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Calculadora de Exponencial de Matrices

Examina un sistema lineal de ecuaciones diferenciales mediante una exponencial matricial. La calculadora de exponenciales de matrices de MiniWebtool evalúa e^(At) y puede aplicarla a un vector inicial, con detalles del método numérico y una visualización del flujo en el plano de fases.

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e^(At) lleva x₀ a lo largo del flujo de x' = Ax

Introduce abajo una matriz cuadrada A, un tiempo t y, si quieres, un vector inicial para obtener e^(At), x(t) y el flujo en el plano de fases.

Las filas pueden usar espacios o comas. Se aceptan fracciones como 1/2 y decimales como -0.4.

La calculadora evalúa la exponencial de toda la matriz, luego la aplica como una matriz de transición de estado cuando se proporciona x(0).

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Calculadora de Exponencial de Matrices

La Calculadora de Exponencial de Matrices calcula \(e^{At}\), la matriz de transición de estado para el sistema lineal homogéneo \(x'(t)=Ax(t)\). Está diseñada para álgebra lineal, teoría de control, ecuaciones diferenciales, generadores de cadenas de Markov y cualquier modelo donde una matriz constante impulse la evolución en tiempo continuo.

Resumen rápido

Calculadora de Exponencial de Matrices calcula e^(At) para una matriz cuadrada de hasta 6×6 y un tiempo t elegido. Puede aplicar el resultado a un vector inicial x(0) para resolver el sistema lineal x'(t) = Ax(t).

Calculadora de Exponencial de Matrices: funciones de un vistazo
FunciónQué incluyeIdeal para
Datos de entradaIntroduce la matriz A con una fila por línea, un tiempo t (positivo o negativo) y un vector inicial opcional x(0) con un elemento por fila de la matriz.Evolución hacia delante o hacia atrás de un sistema lineal
Tamaño de la matrizAcepta matrices cuadradas de hasta 6×6, incluidas las no diagonalizables con valores propios repetidos.Problemas de bloques de Jordan y de valores propios repetidos
Método numéricoUsa escalado y elevación al cuadrado con una aproximación de Padé de orden 13 en lugar de una serie de Taylor truncada.Saber cómo se calculó el resultado
Solución de EDOCon x(0) dado, muestra x(t) = e^(At)x(0). También se muestra la identidad de la traza det(e^(At)) = e^(tr(A)t).Resolver problemas de valor inicial para sistemas de coeficientes constantes
Vista del plano de fase 2×2Para matrices 2×2, clasifica el sistema a partir de la traza, el determinante y los valores propios, con un flujo temporal animado de la transición de estado.Desarrollar intuición sobre sistemas lineales 2D
Lente de series y copiaMuestra las contribuciones de I + At + (At)²/2! + ... y copia la matriz y el vector solución.Pasar los resultados a un informe o a apuntes

Qué Significa la Exponencial de una Matriz

Para un número escalar \(a\), la exponencial \(e^{at}\) resuelve \(x'=ax\). Para una matriz cuadrada \(A\), la misma idea funciona después de reemplazar las potencias de un número por potencias de una matriz:

\[ e^{At}=I+At+\frac{(At)^2}{2!}+\frac{(At)^3}{3!}+\cdots \]

El resultado no se obtiene elevando a la exponencial cada entrada de \(A\). La multiplicación de matrices en las potencias \(A^2,A^3,\ldots\) captura el acoplamiento entre las variables, que es exactamente lo que necesita un sistema de EDO lineales.

Resolución de Sistemas de EDO Lineales

Si \(A\) es constante y \(x(0)=x_0\), la solución del problema de valor inicial es:

\[ x(t)=e^{At}x_0 \]

Es por esto que \(e^{At}\) se denomina a menudo como matriz de transición de estado o solución de matriz fundamental. Cada columna muestra hacia dónde se mueve un estado de base estándar después de un tiempo \(t\).

Cómo Usar la Calculadora de Exponencial de Matrices

  1. Ingrese la matriz A. Coloque una fila por línea, usando espacios o comas entre las entradas.
  2. Elija el tiempo t. Use un valor positivo para la evolución hacia adelante o un valor negativo para la evolución hacia atrás.
  3. Añada x(0) al resolver una EDO. El vector debe tener el mismo número de entradas que la dimensión de la matriz.
  4. Calcule e inspeccione. Lea \(e^{At}\), el opcional \(x(t)\), la identidad de la traza y la animación 2D cuando A es 2×2.

Método Numérico

La calculadora utiliza escalado y elevado al cuadrado con un aproximante de Padé de orden 13. En términos prácticos, primero escala \(At\) a una matriz más pequeña, evalúa una aproximación racional y eleva al cuadrado repetidamente el resultado para volver a la escala de tiempo original. Esto es más estable que simplemente truncar la serie de Taylor.

Identidad Importante: Escalado de Volumen

El determinante de la exponencial de una matriz tiene una fórmula de traza compacta:

\[ \det(e^{At})=e^{\operatorname{tr}(A)t} \]

Para un sistema 2D esto describe el escalado del área bajo el flujo; para un sistema 3D describe el escalado del volumen. Una traza negativa tiende a contraer los volúmenes, mientras que una traza positiva los expande.

Cuándo Usar Esta Herramienta

Calculadora de Exponencial de Matrices: Cuándo Usar Esta Herramienta
Caso de uso Qué ingresar Qué leer
Sistema de EDO lineal Matriz \(A\), tiempo \(t\) y vector inicial \(x(0)\) \(e^{At}\) y \(x(t)=e^{At}x(0)\)
Análisis de transición de estado Matriz \(A\) y tiempo \(t\) Cómo se mueven los vectores de la base bajo el flujo
Intuición del plano de fase 2D Una matriz 2×2 y un punto inicial opcional Clase de valor propio, campo vectorial, movimiento de base y trayectoria
Modelo de control o de sistemas Matriz de sistema de tiempo continuo El mapa de transición sobre un paso de tiempo elegido

Preguntas frecuentes

¿Puede la calculadora manejar matrices no diagonalizables?

Sí. El método de Padé calcula \(e^{At}\) directamente, por lo que no requiere diagonalización. Los bloques de Jordan y los valores propios repetidos son entradas válidas siempre que los números se mantengan dentro de los límites de estabilidad.

¿Por qué hay un límite en ||At||?

Valores muy grandes de \(\|At\|_1\) pueden dar lugar a entradas exponenciales enormes o a un desbordamiento de punto flotante. La calculadora mantiene un límite conservador para que los usuarios obtengan resultados fiables en el navegador en lugar de infinitos engañosos.

¿Produce esto fórmulas simbólicas?

Esta herramienta se centra en exponenciales numéricas de matrices y valores de estado de EDO. Para formas cerradas simbólicas, diagonalización y flujos de trabajo de forma de Jordan, utilice una calculadora de valores propios o de forma normal de Jordan dedicada.

Cite este contenido, página o herramienta como:

"Calculadora de Exponencial de Matrices" en https://MiniWebtool.com/es/calculadora-de-exponencial-de-matrices/ de MiniWebtool, https://MiniWebtool.com/

por el equipo de miniwebtool. Actualizado: 24 de abr de 2026

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