Loading...
 

Wartości i wektory własne – własności

Niech \( \lambda_1,\ldots,\lambda_n \) będą wartościami własnymi macierzy \( A\in\mathbb{C}^{n\times n} \). Wówczas:

(a) wyznacznik macierzy jest równy iloczynowi jej wartości własnych, tj.:

\( \det(A)=\lambda_1\cdot \ldots \cdot \lambda_n; \)
(b) ślad macierzy (tj. suma elementów stojących na głównej przekątnej macierzy) równy jest sumie jej wartości własnych, tj.:
\( (A)=\lambda_1+\ldots+\lambda_n. \)

Niech \( A \) będzie macierzą kwadratową oraz niech \( \lambda \) będzie wartością własną macierzy \( A \), a \( v \) odpowiadającym tej wartości własnej wektorem własnym. Wówczas:

(a) liczba \( \lambda^{k} \) jest wartością własną macierzy \( A^{k} \) (dla \( k\in\mathbb{N} \));
(b) liczba

\( a_{m}\lambda^{m}+a_{m-1}\lambda^{m-1}+\ldots+a_{1}\lambda+a_{0} \)

jest wartością własną macierzy

\( a_{m}A^{m}+a_{m-1}A^{m-1}+\ldots+a_{1}A+a_{0}I, \)

dla dowolnych \( m\in\mathbb{N} \), \( a_{m},\ldots,a_{0}\in\mathbb{C} \);
(c) jeżeli macierz \( A \) jest odwracalna, to \( \lambda^{-1} \) jest wartością własną macierzy \( A^{-1} \).
Ponadto, w każdym z powyższych przypadków, wektorem własnym odpowiadającym wymienionym wartościom własnym jest również wektor \( v \).

Przykład 1:


Obliczymy wyznacznik macierzy \( A^{3}-4A^{2}-A+4I \) wiedząc, że \( A \) jest macierzą kwadratową wymiaru \( 3\times3 \) o wartościach własnych \( -2,0,3 \).

Sposób 1. Wielomian charakterystyczny macierzy \( A \) ma postać

\( \varphi_{A}\left( \lambda\right) =-\left( \lambda+2\right) \lambda\left(\lambda-3\right) =-\lambda^{3}+\lambda^{2}+6\lambda. \)

Dodatkowo, ponieważ

\( A^{3}-4A^{2}-A+4I =A\left( A^{2}-I\right) -4\left( A^{2}-I\right)=\left( A^{2}-I\right) \left( A-4I\right)= \\ \hspace{2cm} =\left( A-I\right) \left( A+I\right) \left( A-4I\right) \)

zatem, na podstawie definicji wielomianu charakterystycznego, otrzymujemy

\( \det\left( A^{3}-4A^{2}-A+4I\right) =\det\left[ \left( A-I\right)\left( A+I\right) \left( A-4I\right) \right]= \\ \hspace{6cm} =\det\left( A-I\right) \det\left( A+I\right) \det\left( A-4I\right)= \\ \hspace{6cm} =\varphi_{A}\left( 1\right) \varphi_{A}\left( -1\right) \varphi_{A}\left( 4\right) =576. \)

Sposób 2. Jeżeli \( \lambda \) jest wartością własną macierzy \( A \), to na podstawie twierdzenia 1(b), liczba \( \lambda^{3}-4\lambda^{2}-\lambda+4 \) jest wartością własną macierzy \( A^{3}-4A^{2}-A+4I. \) Stąd oraz z treści zadania otrzymujemy, że liczby \( -18 \), \( -8 \) oraz \( 4 \) są poszukiwanymi wartościami własnymi. Zatem, na podstawie twierdzenia 1(a),

\( \det(A^{3}-4A^{2}-A+4I)=-18\cdot(-8)\cdot 4=576. \)

Przykład 2:


Dla macierzy

\( A=\left(\begin{array}[c]{ccc}2 & 3 & 0\\-1 & 2 & 1\\2 & 3 & -2\end{array}\right) \)

o wartościach własnych \( \lambda_{1} \), \( \lambda_{2} \), \( \lambda_{3} \) obliczymy: a) \( \lambda_{1}\cdot\lambda_{2}\cdot\lambda_{3} \); b) \( \lambda_{1}^{2}+\lambda_{2}^{2}+\lambda_{3}^{2}. \)
Łatwo sprawdzić, że wielomian

\( \varphi_{A}\left( \lambda\right) =-\lambda^{3}+2\lambda^{2}+4\lambda-14 \)

jest wielomianem charakterystycznym macierzy \( A \). Wyznaczenie jego pierwiastków (które są wartościami własnymi macierzy \( A \)) nastręcza jednak sporo trudności, gdyż nie są one liczbami wymiernymi. Z tego powodu do rozwiązania zadania wykorzystamy twierdzenie 1 oraz twierdzenie 2.
Na podstawie twierdzenia 1(a) mamy

\( \lambda_{1}\cdot\lambda_{2}\cdot\lambda_{3}=\det A=\left\vert\begin{array}[c]{ccc}2 & 3 & 0\\-1 & 2 & 1\\2 & 3 & -2\end{array}\right\vert =-14. \)

Z kolei, aby wyznaczyć sumę kwadratów wartości własnych wystarczy zauważyć, że liczby \( \lambda_{1}^{2},\lambda_{2}^{2},\lambda_{3}^{2} \) to wartości własne macierzy \( A^{2} \) (zob. twierdzenie 2(a)); poszukiwana suma jest więc śladem macierzy \( A^{2} \) (zob. twierdzenie 1(b)).
W rozważanym przypadku

\( A^{2}=\left(\begin{array}[c]{ccc}1 & 12 & 3\\-2 & 4 & 0\\-3 & 6 & 7\end{array}\right) , \)

zatem ostatecznie

\( \lambda_{1}^{2}+\lambda_{2}^{2}+\lambda_{3}^{2}=\left(A^{2}\right) =\left(\begin{array}[c]{ccc}1 & 12 & 3\\-2 & 4 & 0\\-3 & 6 & 7\end{array}\right) =1+4+7=12. \)

Ostatnio zmieniona Czwartek 23 z Czerwiec, 2022 21:47:12 UTC Autor: Michał Góra
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.