1. Definition av egenvärde och egenvektor

3B1B: Eigenvectors and eigenvalues

1.1 Grundidén

När vi multiplicerar en vektor med en matris ändras i allmänhet både riktning och längd. Men ibland finns speciella vektorer vars riktning bevaras — de bara skalas. Dessa är egenvektorerna.

Definition: Egenvärde och egenvektor

Låt vara en -matris. En nollskild vektor kallas en egenvektor till om

för någon skalär . Skalären kallas ett egenvärde till , och sägs vara en egenvektor motsvarande .

Intuition: Att multiplicera med gör i allmänhet en komplicerad transformation — rotation, skjuvning, skalning i olika riktningar. Men längs egenvektorerna gör bara en enkel skalning med faktorn .

Nollvektorn är aldrig en egenvektor

Kravet är viktigt! Annars vore uppfyllt för alla och alla , vilket ger meningslös information.

Däremot kan vara ett egenvärde — det betyder att har en nontrivial lösning, dvs. är singulär.


1.2 Geometrisk tolkning

Beroende på tecknet och storleken på sker olika saker med egenvektorn:

Värde på Effekt på
Sträcks (samma riktning)
Krymps (samma riktning)
Oförändrad ()
Skickas till
Krymps och byter riktning
Sträcks och byter riktning
Byter riktning, samma längd

2. Beräkna egenvärden: den karakteristiska ekvationen

2.1 Härledning

Vi söker och sådana att . Skriv om:

För att detta ska ha en nontrivial lösning () krävs att matrisen är singulär:

Sats 5.1.1: Karakteristisk ekvation

är ett egenvärde till om och bara om

Detta kallas den karakteristiska ekvationen för .

Varför och inte ? Båda fungerar! (de skiljer sig bara med ett tecken , som inte påverkar nollställena). Boken använder för att det karakteristiska polynomet ska ha positivt ledande koefficient.


2.2 Det karakteristiska polynomet

Definition: Karakteristiskt polynom

Det karakteristiska polynomet för en -matris är

Det är ett polynom av grad i , med ledande term .

Egenvärdena till är rötterna till .

Eftersom ett polynom av grad har högst rötter, har en -matris högst egenvärden.


2.3 Räkneexempel

Strategi: Hitta rötter till karakteristiska polynomet

  1. Faktorisera direkt om det är uppenbart
  2. Testa heltalsdivisorer till konstanttermen (rationella rotsatsen)
  3. Polynomdividera bort kända rötter för att reducera graden
  4. Andragradsfomeln för de återstående faktorerna
  5. -trick: (se övning 28 i boken)

3. Triangulära matriser — egenvärden direkt

Sats 5.1.2: Egenvärden för triangulära matriser

Om är en triangulär matris (övertriangulär, undertriangulär eller diagonal), så är egenvärdena diagonalelementen.

Varför? Determinanten av en triangulär matris är produkten av diagonalelementen:


4. Hitta egenvektorer och egenrum

4.1 Metod

När vi har hittat ett egenvärde finner vi motsvarande egenvektorer genom att lösa det homogena systemet:

Definition: Egenrum

Egenrummet (eigenspace) motsvarande egenvärdet är lösningsrummet till :

Egenrummet är ett delrum av . Egenvektorerna till är de nollskilda vektorerna i .

Koppling till V5L1: Egenrummet är precis nollrummet för matrisen . Vi vet redan hur man hittar baser för nollrum — radreducera och identifiera fria variabler!


4.2 Räkneexempel


5. Tillvägagångssätt — sammanfattning

Metod: Hitta egenvärden och egenvektorer

Steg 1: Beräkna det karakteristiska polynomet .

Steg 2: Lös för att hitta egenvärdena.

Steg 3: För varje egenvärde , lös (radreducera!) för att hitta en bas för egenrummet .


6. Egenvärden och inverterbarhet

Sats 5.1.4: Egenvärden och inverterbarhet

En kvadratisk matris är inverterbar om och bara om inte är ett egenvärde till .

Varför? är ett egenvärde ej inverterbar.

Alternativ förklaring: egenvärde betyder att har en nontrivial lösning, dvs. , dvs. är singulär.


7. -trick: snabbformel

Snabbformel för -matris

Om , så är det karakteristiska polynomet:

Egenvärdena fås direkt med andragradsfomeln:


  • summa av egenvärden = spåret. Kontroll
  • Produkt av egenvärdena blir determinanten

8. Ekvivalenssatsen — utökning

Vi kan nu lägga till ett nytt villkor till den stora ekvivalenssatsen (jfr V5L1 M0067M):

Sats 5.1.5: Ekvivalenta villkor (utökning)

Om är en -matris, så är följande ekvivalenta:

(a) är inverterbar (b) har bara triviala lösningen (c) kan radreduceras till (d) är en produkt av elementärmatriser (e) är konsistent för alla (f) har exakt en lösning för alla (g) (h) Kolumnerna i är linjärt oberoende (i) Raderna i är linjärt oberoende (j) Kolumnerna spänner upp (k) Raderna spänner upp (l) Kolumnerna bildar en bas för (m) Raderna bildar en bas för (n) (o) (p) är inte ett egenvärde till NYTT


9. Övningsuppgifter

Beräkningsuppgifter


Konceptuella uppgifter


Resurser

Videor

Visuella introduktionen -tricket

Interaktiva verktyg

Wikipedia

Fördjupning