Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Ιδιοτιμές - Ιδιοδιανύσματα Ιωάννης Λυχναρόπουλος Μαθηματικός, MSc, PhD
Χαρακτηριστικά Ποσά Τετράγωνου Πίνακα (Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα) A M ( ) F Τα επόμενα ορίζονται μόνο σε Τετράγωνους Πίνακες Ιδιοτιμή του Α είναι ένας αριθμός (στο F) τέτοιος ώστε Av = για κάποιο v 0 F λv Ιδιοδιάνυσμα του Α που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ Παρατηρήσεις Η ιδιοτιμή λέγεται επίσης και χαρακτηριστική τιμή και το ιδιοδιάνυσμα χαρακτηριστικό διάνυσμα. Και τα δύο μαζί ονομάζονται χαρακτηριστικά ποσά. Τα χαρακτηριστικά ποσά ενός ενδομορφισμού T : V V ορίζονται ως τα αντίστοιχα ποσά του πίνακα αναπαράστασης [ T ] H διεύθυνση ενός ιδιοδιανύσματος παραμένει αμετάβλητη κατά την επίδραση του πίνακα Α (η φορά όμως μπορεί να αλλάξει!). Οι ιδιοτιμές ενός x πίνακα είναι ακριβώς σε πλήθος (στο σώμα C), αλλά όχι κατ ανάγκη διαφορετικές μεταξύ τους. Ένα ιδιοδιάνυσμα δεν μπορεί να είναι το μηδενικό, αλλά μία ιδιοτιμή μπορεί να πάρει την τιμή 0. Ένας πίνακας με πραγματικούς αριθμούς μπορεί να έχει μιγαδικές ιδιοτιμές. Σε κάθε ιδιοτιμή αντιστοιχούν άπειρα ιδιοδιανύσματα
Φάσμα Ιδιοχώρος Γεωμετρική Πολλαπλότητα Φασματική Ακτίνα Φάσμα του Α σ ( A) Ιδιοχώρος που αντιστοιχεί σε μία ιδιοτιμή του Α V ( λ) ή V( λ) = N( A λi ) A : Το σύνολο όλων των ιδιοτιμών του Α Γεωμετρική Πολλαπλότητα ιδιοτιμής Καλείται η διάσταση: Φασματική Ακτίνα dim V ( λ) ρ( Α ) = max λ i, 1 i Ισούται με το σύνολο όλων των ιδιοδιανυσμάτων που αντιστοιχούν στην ιδιοτιμή λ, μαζί με το μηδενικό διάνυσμα Ισούται με το πλήθος των ελεύθερων μεταβλητών Χαρακτηριστική Εξίσωση του Α Υπολογισμός ιδιοτιμών - ιδιοδιανυσμάτων λ Ιδιοτιμή του Α det( A λi ) = 0 v Ιδιοδιάνυσμα του Α v V( λ), v O
Χαρακτηριστικό Πολυώνυμο Σταθερός όρος Χαρακτηριστικό Πολυώνυμο του Α p ( λ) = det( A λi ) = ( 1) λ + b λ +... + bλ+ b 1 A 1 1 0 Είναι πολυώνυμο -οστού βαθμού Οι ρίζες του είναι οι ιδιοτιμές του πίνακα Α (Έχει ακριβώς ρίζες στο σύνολο C των μιγαδικών αριθμών) p ( A) = O A Θεώρημα Cayley - Hamilto Παρατήρηση: Σε ορισμένα συγγράμματα ορίζεται ως p ( λ) = ( 1) det( A λi ) = det( λi A) A Πολυωνυμικός Πίνακας (Για τον υπολογισμό του θέτουμε όπου λ τον Α και πολλαπλασιάζουμε τον σταθερό όρο με ) I Ανάλυση σε γινόμενο ανάγωγων πολυωνύμων ( ) ( ) ( ) r r r k k p ( λ) = λ λ λ λ λ λ με i A r1+ r2 +... + rk = r Αλγεβρική Πολλαπλότητα της ιδιοτιμής λ i Η Γεωμετρική Πολλαπλότητα είναι πάντοτε μικρότερη ή ίση από την Αλγεβρική Πολλαπλότητα
