1. Definition av egenvärde och egenvektor
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 |
Exempel 1: Verifiera en egenvektor
Visa att är en egenvektor till .
Lösning: Beräkna :
Alltså är en egenvektor med egenvärde . Geometriskt: sträcker vektorn med faktor 3 utan att ändra riktning.
Exempel 2: Geometriska egenvektorer
Betrakta spegling i x-axeln: .
- Vektorer längs x-axeln (t.ex. ) är opåverkade →
- Vektorer längs y-axeln (t.ex. ) byter riktning →
Alla andra vektorer ändrar riktning och är inte egenvektorer.
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
Exempel 3: Egenvärden för -matris
Bestäm egenvärdena till .
Lösning:
Egenvärden: och .
Exempel 4: Egenvärden för -matris
Bestäm egenvärdena till .
Lösning:
Utveckla (t.ex. efter rad 1):
Hitta rötterna: Testa heltalsdivisorer till konstanttermen : .
Testa : ✓
Polynomdivision:
Andragradsekvation:
Egenvärden: , , .
Strategi: Hitta rötter till karakteristiska polynomet
- Faktorisera direkt om det är uppenbart
- Testa heltalsdivisorer till konstanttermen (rationella rotsatsen)
- Polynomdividera bort kända rötter för att reducera graden
- Andragradsfomeln för de återstående faktorerna
- -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:
Exempel 5: Egenvärden för triangulär matris
Egenvärden: , , (avläses direkt från diagonalen).
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
Exempel 6: Egenrum för -matris
Bestäm baser för egenrummen till .
Steg 1: Hitta egenvärdena.
Egenvärden: och .
Steg 2: Egenrum för .
Lös :
Radreducera:
Ekvation: .
Steg 3: Egenrum för .
Lös :
Ekvation: . Sätt :
Exempel 7: Egenrum för -matris (flerdimensionellt egenrum)
Bestäm baser för egenrummen till .
Steg 1: Hitta egenvärdena.
Egenvärden: och (dubbel rot).
Steg 2: Egenrum för .
Lös :
Fria variabeln ger , .
Steg 3: Egenrum för .
Lös :
Fria variabler: , . Då .
Notera: har algebraisk multiplicitet 2 (dubbel rot) och geometrisk multiplicitet 2 (tvådimensionellt egenrum). Dessa matchar, vilket visar sig vara viktigt för diagonalisering.
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:
Exempel: Snabbformeln
. Då och .
Egenvärden: och . ✓
- 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
Uppgift 1: Egenvärden och egenvektorer ( )
Bestäm egenvärdena och en bas för varje egenrum till .
Ledtråd -tricket: .
Använd
Facit och .
Egenvärden:
Full lösning , .
Egenvärden: , .
Egenrum för : Lös :
. Bas: .
Egenrum för : Lös :
, . Bas: .
Uppgift 2: Egenvärden och egenvektorer ( )
Bestäm egenvärdena och en bas för varje egenrum till .
Ledtråd 1 efter rad 2 eller kolumn 2 (det finns nollor där).
Utveckla
Ledtråd 2 .
Facit . Tre distinkta egenvärden.
Egenvärden:
Full lösning
Utveckla efter kolumn 2:
Egenrum för : : , , . Bas: .
Egenrum för : : , , . Bas: .
Egenrum för : : , , . Bas: .
Uppgift 3: Geometrisk tolkning
Bestäm egenvärdena och beskriv egenrummen geometriskt (utan beräkning) för:
a) Spegling i x-axeln: b) Projektion på x-axeln: c) Rotation 90° moturs:
Facit : vektorer längs x-axeln (oförändrade). : vektorer längs y-axeln (byter riktning).
a)
b) : vektorer längs x-axeln (oförändrade). : vektorer längs y-axeln (skickas till ). Notera: är singulär — konsekvent med .
c) Inga reella egenvärden! har inga reella rötter. Geometriskt: en rotation 90° bevarar aldrig riktningen av en vektor, så det finns inga egenvektorer i .
Konceptuella uppgifter
Uppgift 4: Sant eller falskt?
Avgör om påståendena är sanna eller falska. Motivera kort.
a) Om för en skalär , så är en egenvektor till . b) En matris kan ha egenvärde . c) Om har egenvärde , så har egenvärde . d) Egenvärdena till och är samma. e) Om har egenvärde och är en motsvarande egenvektor, så är också en egenvektor med egenvärde . f) Om är ett egenvärde till , så är kolumnerna i linjärt beroende.
Facit
a) Falskt. Kravet saknas. Nollvektorn uppfyller men är per definition inte en egenvektor.
b) Sant. är egenvärde har nontrivial lösning ej inverterbar.
c) Sant. Om , så .
d) Sant. , så de har samma karakteristiska polynom.
e) Falskt. är en egenvektor, men med egenvärde (inte ): .
f) Sant. egenvärde ej inverterbar kolumnerna linjärt beroende (ekvivalenssatsen).
Resurser
Videor
Visuella introduktionen -tricket
- MIT 18.06SC: Eigenvalues and Eigenvectors (Gilbert Strang) — klassisk föreläsning
Interaktiva verktyg
- matrixcalc.org — beräkna egenvärden och egenvektorer online