ΙΔΙΟΤΙΜΕΣ Σημείωση Προς το πρόν, κινούμεθ στο σώμ R των πργμτικών ριθμών Έν ιδιοδιάνυσμ ή χρκτηριστικό διάνυσμ ενός πίνκ Α, που ντιστοιχεί στην ιδιοτιμή, είνι εκείνο το μη μηδενικό διάνυσμ το οποίο πηροί την εξίσωση A (), γι κάποιο μονόμετρο Η εξίσωση () οδηγεί στο ομογενές σύστημ (A I) (), το οποίο έχει ύση διάφορο της μηδενικής, ν κι μόνον ν οι κοώνες του πίνκ A I είνι γρμμικά εξρτημένες (βέπε 5) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ) Η τιμή είνι ιδιοτιμή του πίνκ A ; 8 Λύση Σχημτίζουμε την εξίσωση (): Οι κοώνες του πίνκ 8 A I είνι τ δινύσμτ κι, που είνι γρμμικά εξρτημέν Το είνι, 6 οιπόν, ιδιοτιμή του πίνκ Α ) Το διάνυσμ είνι ιδιοδυάνυσμ του πίνκ A 4 ; 8 Λύση Σχημτίζουμε την εξίσωση ():, η οποί μς οδηγεί 8 4 4 στο σύστημ ή το οποίο είνι δύντο Άρ το δεν 4 4 9 4 είνι χρκτηριστικό διάνυσμ του πίνκ Α Μί συνθήκη ικνή κι νγκί γι ν είνι οι κοώνες του πίνκ () γρμμικά εξρτημένες, είνι η det ( A I) Το νάπτυγμ της det( A I) είνι έν πουώνυμο p( ), n βθμού, κούμενο χρκτηριστικό πουώνυμο του οποίου οι ρίζες (ιδιοτιμές-χρκτηριστικές ρίζες) είνι υτές που κθιστούν την προηγούμενη συνθήκη ηθή ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ) Έστω ο πίνκς δίδοντι πό τις ρίζες του πουωνύμου A p ( ) 6 9 Οι ιδιοτιμές του Α - - 6 - det( A - I) det - - ( )( )( 5) - 9 - Στην ρίζ, ντιστοιχεί το χρκτηριστικό διάνυσμ, όπου
6 Είνι, 9 8 Στην ρίζ, ντιστοιχεί το χρκτηριστικό διάνυσμ, όπου 6 5 Είνι, 9 8 Στην ρίζ 5, ντιστοιχεί το χρκτηριστικό διάνυσμ, όπου 6 6 8 Είνι, 5 9 5 Πρτηρούμε ότι: ) Το σύνοο {,, } είνι γρμμικά νεξάρτητο, κι συνεπώς είνι δυντόν ν χρησιμοποιηθεί ως βάση του R ) Το πουώνυμο det( A I) έχει τρεις πές ρίζες ) Κάθε χρκτηριστικό διάνυσμ πράγει μί ευθεί που διέρχετι πό την ρχή του συστήμτος νφοράς 4) R < > < > < > 5) r nk(a I) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ) Το χρκτηριστικό πουώνυμο του πίνκ 7 5 A 45 8 5 είνι το p( ) ( )( ) Οι ιδιοτιμές του Α είνι οι κι Η εξίσωση ( I), που ντιστοιχεί στην πή ρίζ, δίδει το χρκτηριστικό A διάνυσμ Γι την διπή ρίζ έχουμε: 5 5 5 5 ( A I) 45 5 Το σύστημ 45 5 5 5 5 5 5 5 δίδει 45 5 π όπου,
, Είνι, οιπόν, / / Στην διπή ρίζ ντιστοιχούν τ ιδιοδινύσμτ κι Πρτηρούμε ότι: ) Το σύνοο {,, } είνι γρμμικά νεξάρτητο, κι συνεπώς είνι δυντόν ν χρησιμοποιηθεί ως βάση του R ) Το πουώνυμο det( A I) έχει μί πή ρίζ κι μί διπή ρίζ ) Τ χρκτηριστικά δινύσμτ πράγουν μί ευθεί κι έν επίπεδο, που διέρχοντι πό την ρχή του συστήμτος νφοράς 4) R < > <, > 5) r nk(a I) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ) Το χρκτηριστικό πουώνυμο του πίνκ A είνι το p( ) ( )( ) Οι ιδιοτιμές του Α είνι οι κι Η εξίσωση ( I), που ντιστοιχεί στην πή ρίζ, δίδει το χρκτηριστικό A διάνυσμ Γι την διπή ρίζ έχουμε: ( A I) π όπου, Πρτηρούμε ότι: ) Το σύνοο {, } είνι γρμμικά νεξάρτητο, κι συνεπώς δεν είνι δυντόν ν χρησιμοποιηθεί ως βάση του R ) Το πουώνυμο det( A I) έχει μί πή ρίζ κι μί διπή ρίζ ) Τ χρκτηριστικά δινύσμτ πράγουν δύο ευθείες, που διέρχοντι πό την ρχή του συστήμτος νφοράς 4) W < > < > R, υπόχωρος που πράγετι πό τ χρκτηριστικά δινύσμτ 5) r nk(a I) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4) Το χρκτηριστικό πουώνυμο του πίνκ