Ιδιότητες Ιδιοτιμών - Ιδιοδιανυσμάτων det( A) = λ λ λ = b Σταθερός όρος του pa( λ) 0 A αντιστρέψιµος λ 0 i b 0 Έστω οι όμοιοι πίνακες A,B B ( ) = 1+ 2 +... + tr A λ λ λ = 1 P AP i τότε ισχύουν τα ακόλουθα: Οι A,B έχουν το ίδιο χαρακτηριστικό πολυώνυμο και τις ίδιες ιδιοτιμές. Αν v ιδιοδιάνυσμα του Β που αντιστοιχεί στην λ, τότε το ιδιοδιάνυσμα του Α που αντιστοιχεί στην ίδια ιδιοτιμή λ. Αν v ιδιοδιάνυσμα του Α που αντιστοιχεί στην λ, τότε το ιδιοδιάνυσμα του B που αντιστοιχεί στην ίδια ιδιοτιμή λ. 0 Όχι όμως και τα αντίστροφά τους αναγκαστικά! Pv 1 P v είναι είναι Οι ιδιοτιμές ενός διαγώνιου πίνακα είναι ακριβώς τα διαγώνια στοιχεία του και τα ιδιοδιανύσματα που αντιστοιχούν σε αυτές είναι τα διανύσματα της κανονικής βάσης. Οι ιδιοτιμές ενός τριγωνικού (άνω ή κάτω) πίνακα είναι τα διαγώνια στοιχεία του. Προσοχή: Ένας πίνακας που προκύπτει από έναν άλλο πίνακα μέσω στοιχειωδών πράξεων δεν έχει κατ ανάγκη ίδιες ιδιοτιμές με τον αρχικό πίνακα
Ιδιότητες Ιδιοτιμών - Ιδιοδιανυσμάτων Αν v είναι ιδιοδιάνυσμα ενός αντιστρέψιμου πίνακα Α, το οποίο αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ, τότε το v είναι ιδιοδιάνυσμα του A k που αντιστοιχεί στην k ιδιοτιμή 1/ λ αυτού. Αν v είναι ιδιοδιάνυσμα ενός πίνακα Α, το οποίο αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ, k k τότε το v είναι ιδιοδιάνυσμα του A που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ αυτού. Έστω px ( ) ένα πολυώνυμο. Αν v είναι ιδιοδιάνυσμα ενός πίνακα Α, το οποίο αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ, τότε το v είναι ιδιοδιάνυσμα του pa ( ) που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή p( λ) αυτού. Ένας πίνακας Α και ο Ανάστροφός του έχουν τo ίδιο σύνολο ιδιοτιμών (αλλά όχι αναγκαστικά και ιδιοδιανυσμάτων) Ένας Συμμετρικός πίνακας με πραγματικές τιμές έχει μόνον πραγματικές ιδιοτιμές και τα ιδιοδιανύσματα που αντιστοιχούν σε διαφορετικές ιδιοτιμές είναι κάθετα μεταξύ τους. Τα ιδιοδιανύσματα που αντιστοιχούν σε διακριτές ιδιοτιμές είναι γραμμικά ανεξάρτητα. Αν όλες οι ιδιοτιμές ενός πίνακα είναι διακριτές τότε υπάρχει μία βάση του που αποτελείται από ιδιοδιανύσματα του Α. F Αν ένας μιγαδικός αριθμός είναι ιδιοτιμή ενός πίνακα πραγματικών αριθμών τότε θα είναι ιδιοτιμή και ο συζυγής του.
