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Matrix%Equaons%of%Ellipses%and% Ellipsoids;%Eigenvectors ...10/11/14 1...

Date post: 26-Feb-2020
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10/11/14 1 Matrix Equa/ons of Ellipses and Ellipsoids; Eigenvectors and Eigenvalues GG303, 2014 Lecture 16 10/11/14 1 GG303 9. EIGENVECTORS, EIGENVALUES, AND FINITE STRAIN I Main Topics A Elementary linear algebra rela/ons B Equa/ons for an ellipse C Equa/on of homogeneous deforma/on D Eigenvalue/eigenvector equa/on 10/11/14 GG303 2
Transcript

10/11/14  

1  

Matrix  Equa/ons  of  Ellipses  and  Ellipsoids;  Eigenvectors  and  

Eigenvalues  GG303,  2014  Lecture  16  

10/11/14   1  GG303  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  I  Main  Topics    A  Elementary  linear  algebra  rela/ons  

B  Equa/ons  for  an  ellipse  

C    Equa/on  of  homogeneous  deforma/on  

D  Eigenvalue/eigenvector  equa/on  

10/11/14   GG303   2  

10/11/14  

2  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

10/11/14   GG303   3  

F = 2 00 0.5

⎣⎢

⎦⎥

F = 2 11 2

⎣⎢

⎦⎥

F = 1 11 0

⎣⎢

⎦⎥

Examples  of  2D  homogeneous  deforma/on  Note  that  the  symmetry  of  the  displacement  

fields  (or  lack  thereof)  in  the  examples  corresponds  to  the  symmetry  (or  lack  thereof)  in  the  deforma/on  gradient  matrix  [F].  What  is  a  simple  way  to  describe  homogeneous  

deforma/on  that  is  geometrically  meaningful?  What  is  the  geologic  relevance?    

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  II  Elementary  linear  algebra  rela/ons  A  Inverse  [A]-­‐1  of  a  real  matrix  A  1  [A][A]-­‐1  =  [A]-­‐1[A]  =  [I],                                                                    where  [I]  =  iden/ty  matrix  (e.g.,                                            )    

2  [A]  and  [A]-­‐1  must  be  square  nxn  matrices  3  Inverse  [A]-­‐1  of  a  2x2  matrix  

4  Inverse  [A]-­‐1  of  a  3x3  matrix  also  requires  determinant  |A|  to  be  non-­‐zero  

10/11/14   GG303   4  

A[ ] = a bc d

⎣⎢

⎦⎥ A[ ]−1 = 1

ad − bcd −b−c a

⎣⎢

⎦⎥ =

1A

d −b−c a

⎣⎢

⎦⎥

I[ ] = 1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

10/11/14  

3  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  II  Elementary  linear  algebra  rela/ons  B  Determinant  |A|  of    a  real  matrix  A  1  A  number  that  provides  scaling  informa/on  on  a  square  matrix  

2  Determinant  of  a  2x2  matrix  

3  Determinant  of  a  3x3  matrix        

10/11/14   GG303   5  

A = a bc d

⎣⎢

⎦⎥,   A = ad − bc

A =a b cd e fg h i

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥,   A = a e f

h i− b

d fg i

+ c d eg h

Akin  to:  Cross  product  (an  area)  Scalar  triple  product  (a  volume)  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  II  Elementary  linear  algebra  rela/ons  

C  Transpose  

D  A  matrix  [A]  is  symmetric  if  [A]  =  [A]T  

E  Transpose  of  a  matrix  product  

10/11/14   GG303   6  

For A[ ] = a bc d

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥, A[ ]T =

a cb d

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

If A[ ] = a bc d

⎣⎢

⎦⎥ and B[ ] = e f

g h

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥, then A[ ]T = a c

b d⎡

⎣⎢

⎦⎥ and B[ ]T = e g

f h

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

A[ ] B[ ] = ae+ bg af + bhce+ dg cf + dh

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥, A[ ] B[ ]⎡⎣ ⎤⎦

T=

ae+ bg ce+ dgaf + bh cf + dh

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

B[ ]T A[ ]T = ea + gb ec + gdfa + hb fc + hd

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= A[ ] B[ ]⎡⎣ ⎤⎦

T

This  is  true  for  any  real  nxn  matrices  

10/11/14  

4  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  II  Elementary  linear  algebra  rela/ons  F  Representa/on  of  a  dot  product  using  matrix  mul/plica/on  and  the  matrix  transpose  

10/11/14   GG303   7  

!a•!b = ax ,ay ,az • bx ,by ,bz = axbx + ayby + azbz

= ax ay az⎡⎣

⎤⎦

bxbybz

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= a[ ]T b[ ]

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Equa/ons  for  an  ellipse  A  Equa/on  of  a  unit  circle  1  

