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Linalg 3 Eigenvalues and Eigenvectors

Date post: 03-Jun-2018
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10
                   A ·   x =   0   A   n × n    x    0   n × 1      A · x =  λ x   λ    λ = 0     T  :  V    V    V      x   T    λ       A   n × n    x   A · x =  λ x   A    λ   A    0   λ   S λ    x   A · x =  λ x    V     S λ   λ    S λ  S λ   A ·   x 1  = λ x 1   A ·   x 2  =  λ x 2   A ·  ( x 1  +  x 2 ) = λ( x 1  + x 2 )  S λ   β   A · (β x) =  β (A ·  x) =  β (λ x) = λ(β x)   λ x = (λI ) · x   I   n × n   A · x =  λ x = (λI ) · x   (λI  − A) · x =  0     x   (λI  A) · x =  0   (λI  − A)  det(λI  − A) = 0   det(tI  − A)   n    t   p(t)   A    A  A tI    tI  − A   t n    (1) n
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8/12/2019 Linalg 3 Eigenvalues and Eigenvectors

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•  

  A · x =   0    A    n × n    x  

   0    n × 1  

•  

  A · x =  λx    λ  

  λ = 0  

•    T   :  V   →  V  

  V      x    T     λ 

 

•    A    n × n    x    A · x =  λx    A  

  λ    A

◦  

   0

◦    λ    S λ    x    A · x =  λx  

  V      S λ    λ  

∗   S λ

∗   S λ    A · x1   =   λx1    A · x2   =  λx2    A · (x1  +  x2) =λ(x1 + x2)

∗   S λ    β    A ·(βx) =  β (A · x) =  β (λx) =λ(βx)

•    λx = (λI ) · x    I   

n × n    A · x =  λx = (λI ) · x    (λI  − A) · x =  0  

  x    (λI 

 −A)

·x =  0    (λI 

 −A)

  det(λI  − A) = 0

•    det(tI  − A)    n  

  t    p(t)    A  

  A

◦  

A − tI     tI  − A    tn  

  (−1)n

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◦  

  t2(t − 1)3   λ = 0, 0, 1, 1, 1  

◦  

 

  A  

 

 

◦  

  A    tI  − A

 

 

◦  

1   i

√ 3

0 3   −80 0   π

   π  

2 0 1

0 3 20 0 2

•    A

◦    tI  − A  

  p(t)

◦    p(t)    λ    A

◦    λ    x    A · x =  λx  

  (λI −A)·x =  0    x  

  λ  

  λ

•    A =

  1 00 1

◦    tI  − A =   t

 − 1 00   t − 1

   p(t) = det(tI  − A) = (t − 1)2

◦    (t−1)2 = 0    t = 1    λ = 1, 1

 

◦  

  1 00 1

·

  a

b

 =

  a

b

 

    a

b

 

  λ = 1  

  10

 

    01

•    A =

  1 10 1

◦    tI  − A =

  t − 1   −10   t − 1

   p(t) = det(tI  − A) = (t − 1)2

◦    (t−1)2 = 0    t = 1    λ = 1, 1

 

◦  

  1 10 1

·

  a

b

 =

  a

b

 

    a

b

 =

  a + b

b

  a    b = 0  

  a

0

 

  λ = 1  

  10

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•    A =

1 0 1

−1 1 3−1 0 3

◦    tI −A =

t − 1 0   −1

1   t − 1   −31 0   t − 3

   p(t) = (t−1)·

t − 1   −30   t − 3

+(−1)·

1   t − 11 0

=

(t −

 1)2(t −

 3) + (t −

 1)

◦    p(λ) = (t − 1) · [(t − 1)(t − 3) + 1] = (t − 1)(t − 2)2   λ = 1,  2,  2

∗    λ  = 1  

1 0 1

−1 1 3−1 0 3

·

a

b

c

 = 1

a

b

c

 

a + c

−a + b + 3c

−a + 3c

 =

a

b

c

 

c = 0    a = 0  

0

b

0

 

0

10

 .

∗    λ = 2  

1 0 1−1 1 3

−1 0 3

·

a

b

c

 = 2

a

b

c

 

a + c

−a + b + 3c

−a + 3c

 =

2a

2b

2c

 

a   =   c    b   = 2c  

c

2c

c

 

1

21

  .

 

•    λ    A    k  

  λ    k

◦    λ  

  λ    λ  

  λ  

◦    (t − 1)3(t − 3)2   λ  = 1  

  λ = 3

◦  

λ  

∗    k  

(λI  −

 A) ·

x =  0

∗    λ    k    λI  − A

  B    B    k

∗    B    λI  −A  

  k    B

∗  

∗    k

•    v1, v2, . . . ,vn    A    λ1, λ2, . . . , λn    v1, v2, . . . ,vn

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◦   det(B) = det(P −1AP ) =det(P −1) det(A) det(P ) = det(A) det(P −1P ) = det(A)

◦   det(tI  − B) = det(P −1 ·tI  · P  − P −1 · A · P ) = det(P −1(tI  − A)P ) = det(tI  − A)

∗  

 

◦    x    A    λ    P −1 · x    B    λ  

A · x =  λx    B · (P −1x) =  P −1A(P P −1)x =  P −1A · x =  P −1 · (λx) =  λ(P −1x)

∗    y    B    P  ·   y    A  

∗    B    A

•    A    B    A  

 

◦    A    A  

λ1, · · ·  , λn  

λ1

λn

  A

•    A    D  

  P     D =  P −1AP 

◦    A =

 −2   −63 7

   P   =

 −1 21   −1

 

