C(A). Teorema del rango: r + dim N(A) = n, il numero di colonne.
- Quattro sottospazi fondamentali di una matrice m × n di rango r: C(A) (dim r) e N(Aᵀ) (dim m − r) in ℝᵐ; C(Aᵀ) (dim r) e N(A) (dim n − r) in ℝⁿ. N(A) è ortogonale allo spazio delle righe.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 5.1 Trova il rango e una base del nucleo di A = [[1, 2, 3], [2, 4, 6], [1, 0, 1]].
Mostra i passaggi
- R₂ − 2R₁ = 0; R₃ − R₁ = [0, −2, −2]. Due pivot, quindi r = 2.
- Ax = 0: x + z = 0 e −2y − 2z = 0, con z libera.
- Prendi z = 1: x = −1, y = −1.
Risposta: r = 2, N(A) generato da (−1, −1, 1); dim N(A) = 3 − 2 = 1.
Esempio 5.2 (1, 2, 3), (4, 5, 6), (7, 8, 9) sono indipendenti?
Mostra i passaggi
- Riduci per righe la matrice con queste colonne: R₂ − 2R₁ e R₃ − 3R₁ danno le righe [0, −3, −6] e [0, −6, −12], che sono multiple.
- Solo due pivot.
Risposta: No: (7, 8, 9) = 2(4, 5, 6) − (1, 2, 3).
Esempio 5.3 Una matrice 5 × 8 ha rango 3. Indica le dimensioni dei suoi quattro sottospazi fondamentali.
Mostra i passaggi
- C(A) e C(Aᵀ): r = 3.
- N(A): n − r = 8 − 3; N(Aᵀ): m − r = 5 − 3.
Risposta: 3, 3, 5 e 2.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
La retta y = 2x + 1 è un sottospazio di ℝ²?
Mostra la risposta
No: non contiene (0, 0).
Una matrice 4 × 4 ha un nucleo di dimensione 2. Qual è il suo rango?
Mostra la risposta
4 − 2 = 2.
Qual è la dimensione dello spazio delle matrici 2 × 2?
Mostra la risposta
4.
4 vettori in ℝ³ possono essere indipendenti?
Mostra la risposta
No: al massimo 3.
Errori concettuali comuni
Mito: Ogni piano in ℝ³ è un sottospazio.
In realtà: Solo i piani passanti per l’origine.
Mito: Il rango conta gli elementi non nulli.
In realtà: Conta i pivot (colonne indipendenti).
Mito: Il nucleo vive nello stesso spazio di b.
In realtà: N(A) sta in ℝⁿ (lato x); b sta in ℝᵐ.
Flashcard
Sottospazio
Contiene 0; chiuso rispetto a + e alla moltiplicazione per scalari.
Spazio delle colonne
All Ax.
Nucleo
Tutti gli x con Ax = 0.
Base
Insieme generatore indipendente.
Rango
Numero di pivot.
Teorema del rango
r + dim N(A) = n.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
La dimensione conta le incognite, e previsioni migliori ne richiedono di più. La NOAA ha detto che il potenziamento dei supercomputer del 2023 avrebbe permesso al Global Forecast System statunitense di migliorare la risoluzione orizzontale da 13 km a 9 km, aiutando a vedere e simulare fenomeni a scala più piccola.
Una griglia con passo h ha circa (1/h)² colonne per unità di area, quindi passare da 13 km a 9 km moltiplica il numero di colonne della griglia per (13/9)² = 2.09. Ognuna di queste colonne porta temperatura, vento, umidità e pressione a molti livelli, così il vettore di stato di una previsione vive in uno spazio di dimensione enormemente maggiore, e le matrici che lo aggiornano crescono di conseguenza.
Su Saving Planets: Analisi III · Equazioni differenziali
Fonti: NOAA: NOAA completes upgrade to weather and climate supercomputer system (Aug. 10, 2023) · Interactive Linear Algebra, 2.7 Basis and dimension
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 2.6 Subspaces: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 2.5 Linear independence: Test di indipendenza.
- Interactive Linear Algebra, 2.9 The rank theorem: Rango e nullità.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni 5–10: spazi, rango e i quattro sottospazi.
Unità 6 · Settimane 8–9
Ortogonalità, proiezioni, minimi quadrati e Gram–Schmidt
Vettori e sottospazi ortogonali, proiezione su una retta e su un sottospazio, le equazioni normali AᵀAx̂ = Aᵀb, adattamento di rette e curve ai dati con i minimi quadrati, basi ortonormali, Gram–Schmidt e A = QR.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Proiettare un vettore su una retta e su uno spazio delle colonne.
- Adattare una retta ai dati con le equazioni normali.
- Costruire una base ortonormale con Gram–Schmidt.
- Spiegare perché i minimi quadrati sono una proiezione.
Concetti chiave
- La proiezione di b sulla retta per a è p = (a·b/a·a) a; l’errore e = b − p è ortogonale ad a.
- Quando Ax = b non ha soluzione (più equazioni che incognite, dati rumorosi), si sceglie x̂ in modo che ‖b − Ax̂‖ sia il più piccolo possibile. L’errore deve essere ortogonale a C(A), il che dà le equazioni normali AᵀAx̂ = Aᵀb.
- Per una retta y = C + Dt per i punti (tᵢ, yᵢ), le colonne di A sono una colonna di uni e i valori tᵢ.
- I vettori ortonormali qᵢ soddisfano qᵢ·qⱼ = 0 (i ≠ j) e ‖qᵢ‖ = 1. Se Q ha colonne ortonormali, QᵀQ = I e le proiezioni diventano p = QQᵀb.
- Gram–Schmidt sottrae a ogni nuovo vettore le sue proiezioni sui precedenti, poi normalizza. Il risultato è A = QR con R triangolare superiore.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 6.1 Proietta b = (2, 3) su a = (1, 1).
Mostra i passaggi
- a·b = 5, a·a = 2.
- p = 2.5(1, 1); e = b − p = (−0.5, 0.5), ed e·a = 0.
Risposta: p = (2.5, 2.5).
Esempio 6.2 Adatta y = C + Dt a (0, 1), (1, 2), (2, 4) con i minimi quadrati.
Mostra i passaggi
- A ha righe (1, 0), (1, 1), (1, 2); AᵀA = [[3, 3], [3, 5]], Aᵀb = (7, 10).
- det = 6; C = (5 × 7 − 3 × 10)/6, D = (3 × 10 − 3 × 7)/6.
Risposta: C = 0.833, D = 1.5: y = 0.833 + 1.5t.
Esempio 6.3 Applica Gram–Schmidt a a₁ = (1, 1, 0), a₂ = (1, 0, 1).
