MAT1041 · 13. hafta · - Eigenvalues and Eigenvectors

Köşegenleştirme ve matris kuvvetleri

Bir matrisin köşegenleştirilebilir olup olmadığını özvektör sayısıyla test etmeyi, P ve D'yi kurup A = PDP⁻¹ yazmayı ve bunu kullanarak A'nın yüksek kuvvetlerini kısa yoldan hesaplamayı öğrenirsin.

diagonalizablediagonalizationdiagonal matrixsimilar matriceseigenvector basisalgebraic multiplicitygeometric multiplicitydefective matrixmatrix powers

Köşegen bir matrisle çalışmak çocuk oyuncağı: çarpımı, tersi, kuvveti, determinantı bir bakışta görülür. Köşegenleştirme (diagonalization), bir matrisi uygun bir bazda köşegen bir matrise dönüştürmektir. 12. haftada gördük: aynı dönüşümün farklı bazlardaki matrisleri benzerdir (A′=P−1APA' = P^{-1}AP). Eğer baz olarak özvektörleri seçersek A′A' köşegen olur ve köşegende özdeğerler durur. Bu sayfa iki soruyu cevaplıyor: bu ne zaman mümkün, ve mümkünse ne işe yarar.

Altın kurallar:

  1. n×nn \times n matris köşegenleşir   ⟺  \iff nn tane bağımsız özvektörü var.
  2. nn farklı özdeğer yeterli. Tekrarlı özdeğerde özuzay boyutunu hesapla.
  3. PP‘nin sütunları özvektörler, DD‘de aynı sırayla özdeğerler.
  4. A−1A^{-1} almadan kontrol: AP=PDAP = PD.

Tanım ve ana teorem

Kare AA için P−1AP=DP^{-1}AP = D köşegen olacak şekilde tersinir bir PP varsa AA köşegenleştirilebilirdir (diagonalizable). Eşdeğer yazım: A=PDP−1A = PDP^{-1}.

Teorem. AA n×nn \times n ise: AA köşegenleşir   ⟺  \iff AA‘nın nn lineer bağımsız özvektörü vardır. Bu durumda

P=[v1∣v2∣⋯∣vn],D=diag⁡(λ1,λ2,…,λn),Avi=λivi.P = [\mathbf{v}_1 \mid \mathbf{v}_2 \mid \cdots \mid \mathbf{v}_n], \qquad D = \operatorname{diag}(\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n), \qquad A\mathbf{v}_i = \lambda_i\mathbf{v}_i.

Neden? AP=[Av1∣⋯∣Avn]=[λ1v1∣⋯∣λnvn]=PDAP = [A\mathbf{v}_1 \mid \cdots \mid A\mathbf{v}_n] = [\lambda_1\mathbf{v}_1 \mid \cdots \mid \lambda_n\mathbf{v}_n] = PD. Sütunlar bağımsız olduğu için PP tersinir, P−1AP=DP^{-1}AP = D.

Tarif

  1. Karakteristik denklemi çöz: özdeğerler ve cebirsel katlılıkları.
  2. Her özdeğer için EλE_\lambda‘nın bazını bul.
  3. Bütün bazlardaki vektörleri say. nn ise köşegenleşir; azsa köşegenleşmez.
  4. PP‘yi özvektörlerle, DD‘yi karşılık gelen özdeğerlerle aynı sırada yaz.

Farklı özdeğerlerin özvektörleri her zaman bağımsız olduğu için 3. adımda farklı özuzaylardan gelen vektörleri bir araya koymak güvenlidir.

Örnek 1. A=[2321]A = \begin{bmatrix} 2 & 3 \\ 2 & 1 \end{bmatrix}. Önceki sayfadan: λ=4\lambda = 4 için (3,2)(3, 2), λ=−1\lambda = -1 için (1,−1)(1, -1).

P=[312−1],D=[400−1],P−1=15[112−3].P = \begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 2 & -1 \end{bmatrix}, \quad D = \begin{bmatrix} 4 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix}, \quad P^{-1} = \frac15\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 2 & -3 \end{bmatrix}.

Kontrol: AP=[6+62−34+22−1]=[12−181]AP = \begin{bmatrix} 6 + 6 & 2 - 3 \\ 4 + 2 & 2 - 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 12 & -1 \\ 8 & 1 \end{bmatrix}, PD=[12−181]PD = \begin{bmatrix} 12 & -1 \\ 8 & 1 \end{bmatrix}. Eşit.