2  

3  

10/11/14   GG303   8  

x2 + y2 =!X •!X = 1

x y⎡⎣

⎤⎦

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= X[ ]T X[ ] = 1

x = cosθy = sinθ

10/11/14  

5  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Equa/ons  for  an  ellipse  

B  Ellipse  centered  at  (0,0),  aligned  along  x,y  axes  

1  Standard  form  

2  General  form  

3  Matrix  form  

10/11/14   GG303   9  

xa

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟2

+ yb

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟2

= 1

x y⎡⎣

⎤⎦

A 00 D

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= x y⎡⎣

⎤⎦

AxDy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= −F

Ax2 + Dy2 + F = 0

A,  D,  and  F  are  constants  here,  not  matrices  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Equa/ons  for  an  ellipse  

B  Ellipse  centered  at  (0,0),  aligned  along  x,y  axes  

4  Parametric  form  

5  Vector  form  

10/11/14   GG303   10  

x = acosθy = bsinθ

!r = acosθ

!i + bsinθ

!j

10/11/14  

6  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Equa/ons  for  an  ellipse  

C  Ellipse  centered  at  (0,0),  arbitrary  orienta/on  

1  General  form  

 provided  4AD  >  (B+C)2  

2  Matrix  form  

10/11/14   GG303   11  

x y⎡⎣

⎤⎦

A BC D

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= x y⎡⎣

⎤⎦

Ax + ByCx + Dy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= −F

Ax2 + B +C( )xy + Dx2 + F = 0

A,  B,  C,  D,  and  F  are  constants  here,  not  matrices  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  IV  Equa/on  of  homogeneous  deforma/on  A  [X’]  =  [F][X]  

B    2D  

C  3D  

10/11/14   GG303   12  

d ′xd ′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥=

∂ ′x∂x

∂ ′x∂y

∂ ′y∂x

∂ ′y∂y

⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥

dxdy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥⇒ ′x

′y⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= a b

c d⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥=

F ′x x F ′x y

F ′y x F ′y y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

d ′xd ′yd ′z

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥=

∂ ′x∂x

∂ ′x∂y

∂ ′x∂z

∂ ′y∂x

∂ ′y∂y

∂ ′y∂z

∂ ′z∂x

∂ ′z∂y

∂ ′z∂z

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

dxdydz

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⇒

′x′y′z

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥=

F ′x x F ′x y F ′x z

F ′y x F ′y y F ′y z

F ′z x F ′z y F ′z z

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

xyz

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

For  homogeneous  strain,  the  deriva/ves  are  uniform  (constants)  ,  and  dx,  dy  can  be  small  or  large  

10/11/14  

7  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  IV  Equa/on  of  homogeneous  deforma/on  [X’]  =  [F][X]  D    Cri/cal  maker:  Understanding  the  geometry  of  the  deforma/on  

E  In  homogeneous  deforma/on,  a  unit  circle  transforms  to  an  ellipse  (and  a  sphere  to  an  ellipsoid)  

F  Proof  

10/11/14   GG303   13  

X[ ]T X[ ] = 1′X[ ] = F[ ] X[ ]

F[ ]−1 ′X[ ] = F[ ]−1 F[ ] X[ ] = I[ ] X[ ] = X[ ]X[ ] = F[ ]−1 ′X[ ]X[ ]T = F[ ]−1 ′X[ ]⎡⎣ ⎤⎦

T= ′X[ ]T F[ ]−1⎡⎣ ⎤⎦

T

X[ ]T X[ ] = ′X[ ]T F[ ]−1⎡⎣ ⎤⎦TF[ ]−1 ′X[ ] = 1

′X[ ]T Symmetricmatrix[ ] ′X[ ] = 1

X   |X|=1  

Now  solve  for  [X]  

Now  solve  for  [X]T  

Now  subs/tute  for  [X]T  and  [X]  in  first  equa/on  

Equa/on  of  ellipse  See  slide  11  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  IV  Equa/on  of  homogeneous  

deforma/on  [X’]  =  [F][X]  G    [F]  transforms  a  unit  circle  to  a  

“strain  ellipse”  H  “Strain  ellipse”  geometrically    

represents  [F][X]  I    [F]-­‐1  transforms  a  “strain  

ellipse”  back  to  a  unit  circle  J    [F]-­‐1  transforms  a  unit  circle  to  

a  “reciprocal  strain  ellipse”  K    [F]  transforms  a  “reciprocal  

strain  ellipse”  back  to  a  unit  circle  

L  “Reciprocal  strain”  ellipse  geometrically    represents  [F]-­‐1[X]    

10/11/14   GG303   14  

F[ ] = a bc d

⎣⎢

⎦⎥ F[ ]−1 = 1

ad − bcd −b−c a

⎣⎢

⎦⎥

10/11/14  

8  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  A  The  eigenvalue  matrix  equa/on  [A][X]  =  λ[X]  