Mostra i passaggi
- q₁ = (1, 1, 0)/√2.
- a₂ − (a₂·q₁)q₁ = (1, 0, 1) − ½(1, 1, 0) = (0.5, −0.5, 1), di lunghezza √1.5 = 1.225.
Risposta: q₁ = (0.707, 0.707, 0), q₂ = (0.408, −0.408, 0.816).
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Proietta (3, 4) su (1, 0).
Mostra la risposta
(3, 0).
Scrivi le equazioni normali per adattare y = Dt (senza intercetta) a (1, 2), (2, 3).
Mostra la risposta
Σt² D = Σty: 5D = 8, D = 1.6.
Q = [[0, 1], [1, 0]] è ortogonale?
Mostra la risposta
Yes: QᵀQ = I.
Se b è già in C(A), qual è l’errore ai minimi quadrati?
Mostra la risposta
Zero: p = b.
Errori concettuali comuni
Mito: I minimi quadrati risolvono Ax = b esattamente.
In realtà: Trovano l’Ax̂ più vicino quando non esiste una soluzione esatta.
Mito: Qualsiasi base rende facili le proiezioni.
In realtà: Le basi ortonormali sì; altrimenti serve (AᵀA)⁻¹.
Mito: Un adattamento rettilineo significa che i dati sono lineari.
In realtà: Controlla i residui; una curva può adattarsi meglio (aggiungi una colonna t²).
Flashcard
Proiezione su una retta
p = (a·b/a·a)a.
Equazioni normali
AᵀAx̂ = Aᵀb.
Matrice di proiezione
P = A(AᵀA)⁻¹Aᵀ.
Ortonormale
qᵢ·qⱼ = 0, ‖qᵢ‖ = 1.
Gram–Schmidt
Sottrarre le proiezioni, normalizzare.
QR
A = QR.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
L’innalzamento del livello del mare si misura adattando curve a dati satellitari rumorosi. La NASA riferisce che gli altimetri satellitari, TOPEX/Poseidon, Jason-1, -2 e -3 e ora Sentinel-6 Michael Freilich, seguono il livello medio globale del mare dal 1993, che da allora è salito di 114.4 mm, e che il ritmo di crescita è passato da 0.08 pollici l’anno (0.20 cm l’anno) nel 1993 a 0.17 pollici l’anno (0.44 cm l’anno) oggi, circa 2.2 volte più veloce.
Un adattamento rettilineo ai minimi quadrati dà un ritmo medio; aggiungere una colonna t² ad A adatta una curva la cui pendenza variabile misura l’accelerazione descritta dalla NASA. Il Laboratorio D adatta dati di esempio con l’andamento della serie NASA usando esattamente le equazioni normali di questa unità.
Su Saving Planets: Oceani · Osservazione della Terra
Fonti: NASA: Global mean sea level (Vital Signs) · Interactive Linear Algebra, 6.5 The method of least squares
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 6.3 Orthogonal projection: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 6.5 The method of least squares: I minimi quadrati per immagini.
- Interactive Linear Algebra, 6.4 Orthogonal sets: Gram–Schmidt.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni 14–17: ortogonalità, proiezioni, minimi quadrati, Gram–Schmidt.
Unità 7 · Settimana 10
Determinanti: proprietà, cofattori, regola di Cramer e volume
Il determinante dalle sue proprietà, il calcolo per eliminazione e per sviluppo in cofattori, det(AB) = det A det B, il criterio di invertibilità, la regola di Cramer e il determinante come fattore di scala di area o volume di un’applicazione lineare.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Calcolare determinanti 2 × 2 e 3 × 3 per cofattori e per eliminazione.
- Usare le proprietà dei determinanti rispetto alle operazioni sulle righe.
- Risolvere piccoli sistemi con la regola di Cramer.
- Interpretare |det A| come fattore di scala di area o volume.
Concetti chiave
- det A ≠ 0 esattamente quando A è invertibile. Il determinante di una matrice triangolare è il prodotto dei suoi elementi diagonali, quindi det A = ± (prodotto dei pivot).
- Operazioni sulle righe: uno scambio cambia il segno, moltiplicare una riga per c moltiplica det per c, e sommare a una riga un multiplo di un’altra lascia det invariato.
- det(AB) = det A · det B, det(Aᵀ) = det A e det(A⁻¹) = 1/det A.
- Sviluppo in cofattori lungo una riga: det A = Σ aᵢⱼCᵢⱼ con Cᵢⱼ = (−1)ⁱ⁺ʲ per il minore. Regola di Cramer: xᵢ = det(Bᵢ)/det A, dove Bᵢ ha b nella colonna i.
- Un’applicazione lineare x ↦ Ax moltiplica le aree (2D) o i volumi (3D) per |det A|; un determinante negativo inverte anche l’orientamento.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 7.1 Trova det [[1, 2, 0], [0, 1, 3], [2, 0, 1]] per cofattori lungo la riga 1.
Mostra i passaggi
- 1 × (1 × 1 − 3 × 0) = 1.
- − 2 × (0 × 1 − 3 × 2) = −2 × (−6) = 12.
- + 0 × (…) = 0.
Risposta: det = 13.
Esempio 7.2 Risolvi 2x + y = 5, x + 3y = 10 con la regola di Cramer.
Mostra i passaggi
- det A = 6 − 1 = 5.
- x = det[[5, 1], [10, 3]]/5 = (15 − 10)/5.
- y = det[[2, 5], [1, 10]]/5 = (20 − 5)/5.
Risposta: x = 1, y = 3.
Esempio 7.3 Trova l’area del parallelogramma di lati (3, 0) e (1, 2).
Mostra i passaggi
- Area = |det [[3, 1], [0, 2]]| = |6 − 0|.
Risposta: 6 unità quadrate.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
det [[3, 1], [2, 4]]?
Mostra la risposta
12 − 2 = 10.
det [[2, 0, 1], [1, 3, 2], [1, 1, 1]]?
Mostra la risposta
2(3 − 2) − 0 + 1(1 − 3) = 0, quindi è singolare.
Se det A = 4 per una A 3 × 3, quanto vale det(2A)?
Mostra la risposta
2³ × 4 = 32.
Se det A = 5, quanto vale det(A⁻¹)?
Mostra la risposta
1/5 = 0.2.
Errori concettuali comuni
Mito: det(A + B) = det A + det B.
In realtà: Falso in generale; solo det(AB) si separa.
Mito: det(2A) = 2 det A.
In realtà: Per n × n, det(2A) = 2ⁿ det A.
Mito: Lo sviluppo in cofattori è il metodo veloce.
