background image

1

Wartości i wektory własne macierzy

Niech

A

oznacza dana macierz kwadratową, rzeczywistą lub ze-

spoloną, stopnia

> 2(n ∈ N)

:

A =

























a

11

a

12

. . .

a

1n

a

21

a

22

. . .

a

2n

. . .

. . .

. . .

. . .

a

n1

a

n2

. . .

a

nn

























=

"

a

ij

#

n×n

,

a

ij

∈ R (C)

Definicja

• Wielomianem charakterystycznym macierzy

A

nazywamy

background image

2

wielomian rzeczywisty (lub zespolony)

(λ)

zmiennej

λ

stop-

nia

n

postaci:

(λ) = − λ | ,

gdzie

E

jest macierzą jednostkową stopnia

n

.

• Równaniem charakterystycznym macierzy

A

nazywamy równa-

nie:

(λ) = − λ = 0.

• Wartością własną macierzy

A

nazywamy każdy pierwiastek

rzeczywisty (lub zespolony) wielomianu charakterystycznego tej

macierzy, czyli każdą liczbę

λ

0

∈ R (C)

taką, że

(λ

0

) = 0

⇐⇒

− λ

0

= 0.

background image

3

Definicja

Wektorem własnym macierzy

A

odpowiadającym

danej wartości własnej

λ

tej macierzy nazywamy każdy niezerowy

wektor

~

=

























x

1

x

2

. . .

x

n

























,

będący rozwiązaniem równania macierzowego:

( A − λ

0

E )

~

~0,

czyli równania postaci:

A

~

λ

0

~

X.

background image

4

Powyższe równanie macierzowe ma postać:

























a

11

− λ

0

a

12

. . .

a

1n

a

21

a

22

− λ

0

. . .

a

2n

. . .

. . .

. . .

. . .

a

n1

a

n2

. . .

a

nn

− λ

0

























·

























x

1

x

2

. . .

x

n

























=

























0

0

. . .

0

























i jest ono równoważne następującemu układowi równań:

a

11

− λ

0

x

1

+

a

12

x

2

. . .

+

a

1n

x

n

= 0

a

21

x

1

+ ( a

22

− λ

0

x

2

. . .

+

a

2n

x

n

= 0

. . .

. . .

. . .

. . .

a

n1

x

1

+

a

n2

x

2

. . .

+ ( a

nn

− λ

0

x

n

= 0

background image

5

Uwaga

Powyższy

układ

jest

układem

jednorodnym,

a

− λ = 0

. Zatem układ ten ma zawsze rozwiązanie nieze-

rowe.

Przykład

Wyznaczyć wartości własne macierzy:

A =










2 + i

1

2

− i










background image

6

Fakt

(Postać wielomianu charakterystycznego macierzy stopnia

= 3

)

Niech

A

będzie macierzą postaci:

A =

















a

11

a

12

a

13

a

21

a

22

a

23

a

31

a

32

a

33

















Wówczas wielomian charakterystyczny ma postać:

(λ) = − λ

3

p

1

λ

2

− p

2

λ p

3

,

gdzie:

p

1

a

11

a

22

a

33

tr A

jest śladem macierzy

A

,

background image

7

p

jest sumą minorów głownych stopnia drugiego macierzy

A

,

tj.

p

2

=















a

11

a

12

a

21

a

22















+















a

11

a

13

a

31

a

33















+















a

22

a

23

a

32

a

33















,

p

3

(0) = det A

jest wyznacznikiem macierzy

A

,

Przykład

Wyznaczyć wartości własne i wektory własne macierzy:

A =

















0

1

0

4

4

0

2

1

2

















background image

8

Podstawowe własności macierzy symetrycznej i rzeczywistej

Przypomnienie

Macierz

A

jest macierzą symetryczną wtedy i

tylko wtedy, gdy jest macierzą kwadratową oraz

A

T

= A.

Fakt 1

Wszystkie wartości własne macierzy symetrycznej i rze-

czywistej są rzeczywiste.

Fakt 2

Wektory własne

~

X, ~

Y

macierzy symetrycznej i rzeczy-

wistej, które odpowidają różnym wartościom własnym

λ

X

, λ

, są

ortogonalne, tzn.

background image

9

~

X

T

◦ ~

= [ x

1

x

2

. . . x

n

























y

1

y

2

. . .

y

n

























x

1

y

1

x

2

y

2

. . . x

n

y

n

= 0.

Fakt 3

Kazda macierz kwadratowa stopnia

n

, która jest sy-

metryczna i rzeczywista, posiada

n

wektorów własnych liniowo

niezależnych.

background image

10

Przykłady i ćwiczenia

1. Niech

λ

1

, λ

2

, . . . , λ

będą wartościami własnymi macierzy kwa-

dratowej

A

stopnia

n

. Wykazać, że

det A = λ

1

· λ

2

· . . . · λ

n

.

2. Niech macierz

A

będzie macierzą kwadratową stopnia

n

.

Wykazać, że macierze

A

i

A

mają te same wartości własne.

3. Niech

λ

1

, λ

2

, . . . , λ

będą wartościami własnymi macierzy kwa-

dratowej i nieosobliwej

A

stopnia

n

. Wykazać, że

1

λ

1

,

1

λ

2

, . . . ,

1

λ

n

są wartościami własnymi macierzy

A

1

.

4. Niech

λ

0

będzie wartością własną macierzy

A

. Wykazać, że

λ

k

będzie wartością własną macierzy

A

dla

k ∈ N

.

background image

11

5. Wyznaczyć wartości i wektory własne macierzy symetrycznej:

A =

















6

2

3

2

3

6

3

6

2