EGENVÄRDEN och EGENVEKTORER
Transcription
EGENVÄRDEN och EGENVEKTORER
1 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer EGENVÄRDEN och EGENVEKTORER Definition1 ( av egenvektor och egenvärde för en linjär avbildning) Låt V vara ett vektorrum och T : V→V en linjär avbildning från V till V. Om det finns en nollskild vektor v och en skalär λ så att T (v ) = λ v då kallas 𝑣𝑣⃗ avbildningens egenvektor och talet λ kallas egenvärde till T. Obs: Nollvektorn 0 godkänns alltså INTE som egenvektor till någon avbildning. Däremot talet 0 kan vara ett egenvärde till T. Detta ät fallet om T (v ) = 0 ⋅ v dvs T (v ) = 0 för någon nollskylld vektor 𝑣𝑣⃗. Geometriskt betyder (*) att egenvektorn 𝑣𝑣⃗ är parallell med sin bild 𝑇𝑇(𝑣𝑣⃗) T(v) v ---------------------------------------------------------------------------------------- a11 a12 ... a1n a a22 ... a2 n 21 Låt A = vara avbildningens matris i någon bas B ... ... ... ... an1 am 2 ... ann dvs T (v ) = Av Från (*) har vi (**) Av = λ v Vi kan därför definiera matrisens egenvektor och motsvarande egenvärde på samma sätt som för en linjär avbildning. Definition2 ( av egenvektor och egenvärde för en kvadratisk matris ) Låt A vara en kvadratisk matris dvs en matris av typ n × n . Om det finns en nollskild vektor v och en skalär λ så att (**) Av = λ v då kallas 𝑣𝑣⃗ matrisens egenvektor och talet λ kallas matrisens egenvärde. Anmärkning 1. Nollvektorn 0 godkänns alltså INTE som egenvektor till en kvadratisk matris A. Däremot talet 0 kan vara ett egenvärde till A. Detta ät fallet om Av = 0 ⋅ v dvs Av = 0 2 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer för någon nollskylld vektor v . Eftersom ovanstående homogena system har icke-triviala lösningar om och endast det(A)=0 har vi att λ= 0 är ett egenvärde till A om och endast om det(A) = 0. Därför gäller följande ekvivalens: (λ= 0 är ett egenvärde till A) ⇔ (det(A) = 0) ⇔ ( A är INTE inverterbar) . Sats 1. a) Om v är en egenvektor till A som svarar mot egenvärde λ, dvs om Av = λ v då är u = tv (där t är en skalär skild från 0 ) också en egenvektor med samma egenvärde. b) Om u och v är två egenvektorer som hör till egenvärdet λ sådana att u + v ≠ 0 så är u + v också en egenvektor med samma egenvärde. Bevis: a) Au = Atv = tAv = tλ v = λtv = λu . Alltså Au = λu V.S.B. b) A(u + v ) = Au + Av = λu + λv = λ (u + v ) . Från a) och b) följer att en linjär kombination av egenvektorer som hör till egenvärdet λ är också en egenvektor som hör till λ. -------------------------------------------------------Mängden av alla egenvektorer som hör till egenverdet λ tillsammans med nollvektor kallas