4 A 4 είνι το p Ο Α έχει μί ιδιοτιμή Γι την μονδική τριπή ρίζ ( ) ( ) έχουμε: ( A I) π όπου, κι - Πρτηρούμε ότι: ) Το σύνοο {, } είνι γρμμικά νεξάρτητο, κι συνεπώς δεν είνι δυντόν ν χρησιμοποιηθεί ως βάση του R ) Το πουώνυμο det( A I) έχει μί τριπή ρίζ ) Τ δύο χρκτηριστικά δινύσμτ που προκύπτουν, πράγουν δύο ευθείες, που διέρχοντι πό την ρχή του συστήμτος νφοράς 4) W < > < > R, υπόχωρος που πράγετι πό τ χρκτηριστικά δινύσμτ 5) r nk(a I) Ορισμός Οι ιδιόχωροι του πίνκ Α, είνι εκείνοι οι υπόχωροι, οι οποίοι πράγοντι πό τ χρκτηριστικά μη μηδενικά δινύσμτ του Α Στην περίπτωση, που ο Α έχει το ως ιδιοτιμή, η εξίσωση (A I) μεττρέπετι στην A, η οποί έχει ύση διφορετική της μηδενικής, ν κι μόνον ν deta οπότε πίνκς Α δεν ντιστρέφετι Ισχύει συνεπώς η πρότση, ΠΡΟΤΑΣΗ Ο n n πίνκς Α είνι ντιστρέψιμος, ν κι μόνον ν δεν έχει ιδιοτιμή την ΠΡΟΤΑΣΗ Τ χρκτηριστικά δινύσμτ {,, Kρ} του Α, που ντιστοιχούν σε διφορετικές ιδιοτιμές, ποτεούν σύνοο γρμμικά νεξάρτητο Απόδειξη Έστω το,, K } γρμμικά εξρτημένο Μπορούμε τότε ν { ρ υποθέτουμε ότι κ γ γ K γ κ κ με γ i, i κ - κι το σύνοο {,, K κ } γρμμικά νεξάρτητο Η δράση του πίνκ Α πάνω στο κ δίδει την A κ γa γa K γ κ A κ ή κι κκ γ γ K γκ κ κ Έχουμε κι τις i κ γi γi K γκ iκ, i κ Άρ κι τις ( κ i ) κ γ( i) γ( i) K γκ ( κ i) κ Γι i κ προκύπτει η γ ( κ ) γ( κ ) K γκ ( κ κ ) κ Το σύνοο {,, K κ } είνι γρμμικά νεξάρτητο Άρ γ i ( i κ ) γι i κ Όμως πό υπόθεση i Άρ γι i κ, γ, άτοπο κ Έστω Α τριγωνικός πίνκς Τ διγώνι στοιχεί του, είνι κι οι ιδιοτιμές του, μι κι η ορίζουσ τριγωνικού πίνκ, ισούτι με το γινόμενο των διγωνίων στοιχείων του (βέπε ενότητ ΟΡΙΖΟΥΣΕΣ) i
5 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Περίπτωση πίνκ Έστω A Το χρκτηριστικό πουώνυμο είνι το p( ) det ( )( )( ) Διγωνοποίηση πίνκος Ένς n n πίνκς Α είνι διγωνοποιήσιμος, νν είνι όμοιος προς διγώνιο πίνκ D Αν, δηδή, υπάρχει ντιστρέψιμος πίνκς P, τέτοιος ώστε A PDP ΠΡΟΤΑΣΗ Ο πίνκς Α είνι διγωνοποιήσιμος, νν έχει n γρμμικά νεξάρτητ ιδιοδινύσμτ Απόδειξη Κτ ρχήν υπενθυμίζουμε ότι, (βέπε ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ), ν ο P είνι ο n n πίνκς P [ u, u, K ], τότε, AP [Au, Au, KA ] () un un L Επίσης, ν D M O M, τότε, PD [ u, u, Knun ] () L n ) Ο Α είνι διγωνοποιήσιμος Άρ A PDP, ή AP PD, ή [Au, Au, K Au n ] [ u, u, Knun ] άρ κι Au u, Au u, K Au n nun Επειδή ο P ντιστρέψιμος, τ ιδιοδινύσμτ ui, i n είνι γρμμικά νεξάρτητ β) Αν δίδοντι τ n