PP tek değil: özvektörleri ölçekleyebilir ya da sırasını değiştirebilirsin. Sırayı değiştirirsen DD‘nin köşegeni de aynı şekilde değişir.

Örnek 2 (tekrarlı özdeğer, yine de köşegenleşir). Önceki sayfadaki A=[32−223−222−1]A = \begin{bmatrix} 3 & 2 & -2 \\ 2 & 3 & -2 \\ 2 & 2 & -1 \end{bmatrix}: λ=1\lambda = 1 (cebirsel 2) için iki bağımsız özvektör (−1,1,0)(-1, 1, 0), (1,0,1)(1, 0, 1); λ=3\lambda = 3 için (1,1,1)(1, 1, 1). Toplam 3:

P=[−111101011],D=[100010003].P = \begin{bmatrix} -1 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \end{bmatrix}, \qquad D = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{bmatrix}.

Ne zaman köşegenleşmez?

Bir özdeğerin geometrik katlılığı cebirsel katlılığından küçükse özvektörler yetmez.

Örnek 3. A=[2102]A = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 2 \end{bmatrix}. Özdeğer 2 (cebirsel 2). A−2I=[0100]A - 2I = \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}, E2=span⁡{(1,0)}E_2 = \operatorname{span}\{(1, 0)\}. Sadece bir bağımsız özvektör: köşegenleşmez. Bu tip matrise defective denir.

DurumKarar
nn farklı özdeğerköşegenleşir
tekrarlı özdeğer, her biri için geometrik = cebirselköşegenleşir
bir özdeğerde geometrik < cebirselköşegenleşmez
reel olmayan özdeğer (reel köşegenleştirme için)köşegenleşmez

TUZAK · tekrarlı kök görünce “köşegenleşmez” demek. Tekrarlı özdeğer tek başına bir şey söylemez. Örnek 2 köşegenleşiyor, Q9 köşegenleşmiyor; ikisinde de bir çift kök var. Özuzay boyutunu hesaplamadan karar verme.

Kuvvetler: Aᵏ = PDᵏP⁻¹

A=PDP−1A = PDP^{-1} ise

A2=PDP−1PDP−1=PD2P−1,Ak=PDkP−1.A^2 = PDP^{-1}PDP^{-1} = PD^2P^{-1}, \qquad A^k = PD^kP^{-1}.

Ortadaki P−1PP^{-1}P‘ler yok oluyor. DkD^k ise sadece köşegen elemanların kk. kuvveti. Örnek 1 için A5A^5:

D^5    = diag(4^5, (-1)^5) = diag(1024, -1)
P D^5  = [3·1024  1·(-1); 2·1024  (-1)(-1)] = [3072 -1; 2048 1]
A^5    = (P D^5) P⁻¹ = (1/5) [3072 - 2   3072 + 3; 2048 + 2   2048 - 3]
       = (1/5) [3070 3075; 2050 2045] = [614 615; 410 409]

Kontrol: iz 614+409=1023=45+(−1)5614 + 409 = 1023 = 4^5 + (-1)^5. Doğrudan beş kez çarpmak yerine tek bir çarpım zinciri.

Aynı fikir polinomlara da uzanır: p(A)=P p(D) P−1p(A) = P\,p(D)\,P^{-1}. Diferansiyel denklem sistemleri ve Markov zincirleri gibi uygulamalar bu formüle dayanır.

Lineer dönüşüm dili

T(x)=AxT(\mathbf{x}) = A\mathbf{x} ve AA köşegenleşiyorsa, özvektörlerden oluşan BB bazında TT‘nin matrisi DD‘dir (12. hafta, A′=P−1APA' = P^{-1}AP). Yani bu bazda TT her koordinatı ayrı ayrı bir sayıyla çarpar. Köşegenleştirme, dönüşümü en basit gösteren koordinat sistemini bulmaktır.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
Özvektörleri PP‘ye satır olarak yazmakSütun
DD‘deki sırayı PP‘nin sütun sırasından farklı yazmakAynı sıra
A=P−1DPA = P^{-1}DPA=PDP−1A = PDP^{-1} (özvektörler sütunsa)
Tekrarlı özdeğer = köşegenleşmezÖzuzay boyutunu hesapla
Ak=PkDkP−kA^k = P^kD^kP^{-k}PDkP−1PD^kP^{-1}
DD‘ye AA‘nın köşegenini yazmakÖzdeğerler
P−1P^{-1}‘i hesaplamadan AkA^k‘yı bitirmekAk=PDkP−1A^k = PD^kP^{-1}, P−1P^{-1} şart

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Is A=[1203]A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 3 \end{bmatrix} diagonalizable?