P −1 =

  1 21 1

   P −1AP  =

  4 00 1

 =  D

•    A    D =  P −1AP     A

◦    D   Dk   k    D

◦    Dk = (P −1AP )k = P −1(Ak)P     Ak = P  · Dk · P −1

◦    A   =

 −2   −63 7

   Dk =

  4k 0

0 1

   Ak =

 −1 21   −1

 ·

  4k 00 1

·

  1 21 1

 =

  2 − 4k 2 − 2 · 4k−1 + 4k −1 + 2 · 4k

∗    k  

  k = −1  

7

4

3

2

−3

4   −1

2

  A−1  

  k = 1

2    B  =

  0   −21 3

   B2 =

 −2   −63 7

 =  A

•    n × n    A    n  

◦    A    n    v1, · · ·  , vn    λ1, · · ·  , λn

  P  =

| | |

v1   · · ·   vn| | |

   A

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∗    v1, · · ·  , vn    A ·P   =

| | |

Av1   · · ·   Avn| | |

 =

| | |

λ1v1   · · ·   λnvn| | |

∗  

| | |

λ1v1   · · ·   λnvn| | |

 =

| | |

v1   · · ·   vn| | |

·

λ1

λn

= P  · D

∗   A

 · P   = P 

 · D   P   

  D =  P −1AP 

◦    D =  P −1AP     AP   = P D

∗    P   =

| | |

v1   · · ·   vn| | |

   AP  = P D  

| | |

Av1   · · ·   Avn| | |

 =

| | |

λ1v1   · · ·   λnvn| | |

 

  Av1  =  λ1v1   . . .   Avn  =  λnvn    v1, · · ·  , vn  

P     P 

◦    n  

  n

•  

 

◦  

 

 

J 1J 2

J n

  J 1, · · ·  , J n  

  J  =

λ   1λ   1

  λ  

◦  

2 1 0

0 2 00 0 3

   J 1  =

  2 10 2

  J 2  = [3]

◦  

  x    (λI  − A)k · x  =  0    k  

  k = 1  

∗  

 

•    p(x)    A    p(A)  

  0  

◦    A =

  2 23 1

   det(tI  − A) =

t − 2   −2−3   t − 1

= (t − 1)(t − 2) − 6 =

t2 − 3t − 4    A2 =

  10 6

9 7

   A2 − 3A − 4I  =

  10 6

9 7

  6 69 3

  4 00 4

 =

  0 00 0

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◦    A    A    D =  P −1AP     D    p(x)  

  A

∗    D    λ1, · · ·  , λn    A  

  A    p(λ1) = · · · =  p(λn) = 0

∗    D  

   p(D) =  pλ1

λn =

 p(λ1)

 p(λn) =

0

0 =  0

∗    0   =   p(D) =   p(P −1AP ) =P −1 [ p(A)] P     p(A) =  P  · 0 · P −1 =  0

◦    A  

  J     A    D    p(J ) =  0  

 

•    A  

A =  P −1DP 

◦    A

◦    A

◦    A

 

◦    D  

  A    P   

  A    D

•    A =

  0   −23 5

   D  

P   

  D =  P 

−1

AP 

◦    tI  − A  =

  t   2−3   t − 5

   det(tI  − A) =  t(t − 5) + 6 =  t2 − 5t + 3 = (t − 2)(t − 3)

  λ = 2, 3

∗    λ = 2  

  0   −23 5

·

  a

b

 = 2

  a

b

 

    −2b

3a + 5b

 =

  2a

2b

   a = −b

 

 −b

b

   λ = 2  

 −11

∗    λ = 3  

  0   −23 5

·

  a

b

 = 3

  a

b

 

    −2b

3a + 5b

 =

  3a

3b

   a = −2

3b

 

 −2

3 bb

   λ = 3  

 −23

◦    A    D =

  2 00 3

 

  P  =

 −1   −21 3

◦    P −1 =

 −3   −21 1

   P −1AP   =

 −3   −21 1

  0   −23 5

 −1   −21 3

 =

  2 00 3

 =

D

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◦    D =

  3 00 2

 

•    A   =

1   −1 0

0 2 00 2 1

   D  

  P     D =  P −1AP 

◦    tI −A =

t − 1 1 0

0   t − 2 00   −2   t − 1

   det(tI −A) = (t−1)· t − 2 0

−2   t − 1

= (t−1)2(t−2)

  λ = 1, 1, 2

∗    λ = 1  

1   −1 0

0 2 00 2 1

· a

b

c

 =

a

b

c

 

a − b

2b

2b + c

 =

a

b

c

   b = 0

 

a

0c

   λ = 1  

100

001

∗    λ  = 2  

1   −1 00 2 00 2 1

· a

b

c

 = 2

ab

c

 

a − b2b

2b + c

 =

2a2b

2c

 

a = −b    c = 2b  

−b

b

2b

   λ = 2  

−1

12

◦    λ = 1    A    D =

1 0 00 1 00 0 2

  P  =

1 0   −1

0 0 10 1 2

◦    P −1 =

1 1 0

0   −2 10 1 0

   P −1AP   =

1 1 0

0   −2 10 1 0

1   −1 0

0 2 00 2 1

1 0   −1

0 0 10 1 2

 =

1 0 0

0 1 00 0 2

 =  D

•  

  A = 1 1 1

0 1 10 0 1

 

  D  

P     D =  P −1AP 

◦    tI −A =

t − 1   −1   −1

0   t − 1   −10 0   t − 1

   det(tI −A) = (t−1)3   tI −A

  λ = 1, 1, 1

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∗    λ  = 1  

1 1 1

0 1 10 0 1

 ·

a

b

c

 =

a

b

c

 

a + b + c

b + c

c

 =

a

b

c

 

a =  b  = 0  

0

0c

   λ = 1  

0

01

◦    λ = 1  

  A

 


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