background image

Eigenvalue Problems

1.

Eigenvalues and eigenvectors

2.

Vector spaces

3.

Linear transformations

4.

Matrix diagonalization

background image

The Eigenvalue Problem

Consider a nxn matrix A

Vector equation:  Ax = x

» Seek solutions for x and 
»   satisfying the equation are the eigenvalues
» Eigenvalues can be real and/or imaginary; 

distinct and/or repeated

» x satisfying the equation are the eigenvectors

Nomenclature

» The set of all eigenvalues is called the spectrum
» Absolute value of an eigenvalue:

» The largest of the absolute values of the 

eigenvalues is called the spectral radius

2

2

b

a

ib

a

j

j

background image

Determining Eigenvalues

Vector equation

» Ax =  (A-= 0
» A- is called the characteristic matrix

Non-trivial solutions exist if and only if:

» This is called the characteristic equation

Characteristic polynomial

» nth-order polynomial in 
» Roots are the eigenvalues {

1

, 

2

, …, 

n

}

0

)

det(

2

1

2

22

21

1

12

11

nn

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

I

A

background image

Eigenvalue Example

Characteristic matrix

Characteristic equation

Eigenvalues: 

1

 = -5, 

2

 = 2

4

3

2

1

1

0

0

1

4

3

2

1

I

A

0

10

3

)

3

)(

2

(

)

4

)(

1

(

2

I

A

background image

Eigenvalue Properties

Eigenvalues of A and A

T

 are equal

Singular matrix has at least one zero 

eigenvalue

Eigenvalues of A

-1

:  1/

1

, 1/

2

, …, 1/

n

Eigenvalues of diagonal & triangular matrices 

are equal to the diagonal elements

Trace

Determinant

n

j

j

Tr

1

)

(

A

n

j

j

1

A

background image

Determining Eigenvectors

First determine eigenvalues: {

1

, 

2

, …, 

n

}

Then determine eigenvector 

corresponding to each eigenvalue:

Eigenvectors determined up to scalar 

multiple

Distinct eigenvalues

» Produce linearly independent eigenvectors

Repeated eigenvalues

» Produce linearly dependent eigenvectors
» Procedure to determine eigenvectors more 

complex (see text)

» Will demonstrate in Matlab

0

)

(

0

)

(

k

k

x

I

A

x

I

A

background image

Eigenvector Example

Eigenvalues

Determine eigenvectors:  Ax = x

Eigenvector for 

1

 = -5

Eigenvector for 

1

 = 2



3

1

or 

 

9487

.

0

3162

.

0

0

3

0

2

6

1

1

2

1

2

1

x

x

x

x

x

x

1

2

or 

 

4472

.

0

8944

.

0

0

6

3

0

2

2

2

2

1

2

1

x

x

x

x

x

x

2

5

4

3

2

1

2

1

A

0

)

4

(

3

0

2

)

1

(

4

3

2

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

background image

Matlab Examples

>> A=[ 1 2; 3 -4];
>> e=eig(A)
e =
     2
    -5
>> [X,e] = eig(A)
X =
    0.8944   -0.3162
    0.4472    0.9487
e =
     2     0
     0    -5

>> A=[2 5; 0 2];
>> e=eig(A)
e =
     2
     2
>> [X,e]=eig(A)
X =
    1.0000   -1.0000
         0    0.0000
e =
     2     0
     0     2

background image

Vector Spaces

Real vector space V

» Set of all n-dimensional vectors with real 

elements

» Often denoted R

n

» Element of real vector space denoted

Properties of a real vector space 

» Vector addition

» Scalar multiplication

V

x

0

a

a

w

v

u

w

v

u

a

0

a

a

b

b

a

)

(

)

(

)

(

a

a

a

a

a

a

a

b

a

b

a

1

)

(

)

(

)

(

)

(

k

c

k

c

ck

k

c

c

c

c

background image

Vector Spaces cont.