1  [A]  is  a  (known)  square  matrix  (nxn)  

2  [X]  is  a  non-­‐zero  direc/onal  eigenvector  (nx1)  3  λ  is  a  number,  an  eigenvalue  

4  λ[X]  is  a  vector  (nx1)  parallel  to  [X]  5  [A][X]  is  a  vector  (nx1)  parallel  to  [X]  

10/11/14   GG303   15  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

A  The  eigenvalue  matrix  equa/on  [A][X]  =  λ[X]  (cont.)  6  The  vectors  [[A][X]],  λ[X],  and  [X]  share  the  same  direc/on  if  [X]  is  an  eigenvector  

7  If  [X]  is  a  unit  vector,  λ  is  the  length  of  [A][X]  8    Eigenvectors  [Xi]  have  corresponding  eigenvalues  [λi],  and  vice-­‐versa    

9  In  Matlab,  [vec,val]  =  eig(A),  finds  eigenvectors  (vec)  and  eigenvalues  (val)  

10/11/14   GG303   16  

10/11/14  

9  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  B  Examples  1  Iden/ty  matrix  [I]  

 All  vectors  in  the  xy-­‐plane  maintain  their  orienta/on  when  operated  on  by  the  iden/ty  matrix,  so  all  vectors  are  eigenvectors,  and  all  vectors  maintain  their  length,  so  all  eigenvalues  of  [I]  equal  1.    The  eigenvectors  are  not  uniquely  determined  but  could  be  chosen  to  be  perpendicular.  

10/11/14   GG303   17  

1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= x

y⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 1 x

y⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Equa/ons  for  an  ellipse  B  Examples  (cont.)  2  Ellipse  centered  at  (0,0),  

aligned  along  x,y  axes  

 [X’]  =  [F][X]  Note  that  [F]  is  symmetric  Unit  vectors  along  the  x-­‐  

and  y-­‐  axes  don’t  rotate  and  hence  are  eigenvectors  

10/11/14   GG303   18  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2 0

0 1.5⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

2 00 1.5

⎣⎢

⎦⎥10

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2

0⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2 1

0⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

F[ ] X1[ ] = λ1 X1[ ]

2 00 1.5

⎣⎢

⎦⎥01

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 0

0.5⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 0.5 0

1⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

F[ ] X2[ ] = λ2 X2[ ]

Eigenvectors   Eigenvalues  

10/11/14  

10  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  B  Examples  (cont.)  

3  A  matrix  for  rota/ons  in  the  xy  plane    

 All  non-­‐zero  real  vectors  rotate;  a  2D  rota/on  matrix  has  no  real  eigenvectors  and  hence  no  real  eigenvalues  

10/11/14   GG303   19  

cosω sinω−sinω cosω

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= λ x

y⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  B  Examples  (cont.)  4  A  3D  rota/on  matrix  a  The  only  unit  vector  that  is  not  rotated  is  along  the  axis  of  rota/on  

b  The  real  eigenvector  of  a  3D  rota/on  matrix  gives  the  orienta/on  of  the  axis  of  rota/on  

c  A  rota/on  does  not  change  the  length  of  vectors,  so  the  real  eigenvalue  equals  1  

10/11/14   GG303   20  

10/11/14  

11  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  B  Examples  (cont.)  

5    

10/11/14   GG303   21  

A = 0 22 0

⎣⎢

⎦⎥

A2 2

2 2

⎢⎢

⎥⎥= 0 2

2 0⎡

⎣⎢

⎦⎥

2 2

2 2

⎢⎢

⎥⎥= 2

2

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2

2 2

2 2

⎢⎢

⎥⎥

A2 2

− 2 2

⎢⎢

⎥⎥= 0 2

2 0⎡

⎣⎢

⎦⎥

2 2

− 2 2

⎢⎢

⎥⎥= − 2

2

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= −2

2 2

− 2 2

⎢⎢

⎥⎥

Eigenvectors  

Eigenvalues  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  B  Examples  (cont.)  

6    

10/11/14   GG303   22  

A = 9 33 1

⎣⎢

⎦⎥

A −3 0.1− 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 9 3

3 1⎡

⎣⎢

⎦⎥

−3 0.1− 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= −30 0.1

−10 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 10 −3 0.1

− 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

Eigenvectors  

Eigenvalues  

A 0.1−3 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 9 3

3 1⎡

⎣⎢

⎦⎥

0.1−3 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 0

0⎡

⎣⎢

⎦⎥ = 0

0.1−3 0.1

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

10/11/14  

12  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

V  Eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  C  We  will  use  eigenvectors  and  eigenvalues  to  find  the  axes  of  all  strain  ellipses  and  strain  ellipsoids  in  Lab  9.      

10/11/14   GG303   23  


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