In realtà: Richiede circa n! passi; l’eliminazione circa n³/3.
Flashcard
det 2 × 2
ad − bc.
Invertibilità
det A ≠ 0.
Regola del prodotto
det(AB) = det A det B.
Scambio di righe
Cambia il segno.
Regola di Cramer
xᵢ = det Bᵢ/det A.
Fattore d’area
|det A|.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Trasformare pixel in superficie a terra è un determinante. L’USGS indica per Landsat 9 bande multispettrali a 30 m e una banda pancromatica a 15 m. L’applicazione dagli indici di pixel (i, j) alle coordinate a terra è, localmente, una matrice; per una griglia allineata da 30 m è diag(30, 30) m, con determinante 900, quindi ogni pixel copre 900 m². La griglia pancromatica da 15 m ha determinante 225 m², così quattro pixel pancromatici stanno in un pixel multispettrale.
Contare i pixel classificati come foresta e moltiplicare per questo fattore di scala è il modo in cui le serie satellitari misurano la perdita di foresta in ettari (1 ha = 10000 m², circa 11.1 pixel Landsat). Quando un’immagine viene ruotata o deformata per adattarla a una mappa, il determinante della nuova matrice mantiene corretta l’area.
Su Saving Planets: Deforestazione · Osservazione della Terra
Fonti: USGS: Landsat 9 · Interactive Linear Algebra, 4.3 Determinants and volumes
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 4.1 Determinants: definition: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 4.3 Determinants and volumes: Significato geometrico.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni 18–20: determinanti, cofattori, regola di Cramer.
- Jim Hefferon, Linear Algebra (free text): Capitolo quattro: determinanti.
Unità 8 · Settimana 11
Autovalori e autovettori
Gli autovettori come direzioni che una matrice si limita ad allungare, l’equazione caratteristica det(A − λI) = 0, le verifiche con traccia e determinante, gli autovalori di matrici speciali, autovalori complessi e rotazioni, il metodo delle potenze e i modi propri delle strutture in vibrazione.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Trovare gli autovalori da det(A − λI) = 0 e gli autovettori dal nucleo di A − λI.
- Verificare gli autovalori con traccia e determinante.
- Riconoscere autovalori reali, multipli e complessi.
- Usare il metodo delle potenze per trovare l’autovalore dominante.
Concetti chiave
- Av = λv con v ≠ 0: l’autovettore v mantiene la direzione ed è scalato dall’autovalore λ.
- Gli autovalori sono le radici di det(A − λI) = 0, un polinomio di grado n. Per ogni λ, gli autovettori riempiono il nucleo di A − λI.
- Verifiche: la somma degli autovalori è la traccia (somma della diagonale) e il loro prodotto è det A.
- Le matrici simmetriche hanno autovalori reali e autovettori ortogonali. Le matrici di rotazione hanno autovalori complessi. Le matrici triangolari mostrano gli autovalori sulla diagonale.
- Metodo delle potenze: moltiplica ripetutamente un vettore iniziale per A e riscala; si allinea con l’autovettore del |λ| più grande. Per le vibrazioni, Kv = ω²Mv dà le frequenze proprie ω e le forme modali v.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 8.1 Trova autovalori e autovettori di A = [[2, 1], [1, 2]].
Mostra i passaggi
- det(A − λI) = (2 − λ)² − 1 = λ² − 4λ + 3 = 0.
- λ = 3: A − 3I = [[−1, 1], [1, −1]] dà v = (1, 1). λ = 1: v = (1, −1).
- Verifica: 3 + 1 = 4 = traccia; 3 × 1 = 3 = det.
Risposta: λ = 3 con (1, 1); λ = 1 con (1, −1).
Esempio 8.2 Trova gli autovalori di [[4, 1], [2, 3]].
Mostra i passaggi
- λ² − 7λ + 10 = 0 (traccia 7, det 10).
- (λ − 5)(λ − 2) = 0.
Risposta: λ = 5 e λ = 2.
Esempio 8.3 Un edificio di esempio a due piani ha masse di piano uguali m e rigidezza di piano k, con K/m = (k/m)[[2, −1], [−1, 1]] e k/m = 100 s⁻². Trova la frequenza fondamentale.
Mostra i passaggi
- Autovalori di [[2, −1], [−1, 1]]: λ = (3 ± √5)/2 = 0.382 e 2.618.
- ω₁² = 100 × 0.382 = 38.2 s⁻², ω₁ = 6.18 rad/s.
- f₁ = ω₁/(2π), T₁ = 1/f₁.
Risposta: f₁ = 0.984 Hz, periodo T₁ = 1.02 s (valori di esempio).
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
Autovalori di [[5, 0], [0, −2]]?
Mostra la risposta
5 e −2 (diagonale).
Una matrice 3 × 3 ha autovalori 1, 2, 3. Trova traccia e determinante.
Mostra la risposta
Traccia 6, det 6.
Autovalori della rotazione di 90° [[0, −1], [1, 0]]?
Mostra la risposta
λ² + 1 = 0: λ = ±i.
Se Av = 4v, quanto vale A²v?
Mostra la risposta
16v.
Errori concettuali comuni
Mito: Il vettore nullo è un autovettore.
In realtà: Gli autovettori devono essere non nulli.
Mito: La riduzione per righe conserva gli autovalori.
In realtà: Li cambia; usa det(A − λI).
Mito: Ogni matrice reale ha autovalori reali.
In realtà: Le rotazioni ne danno di complessi; le matrici simmetriche sono il caso sicuro.
Flashcard
Autovettore
Av = λv, v ≠ 0.
Equazione caratteristica
det(A − λI) = 0.
Verifica con la traccia
Σλ = traccia.
Verifica con il determinante
Πλ = det A.
Metodo delle potenze
La moltiplicazione ripetuta trova l’autovettore dominante.
Modi propri
Kv = ω²Mv.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Gli ingegneri sismici leggono gli edifici attraverso i loro autovalori. Uno studio USGS di Mehmet Çelebi (2022) ha usato i periodi fondamentali e le percentuali di smorzamento critico di 41 edifici alti in diversi paesi. Ha trovato una chiara tendenza lineare tra altezza dell’edificio e periodo fondamentale per edifici in acciaio e in cemento armato, pur con una grande dispersione dovuta a progetti strutturali diversi, e uno smorzamento critico nettamente inferiore al 3%, in linea con altri studi recenti sugli edifici alti.
Il periodo fondamentale è fissato dal più piccolo autovalore del problema rigidezza–massa, come nell’esempio dell’edificio a due piani. Uno smorzamento basso significa che un edificio alto può oscillare a lungo quando onde sismiche di lungo periodo coincidono con quel periodo; per questo gli edifici strumentati e i loro modi misurati guidano città più sicure e durature.