egenrum tillhörande λ och betecknas Eλ. Definition 3. ( Egenrum Eλ) Låt λ vara ett egenvärde till matrisen A av typ n × n . Underrummet Eλ = ker(A-λI) = {v ∈ R n : ( A − λI )v = 0} kallas egenrummet tillhörande λ. Alltså är El = {0} ∪ {Mängden av alla egenvektorer som hör till egenvärde l} . Vi kan också säga att {Mängden av alla egenvektorer som hör till egenvärde l} = El \ {0} . Bestämning av egenvärden och egenvektorer I vår kurs, som standard, betraktar vi reella vektorrum ( och därmed söker vi reella egenvärde λ) För att bestämma λ och v skriver vi om (**) Av = λ v ⇒ ( A − λI ) v = 0 eller ... a12 a1n x1 (a11 − λ ) a (a22 − λ ) ... a2 n x 2 21 =0 ... ... ... ... ... ... (ann − λ ) x n am 2 an1 (* * *) 3 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer Eftersom 𝑣𝑣⃗ ≠ �⃗ 0 enligt definitionen, söker vi icke-triviala lösningar, och de finns endast om det( A − λI ) = 0 eller (a11 − λ ) a21 ... an1 ... a12 a1n (a22 − λ ) ... a2 n =0 ... ... ... ... (ann − λ ) am 2 (* * **) Efter utveckling av determinanten får vi ett polynom i vänstersidan av ovanstående ekvationen. polynomet det( A − λI ) kallas det karakteristiska polynomet. Ekvationen det( A − λI ) = 0 är (efter utveckling av determinanten) en algebraisk ekvation av grad n. Ekvationen det( A − λI ) = 0 kallas för den karakteristiska ekvationen eller, i några böcker, ”sekularekvation”. Steg 1. Vi löser först den karakteristiska ekvationen ( EKV1 ) det( A − λI ) = 0 Och får eventuella reella egenvärden. (I vår kurs betraktar vi reella vektorrum och accepterar endast reella egenvärden) Steg 2. För varje reell lösning λk till EKV1 substituerar vi λ=λk i ( EKV2) ( A − λI ) v = 0 och bestämmer motsvarande egenvektor . Uppgift 1 Bestäm alla egenvärden, egenrummet och egenvektorer för följande matriser: 4 a) � 1 −2 � 1 b) � −1 3 � −1 3 c) a) Lösning Vi löser följande två ekvationer : det( A − λI ) = 0 och ( A − λI ) v = 0 d) ( EKV1 ) ( EKV2) Steg 1. Först löser vi den karakteristiska ekvationen , det( A − λI ) = 0 EKV1, och får eventuella reella egenvärden: (4 − 𝜆𝜆) −2 � � = 0 ⇒ (4 − 𝜆𝜆)(1 − 𝜆𝜆) + 2 = 0 ⇒ 𝜆𝜆2 − 5𝜆𝜆 + 6 = 0 1 (1 − 𝜆𝜆) 4 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer Ekvationen har två reella lösningar 2 och 3 och därför har vi två egenvärden 𝜆𝜆1 = 2, 𝜆𝜆2 = 3 . 