Cevabı göster
Yes

Üçgen: özdeğerler 11 ve 33, farklı. n×nn \times n matrisin nn farklı özdeğeri varsa köşegenleştirilebilir (farklı özdeğerlerin özvektörleri bağımsız).

Soru 2kolay

Is A=[5105]A = \begin{bmatrix} 5 & 1 \\ 0 & 5 \end{bmatrix} diagonalizable?

Cevabı göster
No

Tek özdeğer 55, cebirsel katlılık 2. A−5I=[0100]A - 5I = \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}: y=0y = 0, E5=span⁡{(1,0)}E_5 = \operatorname{span}\{(1, 0)\}, boyut 1.
İki bağımsız özvektör yok. (Köşegenleşseydi D=5ID = 5I olurdu ve A=P(5I)P−1=5IA = P(5I)P^{-1} = 5I çıkardı, oysa A≠5IA \neq 5I.)

Soru 3orta

Diagonalize A=[1423]A = \begin{bmatrix} 1 & 4 \\ 2 & 3 \end{bmatrix}: find PP and DD with P−1AP=DP^{-1}AP = D.

Cevabı göster
P=[121−1], D=[500−1]P = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 1 & -1 \end{bmatrix},\ D = \begin{bmatrix} 5 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix}

Özdeğerler 5,−15, -1. E5E_5: (1,1)(1, 1). E−1E_{-1}: x+2y=0x + 2y = 0, örneğin (2,−1)(2, -1).
Özvektörler PP'nin sütunları, özdeğerler DD'de aynı sırayla.
Kontrol: AP=[5−251]=PDAP = \begin{bmatrix} 5 & -2 \\ 5 & 1 \end{bmatrix} = PD.

Soru 4orta

Use the diagonalization of the previous question to compute A4A^4.

Cevabı göster
[209416208417]\begin{bmatrix} 209 & 416 \\ 208 & 417 \end{bmatrix}

A4=PD4P−1A^4 = PD^4P^{-1}, D4=diag⁡(625,1)D^4 = \operatorname{diag}(625, 1), P−1=13[121−1]P^{-1} = \frac13\begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 1 & -1 \end{bmatrix}.PD4=[6252625−1]PD^4 = \begin{bmatrix} 625 & 2 \\ 625 & -1 \end{bmatrix}. Çarp: 13[62712486241251]=[209416208417]\frac13\begin{bmatrix} 627 & 1248 \\ 624 & 1251 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 209 & 416 \\ 208 & 417 \end{bmatrix}.
Kontrol: iz 626=54+(−1)4626 = 5^4 + (-1)^4.

Soru 5orta

Find the matrix AA with eigenvectors (1,1)(1, 1) for λ=2\lambda = 2 and (1,2)(1, 2) for λ=3\lambda = 3.

Cevabı göster
[11−24]\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ -2 & 4 \end{bmatrix}

A=PDP−1A = PDP^{-1}, P=[1112]P = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix}, D=diag⁡(2,3)D = \operatorname{diag}(2, 3), P−1=[2−1−11]P^{-1} = \begin{bmatrix} 2 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix}.PD=[2326]PD = \begin{bmatrix} 2 & 3 \\ 2 & 6 \end{bmatrix}, PDP−1=[4−3−2+34−6−2+6]=[11−24]PDP^{-1} = \begin{bmatrix} 4 - 3 & -2 + 3 \\ 4 - 6 & -2 + 6 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ -2 & 4 \end{bmatrix}.
Kontrol: A(1,2)T=(3,6)=3(1,2)A(1, 2)^T = (3, 6) = 3(1, 2).

Soru 6zor

Is A=[210020003]A = \begin{bmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{bmatrix} diagonalizable?

Cevabı göster
No

λ=2\lambda = 2: cebirsel 2, ama E2=span⁡{(1,0,0)}E_2 = \operatorname{span}\{(1, 0, 0)\}, geometrik 1. λ=3\lambda = 3: 1 özvektör.
Toplam bağımsız özvektör 1+1=2<31 + 1 = 2 < 3. Köşegenleşmez.

Soru 7zor

For which values of kk is [1k01]\begin{bmatrix} 1 & k \\ 0 & 1 \end{bmatrix} diagonalizable?

Cevabı göster
k=0k = 0 only

Tek özdeğer 1 (cebirsel 2). A−I=[0k00]A - I = \begin{bmatrix} 0 & k \\ 0 & 0 \end{bmatrix}.k≠0k \neq 0: y=0y = 0, özuzay boyutu 1, köşegenleşmez. k=0k = 0: A=IA = I zaten köşegen.