Su Saving Planets: Equazioni differenziali · Dinamica
Fonti: USGS: Preliminary study of correlation of natural periods and damping percentages of tall buildings in several countries (Çelebi, 2022) · Interactive Linear Algebra, 5.1 Eigenvalues and eigenvectors
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 5.1 Eigenvalues and eigenvectors: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 5.2 The characteristic polynomial: Trovare gli autovalori.
- Interactive Linear Algebra, 5.5 Complex eigenvalues: Rotazione e scalatura.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezione 21: autovalori e autovettori.
Unità 9 · Settimana 12
Diagonalizzazione, potenze di matrici, catene di Markov e sistemi dinamici lineari
Diagonalizzare A = PDP⁻¹, calcolare rapidamente le potenze Aᵏ, matrici simmetriche e teorema spettrale A = QΛQᵀ, matrici di Markov (stocastiche) e stati stazionari, e il comportamento a lungo termine di xₖ₊₁ = Axₖ.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Diagonalizzare una matrice con n autovettori indipendenti.
- Calcolare Aᵏ e prevedere il comportamento a lungo termine di xₖ₊₁ = Axₖ.
- Trovare lo stato stazionario di una catena di Markov.
- Usare il teorema spettrale per le matrici simmetriche.
Concetti chiave
- Se A ha n autovettori indipendenti (le colonne di P), allora A = PDP⁻¹ con gli autovalori sulla diagonale di D, e Aᵏ = PDᵏP⁻¹.
- Scrivi x₀ = c₁v₁ + … + cₙvₙ. Allora xₖ = Aᵏx₀ = c₁λ₁ᵏv₁ + … + cₙλₙᵏvₙ; il |λ| più grande domina al crescere di k.
- Una matrice di Markov ha elementi non negativi e colonne di somma 1. Ha sempre λ = 1, e gli altri autovalori soddisfano |λ| ≤ 1. Lo stato stazionario è l’autovettore di λ = 1, scalato in modo che i suoi elementi sommino a 1.
- Il secondo |λ| più grande stabilisce quanto velocemente una catena di Markov dimentica la partenza: lo scarto si riduce come |λ₂|ᵏ.
- Teorema spettrale: una matrice simmetrica reale si può scrivere A = QΛQᵀ con autovettori ortonormali in Q.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 9.1 Usa la diagonalizzazione per trovare A¹⁰ per A = [[2, 1], [1, 2]].
Mostra i passaggi
- Dall’unità 8: λ = 3, 1 con v = (1, 1), (1, −1). P = [[1, 1], [1, −1]], P⁻¹ = ½[[1, 1], [1, −1]].
- A¹⁰ = P diag(3¹⁰, 1) P⁻¹; ogni elemento è (3¹⁰ ± 1)/2.
Risposta: A¹⁰ = [[29525, 29524], [29524, 29525]].
Esempio 9.2 Una matrice di Markov è P = [[0.8, 0.3], [0.2, 0.7]] (valori di esempio). Trova lo stato stazionario.
Mostra i passaggi
- (P − I)q = 0: −0.2q₁ + 0.3q₂ = 0, quindi q₁ = 1.5q₂.
- q₁ + q₂ = 1 dà q₂ = 0.4.
Risposta: q = (0.6, 0.4).
Esempio 9.3 Partendo da x₀ = (1, 0), trova x₂ per la stessa P, e lo xₖ generale.
Mostra i passaggi
- x₁ = (0.8, 0.2); x₂ = (0.64 + 0.06, 0.16 + 0.14).
- Gli autovalori sono 1 e 0.5 (traccia 1.5, det 0.5), quindi xₖ = (0.6, 0.4) + 0.5ᵏ(0.4, −0.4).
Risposta: x₂ = (0.70, 0.30); xₖ → (0.6, 0.4).
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
[[0.5, 0.2], [0.5, 0.8]] è una matrice di Markov?
Mostra la risposta
Sì: elementi non negativi, colonne di somma 1.
Trova il suo stato stazionario.
Mostra la risposta
0.5q₁ = 0.2q₂, quindi q = (2/7, 5/7) = (0.286, 0.714).
Se A = PDP⁻¹ con D = diag(0.9, 0.5), che succede ad Aᵏx per k grande?
Mostra la risposta
Decade a zero, dominato da 0.9ᵏ.
[[1, 1], [0, 1]] è diagonalizzabile?
Mostra la risposta
No: λ = 1 doppio ma un solo autovettore indipendente.
Errori concettuali comuni
Mito: Ogni matrice è diagonalizzabile.
In realtà: Servono n autovettori indipendenti; [[1, 1], [0, 1]] ne ha uno solo.
Mito: Lo stato stazionario di una catena di Markov dipende dalla partenza.
In realtà: Per una catena regolare no; ogni partenza converge allo stesso q.
Mito: Aᵏ significa elevare ogni elemento alla potenza k.
In realtà: Solo le matrici diagonali funzionano così; per questo diagonalizziamo.
Flashcard
Diagonalizzazione
A = PDP⁻¹.
Potenza di una matrice
Aᵏ = PDᵏP⁻¹.
Matrice di Markov
Non negativa, colonne di somma 1.
Stato stazionario
Pq = q, elementi di somma 1.
Teorema spettrale
A = QΛQᵀ.
Matrice difettiva
Troppo pochi autovettori per diagonalizzare.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Dove finiscono i materiali è una catena di Markov. L’EPA riferisce che nel 2018 gli Stati Uniti hanno prodotto 292.4 milioni di tonnellate di rifiuti solidi urbani, 4.9 libbre a persona al giorno. Circa 69 milioni di tonnellate sono state riciclate e 25 milioni di tonnellate compostate, un tasso combinato del 32.1%; circa 35 milioni di tonnellate (11.8%) sono state incenerite con recupero di energia; e più di 146 milioni di tonnellate (50%) sono finite in discarica.
Se le quote di ogni anno restassero fisse, un materiale uscirebbe dall’uso verso queste destinazioni con queste probabilità, e solo la quota riciclata tornerebbe nell’economia. Il Laboratorio E costruisce una matrice di transizione di esempio con una quota di recupero del 32.1% e mostra, con le potenze di matrici e l’autovettore di λ = 1, come aumentare il riciclo cambi quanto a lungo il materiale resta in uso e quanto ne arriva in discarica.
Su Saving Planets: Soluzioni
Fonti: U.S. EPA: National overview, facts and figures on materials, wastes and recycling · Interactive Linear Algebra, 5.6 Stochastic matrices
Risorse di apprendimento gratuite
- Interactive Linear Algebra, 5.4 Diagonalization: Sezione di testo gratuito.
