ערכים עצמיים ולכסון
נושא זה נלמד בקורס אלגברה לינארית 2ב ולא בלינארית 1ב.
הגדרות בסיסיות
ערך עצמי: סקלר הוא ערך עצמי של מטריצה אם קיים וקטור כך ש:
וקטור עצמי: הוקטור נקרא וקטור עצמי השייך לערך העצמי .
מציאת ערכים עצמיים
משפט: ערך עצמי של אם ורק אם:
הפולינום האופייני:
הערכים העצמיים הם שורשי הפולינום האופייני.
מרחב עצמי
מרחב עצמי: המרחב העצמי של הוא:
זהו תת-מרחב המכיל את כל הוקטורים העצמיים השייכים ל- (ואת וקטור האפס).
ריבויים
ריבוי אלגברי: מספר הפעמים ש- מופיע כשורש של הפולינום האופייני.
ריבוי גיאומטרי:
משפט: לכל ערך עצמי :
ריבוי גיאומטרי ריבוי אלגברי
לכסון
הגדרה: מטריצה נקראת לכסינה אם קיימת מטריצה הפיכה ומטריצה אלכסונית כך ש:
או באופן שקול:
תנאים ללכסינות
משפט: מטריצה לכסינה אם ורק אם יש לה וקטורים עצמיים בלתי תלויים לינארית.
תנאי מספיק: אם ל- יש ערכים עצמיים שונים, אז לכסינה.
תנאי שקול: לכסינה אם ורק אם לכל ערך עצמי:
ריבוי גיאומטרי ריבוי אלגברי
אלגוריתם לכסון
שלבי הלכסון:
- מצא את הפולינום האופייני
- מצא את הערכים העצמיים (שורשי הפולינום)
- לכל ערך עצמי, מצא בסיס למרחב העצמי
- בדוק: האם יש וקטורים עצמיים בלתי תלויים?
- כן: לכסינה
- לא: לא לכסינה
- אם לכסינה: = מטריצה שעמודותיה הן הוקטורים העצמיים
תכונות של מטריצות לכסינות
משפט: אם אז:
| ביטוי | תוצאה |
|---|---|
| מכפלת הערכים העצמיים | |
| סכום הערכים העצמיים |
חזקות של מטריצה אלכסונית:
משפט Cayley-Hamilton
משפט Cayley-Hamilton: כל מטריצה מקיימת את הפולינום האופייני שלה:
אם הפולינום האופייני של , אז:
דוגמה: עבור :
הפולינום האופייני:
לפי Cayley-Hamilton:
- חישוב בעזרת הפולינום האופייני
- חישוב חזקות גבוהות של
- מציאת הפולינום המינימלי
שילוש (טריאנגולציה)
הגדרה: מטריצה נקראת משולשת אם קיימת מטריצה הפיכה כך ש: כאשר מטריצה משולשת עליונה.
משפט שור: כל מטריצה מעל ניתנת לשילוש.
באופן כללי: ניתנת לשילוש מעל אם ורק אם הפולינום האופייני שלה מתפרק לגורמים לינאריים מעל .
- לכסון: לא תמיד אפשרי (תלוי בריבויים)
- שילוש: תמיד אפשרי מעל
פולינום מינימלי
הפולינום המינימלי הוא הפולינום המתוקן מהדרגה הנמוכה ביותר המקיים .
תכונות:
- מחלק את (הפולינום האופייני)
- ל- ול- אותם שורשים (אבל אולי ריבויים שונים)
- לכסינה מתפרק לגורמים לינאריים שונים