Γραμμικός Μετασχηματισμός ορισμένος από μία βάση Ιδιοδιανυσμάτων Αν T : V V { } B= v, v,..., v Τότε για κάθε στοιχείο θα είναι: Γραμμικός Μετασχηματισμός 1 2 μία βάση του V (dimv=) αποτελούμενη από ιδιοδιανύσματα του στις ιδιοτιμές, τα οποία αντιστοιχούν w V w= av 1 1+ av 2 2 +... + av Tw ( ) = atv ( ) + atv ( ) +... + atv ( ) Επίσης T λ1, λ2,..., λ T w a v a v a v ( ) = 1λ1 1+ 2λ2 2+... + λ [ T ] = diag { λ λ λ } B,,...,
Διαγωνοποιήσιμος Πίνακας Ορισμός Ο Α διαγωνοποιήσιμος D = 1 P AP Είναι όμοιος με ένα διαγώνιο πίνακα D Ο P δεν είναι μοναδικός! Κριτήρια Όλες οι ιδιοτιμές του Α είναι διακριτές Ο Α διαγωνοποιήσιμος Ο Α με πραγματικές τιμές είναι συμμετρικός Ο Α διαγωνοποιήσιμος Έστω το χαρακτηριστικό πολυώνυμο του Α ( ) ( ) ( ) r r r k k p ( λ) = λ λ λ λ λ λ A τότε Γεωμετρική Πολλαπλότητα Δεν ισχύει αναγκαστικά το αντίστροφο με r1+ r2 +... + rk = Αλγεβρική Πολλαπλότητα Ο Α διαγωνοποιήσιμος dim V( λ ) = r, i, 1 i k i i Ισχύουν k k A = PD P 1, k N 1 A 1 Αν υπάρχει ο τότε ο τύπος ισχύει και για αρνητικά k Αν ο Α διαγωνοποιήσιμος τότε όλες οι ιδιοτιμές του Α είναι πραγματικές
Διαγωνοποίηση Πίνακα D = P AP ή A = PDP 1 1 Στην ουσία οι πίνακες Α και Β είναι πίνακες αναπαράστασης ενός γραμμικού μετασχηματισμού, και ο πίνακας P είναι ο πίνακας αλλαγής βάσης. Ειδικότερα: A = O πίνακας αναπαράστασης ως προς την κανονική βάση D = O πίνακας αναπαράστασης ως προς την βάση που αποτελείται από ιδιοδιανύσματα του Α. Είναι πάντοτε διαγώνιος με τα στοιχεία της διαγωνίου του να είναι ιδιοτιμές που αντιστοιχούν στα ιδιοδιανύσματα της βάσης. P = O πίνακας αλλαγής βάσης από τη βάση των ιδιοδιανυσμάτων στην κανονική βάση. Περιέχει πάντοτε ως στήλες του τα ιδιοδιανύσματα.
Αλγόριθμος Διαγωνοποίησης Πίνακα Βήμα 1 Υπολογίζουμε το χαρακτηριστικό πολυώνυμο p ( λ) = det( A λi ) Βήμα 2 Βρίσκουμε τις ρίζες του Βήμα 3 Για κάθε ιδιοτιμή λ i p ( ) A λ, οι οποίες είναι οι ιδιοτιμές του Α A βρίσκουμε τα ιδιοδιανύσματα που αντιστοιχούν σε αυτή επιλύοντας το ομογενές σύστημα ( A λii) x= O προσδιορίζουμε μία βάση του ιδιοχώρου V ( λ i ) Βήμα 4 Έστω S = v1 v2 v m {,,..., } και στη συνέχεια το σύνολο των γραμμικά ανεξάρτητων ιδιοδιανυσμάτων που βρήκαμε στο προηγούμενο βήμα Αν m< τότε ο πίνακας Α δεν είναι διαγωνοποιήσιμος Αν τότε ο πίνακας Α είναι διαγωνοποιήσιμος με πίνακα P που m = αποτελείται από τα ιδιοδιανύσματα S ως στήλες του, και είναι: ή D = 1 P AP A = PDP 1... P= v v v... με D = diag( λ1, λ2,..., λ ) Προσοχή: Έχει σημασία η σειρά: το v1 αντιστοιχεί στην λ1 κ.ο.κ.