幂和指数

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幂和指数

2024-01-22 06:44| 来源: 网络整理| 查看: 265

正整数幂

如果 A 为方阵并且 p 为正整数,则 A^p 实际上是将 A 乘以其自身 p-1 次。例如:

A = [1 1 1 1 2 3 1 3 6]; A^2ans = 3×3 3 6 10 6 14 25 10 25 46 逆幂和分数幂

如果 A 为方阵并且是非奇异的,则 A^(-p) 实际上是将 inv(A) 乘以其自身 p-1 次。

A^(-3)ans = 3×3 145.0000 -207.0000 81.0000 -207.0000 298.0000 -117.0000 81.0000 -117.0000 46.0000

MATLAB® 用相同的算法计算 inv(A) 和 A^(-1),因此结果完全相同。如果矩阵接近奇异,inv(A) 和 A^(-1) 都会发出警告。

isequal(inv(A),A^(-1))ans = logical 1

也允许分数幂,例如 A^(2/3)。使用小数幂的结果取决于矩阵特征值的分布。

A^(2/3)ans = 3×3 0.8901 0.5882 0.3684 0.5882 1.2035 1.3799 0.3684 1.3799 3.1167 逐元素幂

.^ 运算符计算逐元素幂。例如,要对矩阵中的每个元素求平方,可以使用 A.^2。

A.^2ans = 3×3 1 1 1 1 4 9 1 9 36 平方根

使用 sqrt 函数可以方便地计算矩阵中每个元素的平方根。另一种方法是 A.^(1/2)。

sqrt(A)ans = 3×3 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.4142 1.7321 1.0000 1.7321 2.4495

对于其他根,您可以使用 nthroot。例如,计算 A.^(1/3)。

nthroot(A,3)ans = 3×3 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.2599 1.4422 1.0000 1.4422 1.8171

这些按元素计算的根不同于矩阵平方根,后者计算得到的是另一个矩阵 B 以满足 A=BB。函数 sqrtm(A) 采用更精确的算法计算 A^(1/2)。sqrtm 中的 m 将此函数与 sqrt(A) 区分开来,后者与 A.^(1/2) 一样,以逐元素方式工作。

B = sqrtm(A)B = 3×3 0.8775 0.4387 0.1937 0.4387 1.0099 0.8874 0.1937 0.8874 2.2749 B^2ans = 3×3 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 2.0000 3.0000 1.0000 3.0000 6.0000 标量底

除了对矩阵求幂以外,您还可以以矩阵为次数对标量求幂。

2^Aans = 3×3 10.4630 21.6602 38.5862 21.6602 53.2807 94.6010 38.5862 94.6010 173.7734

当您以矩阵为次数对标量求幂时,MATLAB 使用矩阵的特征值和特征向量来计算矩阵幂。如果 [V,D] = eig(A),则 2A=V 2D V-1。

[V,D] = eig(A); V*2^D*V^(-1)ans = 3×3 10.4630 21.6602 38.5862 21.6602 53.2807 94.6010 38.5862 94.6010 173.7734 矩阵指数

矩阵指数是以矩阵为次数对标量求幂的特殊情况。矩阵指数的底是欧拉数 e = exp(1)。

e = exp(1); e^Aans = 3×3 103 × 0.1008 0.2407 0.4368 0.2407 0.5867 1.0654 0.4368 1.0654 1.9418

expm 函数是计算矩阵指数的一种更方便的方法。

expm(A)ans = 3×3 103 × 0.1008 0.2407 0.4368 0.2407 0.5867 1.0654 0.4368 1.0654 1.9418

矩阵指数可以用多种方法来计算。有关详细信息,请参阅 矩阵指数。

处理较小的数字

对于非常小的 x 值,MATLAB 函数 log1p 和 expm1 可以精确计算 log(1+x) 和 ex-1。例如,如果您尝试将小于计算机精度的一个数与 1 相加,则结果会舍入到 1。

log(1+eps/2)ans = 0

但是,log1p 能够返回更准确的答案。

log1p(eps/2)ans = 1.1102e-16

同样,对于 ex-1,如果 x 非常小,则会将它舍入为零。

exp(eps/2)-1ans = 0

同样,expm1 能够返回更准确的答案。

expm1(eps/2)ans = 1.1102e-16


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