- Interactive Linear Algebra, 5.6 Stochastic matrices: Catene di Markov e stati stazionari.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni 22–25: diagonalizzazione, matrici di Markov, matrici simmetriche.
- MIT OpenCourseWare 18.06SC Linear Algebra (self-paced, Fall 2011): Esercitazioni sulle matrici di Markov.
Unità 10 · Settimane 13–14
La decomposizione ai valori singolari, l’analisi delle componenti principali e le matrici definite positive
Matrici definite positive e AᵀA, la SVD A = UΣVᵀ, valori singolari e la geometria di una matrice come rotazione–allungamento–rotazione, migliore approssimazione di rango basso e compressione di immagini, numero di condizionamento e analisi delle componenti principali dei dati.
Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa unità saprai:
- Verificare se una matrice simmetrica è definita positiva.
- Calcolare i valori singolari dagli autovalori di AᵀA.
- Costruire un’approssimazione di rango k e misurare cosa conserva.
- Eseguire una piccola analisi delle componenti principali.
Concetti chiave
- Una matrice simmetrica è definita positiva quando xᵀAx > 0 per ogni x ≠ 0; equivalentemente tutti gli autovalori (o tutti i pivot) sono positivi. AᵀA è sempre simmetrica e semidefinita positiva.
- Ogni matrice m × n ha una SVD A = UΣVᵀ: V e U hanno colonne ortonormali, e Σ contiene i valori singolari σ₁ ≥ σ₂ ≥ … ≥ 0, radici quadrate degli autovalori di AᵀA.
- A = σ₁u₁v₁ᵀ + σ₂u₂v₂ᵀ + …. Tenere i primi k termini dà la migliore approssimazione di rango k (Eckart–Young); l’errore in norma 2 è σₖ₊₁.
- Il numero di condizionamento σ₁/σₙ misura quanto gli errori su b possono essere amplificati risolvendo Ax = b.
- PCA: centra i dati (sottrai le medie delle colonne); allora i vettori singolari destri (autovettori della matrice di covarianza) sono le direzioni principali, e σᵢ² misura la varianza spiegata da ciascuna.
Equazioni chiave
Esempi svolti passo passo
Esempio 10.1 Trova i valori singolari di A = [[3, 0], [4, 5]].
Mostra i passaggi
- AᵀA = [[25, 20], [20, 25]], autovalori 45 e 5.
- σ₁ = √45, σ₂ = √5. Verifica: σ₁σ₂ = 15 = |det A|.
Risposta: σ₁ = 6.708, σ₂ = 2.236.
Esempio 10.2 Quale quota dell’«energia» Σσ² di AᵀA conserva l’approssimazione di rango 1 di quella A?
Mostra i passaggi
- σ₁²/(σ₁² + σ₂²) = 45/50.
Risposta: 90%.
Esempio 10.3 Un’immagine in scala di grigi 1000 × 1000 è memorizzata come SVD di rango 50. Quanti numeri si memorizzano, rispetto all’immagine completa?
Mostra i passaggi
- Ogni termine richiede un u (1000), un v (1000) e un σ: 2001 numeri.
- 50 × 2001 = 100050 contro 1000000.
Risposta: 100050 numeri, circa il 10.0% dell’originale.
Esercizi
Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.
[[2, 1], [1, 2]] è definita positiva?
Mostra la risposta
Sì: gli autovalori 3 e 1 sono positivi.
Trova il numero di condizionamento di diag(10, 0.1).
Mostra la risposta
10/0.1 = 100.
Dati 2D centrati hanno covarianza [[2, 1], [1, 2]]. Quale quota della varianza spiega la prima componente principale?
Mostra la risposta
Autovalori 3 e 1: 3/4 = 75%, lungo (1, 1).
Quali sono i valori singolari di una matrice ortogonale?
Mostra la risposta
Tutti uguali a 1.
Errori concettuali comuni
Mito: I valori singolari sono gli autovalori di A.
In realtà: Sono le radici quadrate degli autovalori di AᵀA, e non sono mai negativi.
Mito: Solo le matrici quadrate hanno una SVD.
In realtà: Ogni matrice ce l’ha.
Mito: La PCA funziona sui dati grezzi.
In realtà: Centra prima i dati, e scala le variabili misurate in unità diverse.
Flashcard
SVD
A = UΣVᵀ.
Valore singolare
σᵢ = √λᵢ(AᵀA).
Definita positiva
xᵀAx > 0, tutti i λ > 0.
Eckart–Young
La SVD troncata è la migliore approssimazione di rango k.
Numero di condizionamento
σ₁/σₙ.
PCA
SVD dei dati centrati.
Quiz di autoverifica
Come questo aiuta a salvare il pianeta
Lo spettrometro per immagini EMIT del JPL della NASA, sulla Stazione Spaziale Internazionale, mappa i minerali delle regioni sorgente di polvere della Terra. Il JPL dice che raccoglie più di 100000 spettri al secondo, cioè 3.6 × 10⁸ spettri all’ora, e che la missione è stata prolungata almeno fino al 2026. La polvere conta per il clima: il JPL osserva che i minerali scuri assorbono la luce solare e riscaldano l’aria, mentre quelli chiari la riflettono e raffreddano.
Ogni spettro è un lungo vettore di riflettanze a molte lunghezze d’onda, e le lunghezze d’onda vicine sono fortemente correlate. La PCA e la SVD comprimono questi dati in poche componenti, separano il segnale dal rumore e isolano le firme dei singoli minerali: la stessa matematica del laboratorio di compressione delle immagini.
Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Spazio
Fonti: NASA JPL: EMIT, Earth Surface Mineral Dust Source Investigation · MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010)
Risorse di apprendimento gratuite
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Lezioni 27–29: matrici definite positive e SVD.
- MIT OpenCourseWare 18.06SC Linear Algebra (self-paced, Fall 2011): Sessione sulla decomposizione ai valori singolari.
- Gilbert Strang, Introduction to Linear Algebra (book site): Appunti di Strang sulla SVD e sui dati.
- Jim Hefferon, Linear Algebra (free text): Argomenti su matrici ortogonali e proiezioni.
Il laboratorio (Computation lab)
Il laboratorio è la parte pratica del corso. Qui è gratuito e solo per esercitarsi, senza crediti.
Ogni laboratorio si svolge in un foglio di calcolo gratuito o su carta; le versioni Python sono facoltative. Fai pause regolari dallo schermo e maneggia spilli e forbici con cura.