Linearly independent vectors

» Elements:
» Linear combination:
» Equation satisfied only for c

j

 = 0

Basis

» n-dimensional vector space V contains 

exactly n linearly independent vectors

» Any n linearly independent vectors form a 

basis for V

» Any element of V can be expressed as a 

linear combination of the basis vectors

Example: unit basis vectors in R

3

0

2

1

(m)

(2)

(1)

a

a

a

m

c

c

c

V

(m)

(2)

(1)

a

a

a

,

,

,

3

2

1

3

2

1

3

3

2

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

c

c

c

c

c

c

c

c

c

)

(

(2)

(1)

a

a

a

x

background image

Inner Product Spaces

Inner product

Properties of an inner product space

Two vectors with zero inner product are called 

orthogonal

Relationship to vector norm

» Euclidean norm

» General norm

» Unit vector:  ||a|| = 1

n

k

n

n

k

k

T

b

a

b

a

b

a

b

a

1

2

2

1

1

)

,

(

b

a

b

a

b

a

0

 

if

only 

 

and

 

if

 

0

)

,

(

0

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

1

2

1

a

a

a

a

a

a

c

c

a

c

b

c

a

c

b

a

q

q

q

q

2

2

2

2

1

)

,

(

n

T

a

a

a

a

a

a

a

a

b

a

b

a

b

a

b

a

)

,

(

background image

Linear Transformation

Properties of a linear operator F

» Linear operator example: multiplication by a matrix

» Nonlinear operator example: Euclidean norm

Linear transformation

Invertible transformation

» Often called a coordinate transformation

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

x

x

x

v

x

v

cF

c

F

F

F

F

Ax

y

A

y

x

tion

Transforma

Operator

,

Elements

xn

m

m

n

R

R

R

y

A

x

Ax

y

A

y

x

1

x

tion

Transforma

 

Inverse

tion

Transforma

,

,

Dimensions

n

n

n

n

R

R

R

background image

Orthogonal Transformations

Orthogonal matrix

»

A square matrix satisfying: A

T

 = A

-1

»

Determinant has value +1 or -1

»

Eigenvalues are real or complex conjugate pairs 

with absolute value of unity

»

A square matrix is orthonormal if:

Orthogonal transformation

»

y = Ax where A is an orthogonal matrix

»

Preserves the inner product between any two 

vectors

»

The norm is also invariant to orthogonal 

transformation

b

a

v

u

Ab

v

Aa

u

 ,

k

j

k

j

k

T

j

 

if

 

1

 

if

 

0

a

a

background image

Similarity Transformations

Eigenbasis

» If a nxn matrix has n distinct eigenvalues, 

the eigenvectors form a basis for R

n

» The eigenvectors of a symmetric matrix 

form an orthonormal basis for R

n

» If a nxn matrix has repeated eigenvalues, 

the eigenvectors may not form a basis for 
R

n

 (see text)

Similar matrices

» Two nxn matrices are similar if there exists 

a nonsingular nxn matrix P such that:

» Similar matrices have the same eigenvalues
» If x is an eigenvector of A, then y = P

-1

is 

an eigenvector of the similar matrix

AP

P

A

1

ˆ

background image

Matrix Diagonalization

Assume the nxn matrix A has an eigenbasis

Form the nxn modal matrix X with the 

eigenvectors of A as column vectors:  X = [x

1

x

2

, …, x

n

]

Then the similar matrix D = X

-1

AX is diagonal 

with the eigenvalues of A as the diagonal 

elements

Companion relation:  XDX

-1

 = A

n

nn

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

0

0

0

0

0

0

2

1

1

2

1

2

22

21

1

12

11

AX

X

D

A

background image

Matrix Diagonalization 

Example





2

0

0

5

2

15

4

5

1

3

2

1

7

1

1

3

2

1

4

3

2

1

1

3

2

1

7

1

1

3

2

1

7

1

1

3

2

1

1

2

,

2

3

1

,

5

4

3

2

1

1

1

1

2

1

2

2

1

1

AX

X

D

AX

X

D

X

x

x

X

x

x

A

background image

Matlab Example

>> A=[-1 2 3; 4 -5 6; 7 8 -9];
>> [X,e]=eig(A)
X =
   -0.5250   -0.6019   -0.1182
   -0.5918    0.7045   -0.4929
   -0.6116    0.3760    0.8620
e =
    4.7494         0         0
         0   -5.2152         0
         0         0  -14.5343
>> D=inv(X)*A*X
D =
    4.7494   -0.0000   -0.0000
   -0.0000   -5.2152   -0.0000
    0.0000   -0.0000  -14.5343


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