γρμμικά νεξάρτητ ιδιοδινύσμτ u, u, Kun, μπορούμε ν κτσκευάσουμε τον ντιστρέψιμο πίνκ P [ u, u, K ] κι με τις ιδιοτιμές τον πίνκ D Λόγω των () κι () έχουμε την un AP PD, δηδή, την A PDP ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ν διγωνοποιήσετε τον πίνκ Α, ν γίνετι, όπου A 5 Λύση Το χρ/κό πουώνυμο του Α είνι το p( ) det(a I) 4 με ρίζες ( ) (πή) κι ( ) (διπή) Θ πρέπει στις ιδιοτιμές υτές ν ντιστοιχούν τρί διφορετικά γρμμικά νεξάρτητ ιδιοδινύσμτ, που ν πράγουν τον R Αν υτό δεν συμβίνει, τότε ο Α δεν διγωνοποιήτι Γι, u κι γι, u, u Είνι, οιπόν, i
6 > < > < u u u, R κι P D ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ν διγωνοποιήσετε τον πίνκ Α, ν γίνετι, όπου 6 4 4 A Λύση Το χρ/κό πουώνυμο του Α είνι το ( ) 4 I) det(a p με ρίζες (πή) κι ( ) ) ( (διπή) Θ πρέπει στις ιδιοτιμές υτές ν ντιστοιχούν τρί διφορετικά γρμμικά νεξάρτητ ιδιοδινύσμτ, που ν πράγουν τον R Γι βίνουμε το χρ/κό διάνυσμ Γι u βίνουμε το χρ/κό διάνυσμ Τ δινύσμτ υτά δεν ποτεούν βάση γι τον u R Ο πίνκς Α δεν διγωνοποιήτι ΠΡΟΤΑΣΗ Όμοιοι πίνκες έχουν το ίδιο χρκτηριστικό πουώνυμο Απόδειξη Υποθέτουμε ότι οι πίνκες Α κι Β είνι όμοιοι Τότε, με Ισχύει ότι PAP B PP I ) I det(a ) I)P det(p(a I) det(pap I) det(b ΠΡΟΤΑΣΗ Κάθε πίνκς Α, είνι όμοιος προς έν (άνω) τριγωνικό πίνκ n n Απόδειξη ) Γι, Έστω ιδιοτιμή του Α κι το ιδιοδιάνυσμ, που ντιστοιχεί στην ιδιοτιμή Είνι ή νυτικά, Θεωρούμε τον πίνκ, που έχει ως κοώνες τ δινύσμτ κι, με n A A A ], [ det Είνι,,, με δ det δ Υποογίζουμε το γινόμενο A
7 ή A β β, όπου β, β Στην συνέχει υποογίζουμε το γινόμενο β β β γ A δ β δ β β γ ) Ερχόμστε, τώρ, στην γενική περίπτωση Έστω,, K, n οι ιδιοτιμές του πίνκ Α Σχημτίζουμε ένν πίνκ, που έχει σν πρώτη κοών το ιδιοδιάνυσμ, κι έχει det Εκτεούμε την πράξη A κι κτήγουμε σε έν πίνκ που η πρώτη κοών του έχει την μορφή γ Είνι, οιπόν A A Οι πίνκες Α κι A ως M Γ όμοιοι, έχουν τις ίδιες ιδιοτιμές Θεωρούμε, τώρ, τον ( n ) (n ) πίνκ Γ του οποίου οι ιδιοτιμές είνι φνερά οι, K, n, κι εφρμόζουμε κι σ υτόν την προηγούμενη διδικσί Μετά πό n βήμτ, ο Α έχει μεττρπεί σε όμοιο άνω τριγωνικό πίνκ ΘΕΩΡΗΜΑ (Cyley Hmilton) Κάθε τετργωνικός πίνκς πηροί την χρκτηριστική του εξίσωση Απόδειξη Όμοιοι πίνκες έχουν ίδιες ιδιοτιμές κι συνεπώς ίδι χρκτηριστική εξίσωση Αρκεί συνεπώς το Θεώρημ ν ισχύει γι άνω τριγωνικό πίνκ Α Όπως όμως είδμε προηγουμένως, τ διγώνι στοιχεί ενός άνω τριγωνικού πίνκ, είνι οι ιδιοτιμές του Είνι, οιπόν, (ενδεχομένως μερικές ρίζες είνι ποπές), K n K n A M M O M K n Το χρκτηριστικό πουώνυμο του πίνκ Α είνι p() ( )( ) L ( n ) Στο πουώνυμο p (), ντιστοιχεί το p(a) (A I)(A I) L (A ni) Όμως ο πίνκς A ii έχει στην θέση ii i i Άρ ο πίνκς p(a) (A i I) (Πράγμτι, γι δύο πίνκες υτής της i n μορφής,, γι τρείς πίνκες υτής της μορφής είνι,
8 κοκ) Ισχύει οιπόν ότι, p(a), n R