Soru 8orta

True or false: A 3×33 \times 3 matrix with eigenvalues 1,2,31, 2, 3 is diagonalizable.

Cevabı göster
True

Üç farklı özdeğer, her birinin en az bir özvektörü var ve farklı özdeğerlerin özvektörleri bağımsız. 3 bağımsız özvektör: köşegenleşir.
Tersi doğru değil: tekrarlı özdeğerli bir matris de köşegenleşebilir (örneğin II).

Soru 9zor

Is B=[300121112]B = \begin{bmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 \end{bmatrix} diagonalizable? (Its characteristic polynomial is (λ−1)(λ−3)2(\lambda - 1)(\lambda - 3)^2.)

Cevabı göster
No

λ=3\lambda = 3 cebirsel 2. B−3I=[0001−1111−1]B - 3I = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & -1 \end{bmatrix}. R1↔R2R_1 \leftrightarrow R_2, R3←R3−R1R_3 \leftarrow R_3 - R_1: (0,2,−2)(0, 2, -2), sonra sıfır satırı alta al.
Rank 2, dim⁡E3=3−2=1<2\dim E_3 = 3 - 2 = 1 < 2. E3=span⁡{(0,1,1)}E_3 = \operatorname{span}\{(0, 1, 1)\}. Köşegenleşmez.
Tuzak: matris "simetriğe benziyor" ama değil (1. satır ile 1. sütun farklı).

Soru 10zor

Compute A10A^{10} for A=[1012]A = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 2 \end{bmatrix}.

Cevabı göster
[1010231024]\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 1023 & 1024 \end{bmatrix}

Özdeğerler 1 ve 2. E1E_1: x+y=0x + y = 0, (−1,1)(-1, 1). E2E_2: x=0x = 0, (0,1)(0, 1).P=[−1011]=P−1P = \begin{bmatrix} -1 & 0 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} = P^{-1}. A10=Pdiag⁡(1,1024)P−1=[−1011024][−1011]=[1010231024]A^{10} = P\operatorname{diag}(1, 1024)P^{-1} = \begin{bmatrix} -1 & 0 \\ 1 & 1024 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} -1 & 0 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 1023 & 1024 \end{bmatrix}.
Desen: (2,1)(2,1) elemanı 210−12^{10} - 1.

Soru 11kolay

A=PDP−1A = PDP^{-1} with D=diag⁡(2,−1,3)D = \operatorname{diag}(2, -1, 3). Find det⁡A\det A.

Cevabı göster
-6

det⁡A=det⁡Pdet⁡Ddet⁡P−1=det⁡D=2⋅(−1)⋅3=−6\det A = \det P\det D\det P^{-1} = \det D = 2 \cdot (-1) \cdot 3 = -6.
Benzer matrislerin determinantı aynı; determinant özdeğerlerin çarpımı.

Doğrulama: Bütün köşegenleştirmeler node'da BigInt kesirlerle P⁻¹AP = D çarpımı tam hesaplanarak doğrulandı; matris kuvvetleri hem P·Dᵏ·P⁻¹ ile hem de doğrudan tekrarlı çarpımla hesaplanıp karşılaştırıldı; köşegenleşmeyen örneklerde özuzay boyutları tam null space ile bulundu (verify/MAT1041/13.mjs).

Deftere not kartı

A köşegenleşir ⇔ A = PDP⁻¹ (P⁻¹AP = D) ⇔ A'nın n BAĞIMSIZ özvektörü var. P'nin SÜTUNLARI = özvektörler; D'nin köşegeni = karşılık gelen özdeğerler (AYNI SIRA). Tarif: (1) det(λI - A) = 0 çöz (2) her λ için E_λ bazı (3) toplam n vektör var mı? var → P ve D yaz; yok → köşegenleşmez. n FARKLI özdeğer → kesin köşegenleşir. Tekrarlı λ: geometrik = cebirsel olmalı (her λ için). [λ 1; 0 λ] türü (Jordan blok) → KÖŞEGENLEŞMEZ. Kontrol: AP = PD (tersini almadan). Kuvvet: A^k = P D^k P⁻¹, D^k = köşegendeki sayıların k. kuvveti. det A = Πλ, tr A = Σλ (D'den oku). Benzer matrisler: aynı özdeğer, det, iz, rank. Simetrik matrisler HER ZAMAN köşegenleşir (14. hafta).