Riferimento per la sicurezza: OSHA: Computer workstations eTool
Laboratorio A: vettori di pixel e un indice di vegetazione
Settimana 2
Obiettivo: Trattare i pixel satellitari come vettori: calcolare lunghezze, angoli tra pixel e l’NDVI, e vedere che vegetazione, suolo e acqua puntano in direzioni diverse.
Procedimento
- In un foglio di calcolo, inserisci tre pixel di esempio come righe di riflettanze (verde, rosso, NIR): vegetazione (0.10, 0.08, 0.40), suolo (0.20, 0.25, 0.30), acqua (0.06, 0.04, 0.02).
- Calcola la lunghezza di ogni pixel con SQRT(SUMSQ(…)) e il prodotto scalare di ogni coppia con SUMPRODUCT.
- Trova l’angolo tra ogni coppia con ACOS e DEGREES.
- Calcola l’NDVI di ogni pixel. Facoltativo: scarica una scena Landsat gratuita e ripeti con pixel reali.
Tabella dei dati
| Pixel | Verde | Red | NIR | NDVI |
|---|---|---|---|---|
| Vegetazione | 0.10 | 0.08 | 0.40 | 0.667 |
| Suolo | 0.20 | 0.25 | 0.30 | 0.091 |
| Acqua | 0.06 | 0.04 | 0.02 | −0.333 |
Riflettanze di esempio scelte per somigliare a vegetazione, suolo nudo e acqua tipici.
Calcolo di esempio
- NDVI vegetazione = (0.40 − 0.08)/(0.40 + 0.08) = 0.667.
- NDVI suolo = 0.05/0.55 = 0.091; NDVI acqua = −0.02/0.06 = −0.333.
- Angolo vegetazione–suolo: prodotto scalare = 0.160, lunghezze 0.420 e 0.4387, cos θ = 0.8683, θ = 29.7°.
Sicurezza
- Fai una breve pausa dallo schermo ogni mezz’ora.
Alternativa a casa o virtuale
- L’intero laboratorio si svolge in un foglio di calcolo gratuito.
PhET: Vector Addition · USGS: Landsat 9
Legame con il pianeta: L’USGS indica le bande rossa (banda 4) e del vicino infrarosso (banda 5) di Landsat 9, e i suoi dati sono gratuiti, quindi chiunque può mappare la vegetazione in questo modo. USGS: Landsat 9
Laboratorio B: trilaterazione, dai fili a un sistema lineare
Settimana 3
Obiettivo: Trovare una posizione a partire dalle distanze, prima con dei fili su una mappa come nell’attività di GPS.gov, poi trasformando le equazioni delle circonferenze in un sistema lineare risolto per eliminazione.
Procedimento
- Stampa la mappa di trilaterazione di GPS.gov (senza ridimensionarla) o segna tre «satelliti» su carta millimetrata in (0, 0), (10, 0) e (0, 10) cm.
- Converti i tempi di segnale in distanze con d = ct (c = 299792458 m/s); per la versione su carta usa le distanze di esempio qui sotto.
- Traccia le circonferenze con un filo e una matita e segna dove si incrociano.
- Sottrai a coppie le equazioni delle circonferenze per ottenere due equazioni lineari, risolvile per eliminazione in un foglio di calcolo e confronta con il tuo disegno.
Tabella dei dati
| Faro | Posizione (cm) | Distanza (cm) | d² |
|---|---|---|---|
| 1 | (0, 0) | 5.000 | 25 |
| 2 | (10, 0) | 8.062 | 65 |
| 3 | (0, 10) | 6.708 | 45 |
Distanze di esempio per un ricevitore in (3, 4) cm. L’attività di GPS.gov usa quattro satelliti su una mappa in scala 1:21283839.
Calcolo di esempio
- Eq. 1 − Eq. 2: 20x − 100 = −40, x = 3. Eq. 1 − Eq. 3: 20y − 100 = −20, y = 4.
- Il tempo A di GPS.gov = 0.00505783 s dà d = 1516299 m; in scala 1:21283839 sono 7.12 cm sulla mappa.
Sicurezza
- Maneggia puntine e forbici con cura.
Alternativa a casa o virtuale
- La versione con filo e carta è il laboratorio da fare a casa.
GPS.gov: Trilateration activity · Interactive Linear Algebra, 1.2 Row reduction
Legame con il pianeta: GPS.gov ha progettato questa attività con la NOAA; i ricevitori reali risolvono lo stesso tipo di sistema, con un’incognita di orologio, molte volte al secondo. GPS.gov: Trilateration (NOAA classroom activity) · GPS.gov: Space segment
Laboratorio C: le matrici come trasformazioni del piano
Settimana 4
Obiettivo: Vedere le matrici agire sulle figure: allungare, deformare per taglio, ruotare e riflettere un quadrato su carta millimetrata, e verificare che le aree si scalano di |det A|.
Procedimento
- Disegna il quadrato unitario con vertici (0, 0), (1, 0), (1, 1), (0, 1).
- Moltiplica ogni vertice per A = [[2, 1], [0, 1]] (un taglio e un allungamento), per R = [[0, −1], [1, 0]] (una rotazione di 90°) e per F = [[1, 0], [0, −1]] (una riflessione).
- Disegna ogni immagine e trova la sua area contando i quadretti o con la formula di Gauss.
- Confronta ogni area con |det| e annota quali applicazioni invertono l’orientamento (det < 0). Poi verifica det(AR) = det A det R.
Tabella dei dati
| Matrice | det | Area dell’immagine | Orientamento |
|---|---|---|---|
| A = [[2, 1], [0, 1]] | 2 | 2 | conservato |
| R (rotazione di 90°) | 1 | 1 | conservato |
| F (riflessione) | −1 | 1 | invertito |
| AR | 2 | 2 | conservato |
Valori esatti per il quadrato unitario.
Calcolo di esempio
- det A = 2 × 1 − 1 × 0 = 2; l’immagine è un parallelogramma di base 2 e altezza 1.
- det(AR) = det A × det R = 2 × 1 = 2.
Sicurezza
- Nessuno oltre al normale lavoro alla scrivania.
Alternativa a casa o virtuale
- Bastano carta millimetrata e una matita.
Interactive Linear Algebra, 3.1 Matrix transformations · Interactive Linear Algebra, 4.3 Determinants and volumes
Legame con il pianeta: Le proiezioni cartografiche e la registrazione delle immagini usano queste stesse matrici; il determinante mantiene corrette le misure di area di foreste e alluvioni. USGS: Landsat 9
Laboratorio D: adattamento ai minimi quadrati dei dati sul livello del mare
Settimana 9
Obiettivo: Adattare una retta, e poi una parabola, ai dati sul livello del mare con le equazioni normali, e confrontare con l’adattamento integrato del foglio di calcolo.
