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Explicación del significado físico de un valor propio en un problema del mundo real

Problema contextual

Un estudiante de doctorado en Matemáticas Aplicadas está defendiendo su tesis y necesita hacer un barril de 10 galones de vodka y cerveza para aplacar a su comité de tesis. Supongamos que todos los miembros del comité, que son personas obstinadas, se niegan a firmar la documentación de su tesis hasta el día siguiente. Dado que todos los miembros del comité volverán a casa inmediatamente después de su defensa, quiere asegurarse de que todos vuelvan a casa sanos y salvos. Para ello, debe asegurarse de que su mezcla no contenga demasiado alcohol.

Por lo tanto, su objetivo es hacer una mezcla de 10 litros de vodka y cerveza tal que el contenido total de alcohol de la mezcla sea sólo $12$ por ciento. Supongamos que la cerveza tiene $8\%$ alcohol mientras que el vodka tiene $40\%$ . Si $x$ es el volumen de cerveza y $y$ es el volumen de vodka necesario, entonces claramente el sistema de ecuaciones es

\begin {ecuación} x+y=10 \\ 0,08 x +0,4 y = 0,12 \times 10 \end {Ecuación}

Mi pregunta

Los valores y vectores propios de la matriz correspondiente

\begin {Ecuación} \left [ \begin {array}{cc} 1 & 1 \\ 0.08 & 0.4 \end {array} \right ] \end {Ecuación}

son

\begin {align} \lambda_1\approx 1.1123 \\ \lambda_2\approx 0.2877 \\ v_1 \approx\left [ \begin {array}{c} 0.9938 \\ 0.1116 \end {array} \right ] \\ v_2 \approx\left [ \begin {array}{c} -0.8145 \\ 0.5802 \end {array} \right ] \end {align}

¿Cómo interpreto su significado físico en el contexto de este problema concreto?

4voto

Hagen von Eitzen Puntos 171160

Una interpretación de los valores y vectores propios de esta matriz tiene poco sentido porque no es de forma natural un endomorfismo de un espacio vectorial: En el lado de "entrada" se tiene (litros de vodka, litros de cerveza) y en el de "salida" (litros de líquido, litros de alcohol). Por ejemplo, nada impide cambiar el orden de la cerveza y el vodka (o del líquido y el alcohol), lo que daría lugar a valores propios totalmente diferentes.

3voto

Robert Mastragostino Puntos 10105

Primero tenemos que interpretar la transformación "físicamente". Lo que hace es obtener la cantidad de cada tipo de alcohol como entrada, y escupe el volumen total y el volumen de alcohol como salida.

Me sorprendería que esto tuviera una "interpretación física" seria, porque la entrada y la salida son de tipos diferentes. Supongo que diría que los vectores propios son las mezclas de alcohol en las que la proporción de cerveza y vodka es la misma que el porcentaje de alcohol en la mezcla final. Técnicamente es interprable, pero probablemente no sea más que una curiosidad.

3voto

user26872 Puntos 11194

Aunque los vectores y valores propios no desempeñan su papel habitual en este problema (como se argumenta en las otras respuestas) el sistema de eigenes sigue teniendo una interpretación física.

El vector propio $v_2$ no es física, ya que corresponde a un volumen negativo.

Dejemos que $M$ representan la matriz anterior, $$M v_1 = \lambda_1 v_1.$$ Desde $\lambda_1 y/(\lambda_1 x) = y/x$ , el contenido de alcohol de la mezcla final es igual a la relación entre el vodka y la cerveza. Además $$x+y = \lambda_1 x,$$ por lo que el valor propio es el contenido de alcohol de la mezcla final más uno.

Esta mezcla podría utilizarse ya que el contenido de alcohol es de aproximadamente 11%. Para obtener una mezcla de 10 litros escalar el vector propio, $v_1 \rightarrow 10v_1/(x+y)$ . Tal vez el comité lo encuentre una mezcla más interesante desde el punto de vista matemático.

-1voto

awkward Puntos 1740

Realmente no se necesitan vectores propios para resolver este problema. Sólo tienes que tratarlo como un problema de programación lineal y dejar que el Algoritmo Simplex (o tu algoritmo de elección) llegue a una solución factible. Puesto que usted necesita una función objetivo, puede elegir uno arbitrariamente; por ejemplo, usted podría elegir para minimizar el costo total. Si no conoces los costes de la cerveza y el vodka, invéntate algunos.

-1voto

Mohit Puntos 1

El problema es muy sencillo e interesante λ1 ≈ 1,1123 es el contenido de alcohol puro de la cerveza en volumen y λ2≈0,2877 es el contenido de alcohol puro del vodka en volumen ( $8%$ cerveza en un litro = $80 \mathrm{mL}$ alcohol puro de cerveza).

En la dirección del volumen no tiene importancia, por lo que aquí el vector propio es un término puramente matemático.

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