𝑥𝑥 Steg 2. Låt 𝑣𝑣⃗ = �𝑦𝑦�. För varje reell lösning λk till EKV1 substituerar vi λ=λk i EKV2, dvs i följande ekvation � (4 − 𝜆𝜆) 1 𝑥𝑥 −2 0 � �𝑦𝑦� = � � (1 − 𝜆𝜆) 0 och bestämmer motsvarande egenvektorer. i) 𝜆𝜆1 = 2 . Vi har 𝑥𝑥 (4 − 2) −2 0 � �𝑦𝑦� = � �, 1 (1 − 2) 0 0 2 −2 𝑥𝑥 � � � � = � �, 0 1 −1 𝑦𝑦 Vi får system (som har icke triviala lösningar) � 2𝑥𝑥 − 2𝑦𝑦 = 0 𝑥𝑥 − 𝑦𝑦 = 0 Härav � 𝑥𝑥 − 𝑦𝑦 = 0 ~ � 0=0 ( 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣, 𝑡𝑡 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑦𝑦 = 𝑡𝑡 𝑜𝑜𝑜𝑜ℎ 𝑑𝑑ä𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑥𝑥 = 𝑡𝑡) Vi väljer t ex 𝑦𝑦 = 𝑡𝑡 𝑥𝑥 𝑡𝑡 1 𝑣𝑣⃗ = �𝑦𝑦� = � � = 𝑡𝑡 � � som är egenvektorer för t ≠ 0. 𝑡𝑡 1 1 1 Egenrummet Eλ 1 = t { , t ∈ R} =span( ) (även nollvektorn ingår). 1 1 2 ii ) På samma sätt får vi för 𝜆𝜆2 = 3, tillhörande egenvektorer är 𝑣𝑣⃗2 = 𝑡𝑡 � � , t ≠ 0 och 1 2 egenrummet Eλ 2 = span( ). 1 Svar: 1 a) Egenvärdet 𝜆𝜆1 = 2 med motsvarande egenvektorer 𝑣𝑣⃗1 = 𝑡𝑡 � � , t ≠ 0 och 1 1 egenrummet Eλ 1 = span( ). 1 2 Egenvärdet 𝜆𝜆2 = 3 , med motsvarande egenvektor 𝑣𝑣⃗2 = 𝑡𝑡 � � , t ≠ 0 och egenrummet 1 2 Eλ 2 = span( ). 1 1 1 b) 𝜆𝜆1 = 2 , 𝑣𝑣⃗1 = 𝑡𝑡 � �, t ≠ 0 och Eλ 1 = span( ). ; 1 1 3 Eλ 2 = span( ). 1 3 𝜆𝜆2 = 0 , 𝑣𝑣⃗2 = 𝑡𝑡 � � , t ≠ 0 och 1 5 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer c) Steg 1. 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑(𝐴𝐴 − 𝜆𝜆 I) = 0 ⇒ −λ 3 + 7 λ 2 − 14 λ + 8 = 0 Om det finns heltalslösningar till ovanstående ekvation då är de delare till konstanta termen 8. Vi testar heltalsfaktorer till 8 : ±1, ± 2 ± 4 𝑜𝑜𝑜𝑜ℎ ± 8. Talet λ1 = 1 är en lösning (kontrollera själv) och därför är polynomet −λ 3 + 7 λ 2 − 14 λ + 8 delbart med (λ − 1). Polynomdivision ger (−λ 3 + 7 λ 2 − 14 λ + 8)/(λ − 1) = −λ 2 + 6λ − 8 Ekvationen −λ 2 + 6λ − 8 = 0 ger två lösningar till 𝜆𝜆2 = 2 och ; 𝜆𝜆3 = 4. 𝑥𝑥 Steg 2. Låt 𝑣𝑣⃗ = �𝑦𝑦�. För varje egenvärde λk substituerar vi λ=λk i EKV1, 𝑧𝑧 och bestämmer motsvarande egenvektor. ( Kontrollera nedanstående svar.) 1 1 Svar c) 𝜆𝜆1 = 1 , 𝑣𝑣⃗1 = 𝑡𝑡 �1� , t ≠ 0 , Eλ 1 = span( 1 ) ; 0 0 1 1 𝜆𝜆2 = 2 , 𝑣𝑣⃗2 = 𝑡𝑡 �2� , t ≠ 0 , Eλ 2 = span( 2 ) ; 0 0 0 0 𝜆𝜆3 = 4 , 𝑣𝑣⃗3 = 𝑡𝑡 �2� , t ≠ 0 , Eλ 3 = span( 2 ). 1 1 1 1 Svar d) 𝜆𝜆1 = 0 , 𝑣𝑣⃗1 = 𝑡𝑡 �1� , t ≠ 0 , Eλ 1 = span( 1 ) ; 0 0 1 𝜆𝜆2 = 2 , 𝑣𝑣⃗2 = 𝑡𝑡 �2� , t ≠ 0 , 0 0 𝜆𝜆3 = 3 , 𝑣𝑣⃗3 = 𝑡𝑡 �0� , t ≠ 0 , 1 Eλ 2 1 = span( 2 ) ; 0 Eλ 3 0 = span( 0 ). 1 6 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer Beräkning av uttrycket Anv , där v är en egen vektor till A. Uppgift 2. (KS 2008) Antag att matrisen A har egenvektorn v som svarar mot egenvärdet λ . Visa att då v också är egenvektor till matriserna b) A 2 − 3 A + 2 I a) A 2 Bestäm motsvarande egenvärden i båda fall. Lösning: a) Enligt antagande gäller Av = λv (ekv1) Vi multiplicerar (ekv1) med A från vänster och får A2v = λAv ⇒ A2v = λ2v Allternativt kan vi direkt beräkna A2v=AAv= Aλv=λAv=λλv=λ2v Alltså, från A2v = λ2v, ser vi att v också är en egenvektor