Procedimento
- Inserisci i dati di esempio qui sotto (o scarica la serie della NASA dalla sua pagina Vital Signs): t in anni dal 1993 e h in mm.
- Costruisci A con una colonna di uni e una colonna di t. Calcola AᵀA e Aᵀb con MMULT e TRANSPOSE, poi x̂ = MINVERSE(AᵀA)·Aᵀb.
- Verifica con LINEST o con una linea di tendenza del grafico. Traccia i residui b − Ax̂.
- Aggiungi una colonna t² e ripeti l’adattamento. Un coefficiente di t² positivo significa che la crescita sta accelerando.
Tabella dei dati
| t (anni dal 1993) | 0 | 8 | 16 | 24 | 32 |
|---|---|---|---|---|---|
| h (mm) | 0 | 22 | 48 | 78 | 114 |
Valori di esempio con l’andamento della serie NASA (che riporta 114.4 mm di crescita dal 1993); usa i dati reali per una risposta reale.
Calcolo di esempio
- t̄ = 16, h̄ = 52.4; Σ(t − t̄)(h − h̄) = 2272, Σ(t − t̄)² = 640.
- D = 2272/640 = 3.55 mm/yr; C = 52.4 − 3.55 × 16 = −4.4 mm.
- I residui sono positivi a entrambi gli estremi e negativi al centro: una curva si adatta meglio, come suggerisce il ritmo crescente indicato dalla NASA.
Sicurezza
- Fai una breve pausa dallo schermo ogni mezz’ora.
Alternativa a casa o virtuale
- L’intero laboratorio si svolge in un foglio di calcolo gratuito.
NASA: Global mean sea level · Interactive Linear Algebra, 6.5 Least squares
Legame con il pianeta: La NASA riferisce che il ritmo di crescita è passato da 0.20 cm l’anno nel 1993 a 0.44 cm l’anno oggi, un’accelerazione che puoi rilevare con una colonna t². NASA: Global mean sea level (Vital Signs)
Laboratorio E: un modello di Markov dei materiali e del riciclo
Settimana 12
Obiettivo: Costruire una matrice di transizione per il materiale in uso e quello perso in discarica o per incenerimento, usare le potenze di matrici per seguirlo nel tempo, e vedere come un tasso di riciclo più alto mantiene il materiale in uso più a lungo.
Procedimento
- Scegli un tasso di scarto di esempio f = 0.2 l’anno e un tasso di recupero r = 0.321 (la quota riciclo più compostaggio dell’EPA nel 2018).
- Costruisci P in un foglio di calcolo e parti da x₀ = (1, 0): tutto il materiale in uso.
- Usa MMULT per avanzare di 10 anni, e confronta con la formula (1 − f(1 − r))ᵏ per la quota ancora in uso.
- Ripeti con r = 0.5 e confronta gli anni medi in uso, 1/(f(1 − r)).
Tabella dei dati
| Tasso di recupero r | Probabilità di restare in uso | In uso dopo 10 anni | Anni medi in uso |
|---|---|---|---|
| 0.321 | 0.8642 | 0.232 | 7.36 |
| 0.50 | 0.9000 | 0.349 | 10.0 |
Modello di esempio: il tasso di scarto f = 0.2 è un valore di esempio; r = 0.321 è la quota EPA 2018.
Calcolo di esempio
- Probabilità di restare = 1 − 0.2 × 0.679 = 0.8642; 0.8642¹⁰ = 0.232.
- Anni medi in uso = 1/0.1358 = 7.36; con r = 0.5 sono 1/0.1 = 10.0 anni.
- λ = 1 appartiene allo stato «perso», che a lungo termine assorbe tutto; λ = 0.8642 fissa la velocità.
Sicurezza
- Fai una breve pausa dallo schermo ogni mezz’ora.
Alternativa a casa o virtuale
- L’intero laboratorio si svolge in un foglio di calcolo gratuito.
Interactive Linear Algebra, 5.6 Stochastic matrices · EPA: National overview of materials and waste
Legame con il pianeta: L’EPA riporta un tasso di riciclo e compostaggio del 32.1% nel 2018 e il 50% in discarica; modelli come questo mostrano quanto vale alzare quel tasso. U.S. EPA: National overview, facts and figures on materials, wastes and recycling
Laboratorio F: metodo delle potenze e compressione di immagini con la SVD
Settimana 14
Obiettivo: Trovare un autovalore dominante con moltiplicazioni ripetute, poi comprimere una piccola immagine in scala di grigi con una SVD troncata e vedere con quanti pochi numeri si conserva l’immagine.
Procedimento
- In un foglio di calcolo, parti da x₀ = (1, 0) e moltiplica per A = [[2, 1], [1, 2]] dieci volte, riscalando ogni volta; osserva il rapporto delle lunghezze avvicinarsi a 3.
- Crea una griglia 8 × 8 di livelli di grigio (0–255) per un disegno semplice, oppure carica una foto in Python (gratuito) con NumPy.
- Calcola la SVD (numpy.linalg.svd) e ricostruisci l’immagine con k = 1, 2 e 4 termini.
- Registra la memoria k(8 + 8 + 1) e la quota di Σσ² conservata, e giudica quando l’immagine sembra giusta.
Tabella dei dati
| k | Numeri memorizzati (immagine 8 × 8) | Quota di 64 |
|---|---|---|
| 1 | 17 | 26.6% |
| 2 | 34 | 53.1% |
| 4 | 68 | 106.3% |
Conteggi esatti di memoria. Per un’immagine 8 × 8, k = 4 memorizza già più dei 64 numeri grezzi; il risparmio compare per immagini grandi (unità 10: il rango 50 di un’immagine 1000 × 1000 conserva il 10.0%).
Calcolo di esempio
- Metodo delle potenze: (1, 0) → (2, 1) → (5, 4) → (14, 13); ‖(14, 13)‖/‖(5, 4)‖ = 19.10/6.403 = 2.98, vicino a λ = 3.
- Memoria per k = 1: 8 + 8 + 1 = 17 numeri, 17/64 = 26.6%.
Sicurezza
- Fai una breve pausa dallo schermo ogni mezz’ora.
Alternativa a casa o virtuale
- Le versioni con foglio di calcolo e con Python gratuito sono entrambe laboratori da fare a casa.
MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010) · Interactive Linear Algebra, 5.1 Eigenvectors
Legame con il pianeta: EMIT del JPL della NASA restituisce più di 100000 spettri al secondo; comprimere e separare quei dati usa esattamente questi strumenti. NASA JPL: EMIT, Earth Surface Mineral Dust Source Investigation
Serie di esercizi per gli esami
Cronometrati: circa 10 minuti per problema. Poi confronta con le soluzioni complete.