till A2 som tillhör egenvärdet λ2. b) ( A 2 − 3 A + 2 I ) v=A2v –3Av+2v= λ2v –3λv +2v =(λ2–3λ +2)v , därför är v en egenvektor till A 2 − 3 A + 2 I med tillhörande egenvärdet (λ2–3λ +2). Uppgift 3. Antag att matrisen A har egenvektorn v som svarar mot egenvärdet λ . Visa att då v också är egenvektor till matriserna a) A3 b) An där n=0, 1,2,3,.... c) A3 − 5 A2 + 3 A + 5I Bestäm motsvarande egenvärden. Lösning: a) Vi ersätter A v med λv i varje steg ( totalt tre gången): A3v = AAA v = AA(A v) = (v är en egenvektor) = AA(λv) = 2 3 (vi skriver talet λ i början av uttrycket) = λAAv = = λAλv =λ Av= λ v 3 Därmed, från A3v = λ v, ser vi att v också är en egenvektor till A3 med egenvärdet λ3. n b) På liknande sätt har vi att Anv = λ v och därmed är v också är en egenvektor till An , där n=0, 1,2,3,.... med egenvärdet λn. c) ( A3 − 5 A2 + 3 A + 5I ) v= A3v –5A2v +3Av+5v= λ3v –5λ2v +3λv+5v =(λ3–5λ2+3λ+5) v. Därför är v en egenvektor till A3 –5A2 +3A+5I med tillhörande egenvärdet (λ3–5λ2+3λ+5). n Anmärkning: Ovanstående egenskap för en egenvektor v ( dvs Anv = λ v) kan användas för att på enkelt sätt beräkna Anx för en vektor x som kan anges som en linjär kombination av matrisens egenvektorer. 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Egenvärden och egenvektorer Beräkning av uttrycket Anx , där x är en linjär kombination av egenvektorer till A. Uppgift 4. Antag att matrisen A har egenvektorerna v1 och v2 som svarar mot egenvärden λ1 respektive λ2 . Låt vidare x =k1v1+ k2v2. Bestäm a) Ax b) A44x Lösning: a) Ax = A(k1v1+ k2v2)= k1Av1+ k2Av2= k1λ1v1+ k2λ2v2 b) A44x = A44 (k1v1+ k2v2)= k1A44v1+ k2 A44v2= k1 λ144 v1+ k2 λ44 2 v2 Uppgift 5. 1 0 Antag att matrisen A har egenvektorerna v1= 1 och v2= 1 som svarar mot egenvärden 0 2 10 λ1=2 respektive λ2= –1 . Låt vidare x = 13 . 6 Kan vi (med given information) bestämma A3x ? Lösning: Vi försöker uttrycka x som en linjär kombination av egenvektorerna v1 och v2: Från av1+ bv2= x får vi a=10 och b=3. Alltså x =10v1+ 3v2. 3 Därför A x = A3 (10v1+ 3v2)= 10 A3v1+ 3 A3v2=10 λ13 v1 + 3 λ32 v2 . 1 0 1 0 80 3 = 10 ⋅ 2 ⋅ 1 + 3 ⋅ ( −1) ⋅ 1 =80 1 -3 1 = 77 0 2 0 2 − 6 80 3 Svar: A x = 77 − 6 Uppgift 6. Låt A vara en inverterbar matris med egenvektor v som svarar mot egenvärdet λ. Visa att v är också egenvektor till A-1och bestäm motsvarande egen värde. Bevis. Enligt antagandet gäller A v = λ v. Vi multiplicerar båda leden (från vänster) med A-1och får A-1A v = A-1 λ v ⇒ v = A-1 λ v ⇒ ( dela med λ ) ⇒ A-1 v = 1 v. 3 λ Alltså är v en egen vektor till A med motsvarande egenvärde λ−1 . Anmärkning: Eftersom A är inverterbar är λ ≠ 0 . -1