Esercizi di preparazione all’esame intermedio (unità 1–5)
Trova l’angolo tra (1, 0, 1) e (0, 1, 1).
Mostra la soluzione completa
- Prodotto scalare = 1; lunghezze √2 ciascuna; cos θ = 1/2.
Risposta: 60°.
Risolvi x + 2y = 4, 3x − y = 5.
Mostra la soluzione completa
- R₂ − 3R₁: −7y = −7.
Risposta: x = 2, y = 1.
Inverti [[3, 2], [1, 1]].
Mostra la soluzione completa
- det = 1.
Risposta: [[1, −2], [−1, 3]].
Un’economia a un solo settore usa 0.4 del proprio output. Quale output soddisfa una domanda di 120?
Mostra la soluzione completa
- x = 120/0.6.
Risposta: 200.
Una matrice 6 × 9 ha rango 4. Trova dim N(A) e dim N(Aᵀ).
Mostra la soluzione completa
- n − r e m − r.
Risposta: 5 e 2.
Serie di esercizi finale (tutte le unità)
Adatta y = C + Dt a (0, 0), (1, 2), (2, 2) con i minimi quadrati.
Mostra la soluzione completa
- AᵀA = [[3, 3], [3, 5]], Aᵀb = (4, 6); det 6.
Risposta: C = 0.333, D = 1.
Trova det [[2, 1, 0], [1, 2, 1], [0, 1, 2]].
Mostra la soluzione completa
- 2(4 − 1) − 1(2 − 0) + 0.
Risposta: 4.
Trova gli autovalori di [[6, 2], [2, 3]].
Mostra la soluzione completa
- Traccia 9, det 14: λ² − 9λ + 14 = 0.
Risposta: 7 e 2.
Trova lo stato stazionario della matrice di Markov [[0.9, 0.2], [0.1, 0.8]].
Mostra la soluzione completa
- 0.1q₁ = 0.2q₂.
Risposta: (0.667, 0.333).
Trova i valori singolari di [[2, 0], [0, −3]].
Mostra la soluzione completa
- AᵀA = diag(4, 9).
Risposta: 3 e 2.
Quanti numeri memorizza una SVD di rango 20 di un’immagine 500 × 800, e che quota dell’immagine completa è?
Mostra la soluzione completa
- 20(500 + 800 + 1).
Risposta: 26020, circa il 6.5%.
Formulario
Costanti
| Costante | Valore |
|---|---|
| Velocità della luce (usata per le distanze GPS) | 299,792,458 m/s |
| 1 miglio | 1.609344 km |
| 1 piede | 0.3048 m |
| 1 pollice | 25.4 mm |
| Flops per risolvere un sistema n × n per eliminazione | circa n³/3 moltiplicazioni–somme (Strang) |
| Matrice identità I | Uni sulla diagonale, zeri altrove: AI = IA = A |
Fonte: NIST Guide to the SI, Appendix B.9: conversion factors
Testi e lezioni gratuiti
Usa questi libri di testo, lezioni e strumenti gratuiti insieme al corso.
- MIT OpenCourseWare 18.06 Linear Algebra (Strang, Spring 2010): Le videolezioni complete, gli esercizi e gli esami di Strang.
- MIT OpenCourseWare 18.06SC Linear Algebra (self-paced, Fall 2011): Versione autogestita con video di esercitazione ed esercizi svolti.
- Interactive Linear Algebra (Margalit and Rabinoff, Georgia Tech): Libro di testo interattivo gratuito usato al Georgia Tech.
- Jim Hefferon, Linear Algebra (free text): Libro di testo completo e gratuito con soluzioni.
- Gilbert Strang, Introduction to Linear Algebra (book site): Il sito del libro di Strang con appunti e figure.
- PhET: Vector Addition: Vettori e componenti interattivi.
Glossario
- Base
- Un insieme linearmente indipendente che genera uno spazio.
- Spazio delle colonne
- Tutte le combinazioni Ax delle colonne di A.
- Numero di condizionamento
- σ₁/σₙ, quanto possono crescere gli errori risolvendo Ax = b.
- Determinante
- Fattore di scala dei volumi con segno di A; nullo esattamente quando A è singolare.
- Diagonalizzazione
- A = PDP⁻¹ con gli autovettori in P.
- Dimensione
- Numero di vettori di una qualsiasi base.
- Autovalore
- λ con Av = λv per qualche v non nullo.
- Fattorizzazione LU
- A = LU dall’eliminazione.
- Minimi quadrati
- L’x̂ che minimizza ‖b − Ax‖.
- Inversa di Leontief
- (I − A)⁻¹, output totale necessario per unità di domanda finale.
- Indipendenza lineare
- Solo la combinazione nulla dà il vettore nullo.
- Matrice di Markov
- Elementi non negativi, colonne di somma 1.
- Nucleo
- Tutti gli x con Ax = 0.
- Ortonormale
- Vettori unitari a due a due ortogonali.
- Pivot
- Primo elemento non nullo di una riga in forma a scala.
- Definita positiva
- Simmetrica con xᵀAx > 0 per x ≠ 0.
- Proiezione
- Punto più vicino a b in un sottospazio.
- Rango
- Numero di pivot; dimensione dello spazio delle colonne.
- Valore singolare
- σᵢ = √λᵢ(AᵀA).
- Span
- Tutte le combinazioni lineari di un insieme di vettori.
- Sottospazio
- Un insieme che contiene 0 ed è chiuso rispetto a somma e moltiplicazione per scalari.
Griglia di autovalutazione
Non si assegnano voti né crediti. Usala per valutare onestamente a che punto sei in ogni unità.
| Livello | Come si presenta |
|---|---|
| 4 · Padronanza | Sceglie lo strumento giusto (eliminazione, proiezione, autovalori o SVD), calcola a mano i casi piccoli, verifica le risposte (Ax = b, traccia e determinante) e spiega il significato con figure e nel contesto. |
| 3 · Competente | Risolve gli esercizi con qualche occasionale errore di calcolo. |
| 2 · In sviluppo | Segue gli esempi svolti ma confonde righe e colonne o i quattro sottospazi. |
| 1 · Principiante | Manipola simboli senza verificare dimensioni o risposte; deve rivedere l’unità. |
Pesi suggeriti se vuoi un punteggio
| Parte | Peso |
|---|---|
| Esercizi | 25% |
| Laboratori | 20% |
| Serie di esercizi di metà corso | 25% |
| Serie di esercizi finale | 30% |
Punta al livello 3 o superiore in ogni unità prima di passare al corso successivo.



