5.2 Diagonalisering A=PDP⁻¹ og diagonaliserbarhetskriteriet
Diagonalisering A=PDP⁻¹ og karakterskilleren: BEGRUNN diagonaliserbarhet med multiplisitet eller en navngitt snarvei (distinkt/symmetrisk/triangulær), og vis ikke-diagonaliserbarhet ved et for lite egenrom.
- Diagonalisering (sjanger G) følger nesten alltid rett etter at egenverdiene er funnet: «avgjør om er diagonaliserbar; finn i så fall og ». Sjanger G er egenverdi-/diagonaliseringskoden fra kap. 5.1.
- Det som skiller toppkarakter fra middels: å begrunne svaret. Er egenverdiene distinkte? Er matrisen symmetrisk eller triangulær? Eller må du sammenligne geometrisk og algebraisk multiplisitet for hver egenverdi? En påstand «ja, diagonaliserbar» uten begrunnelse gir ikke full uttelling.
- For ikke-diagonaliserbare matriser må du peke på det konkrete egenrommet som er for lite (geometrisk algebraisk).
Prioriteten er perfekt. Under kode E (ingen hjelpemidler) må du kunne bygge og for hånd, matchet søyle for søyle, og navngi snarveien (distinkt / symmetrisk / triangulær) eller diagonaliserbarhetskriteriet du bruker.
- Egenverdier: løsningene av .
- Egenrom: , funnet ved radreduksjon; dimensjonen er den geometriske multiplisiteten.
- Algebraisk multiplisitet: hvor mange ganger er rot i det karakteristiske polynomet.
- Nøkkelulikheten: geometrisk algebraisk — hele diagonaliserbarheten avgjøres av om det er likhet.
Disse fire er råstoffet; dette kapitlet setter dem sammen til .
Hverdagsanker: å finne matrisens enkleste form
En diagonalmatrise er den enkleste matrisen som finnes: den bare skalerer hver koordinat for seg. Å diagonalisere er å finne et koordinatskifte — en egenbasis — der ser ut som en ren skalering. Da blir tunge regnestykker lette: , , og løsning av differensiallikningssystemer koker alt ned til å opphøye tall på en diagonal (kap. 5.3, Del 10).
Vi bygger dette i fire løkker: (1) hva betyr, og hvordan du bygger og ; (2) diagonaliserbarhetskriteriet som avgjør når det går; (3) tre snarveier som gir svaret uten regning (distinkte egenverdier, symmetri, triangulær form); og (4) hvordan du viser at en matrise ikke er diagonaliserbar, og parameteravhengige tilfeller.
Løkke 1 — Diagonalisering (~16 min)
der er en diagonalmatrise og er inverterbar. Ligningen sier at er den samme avbildningen som , bare sett i et annet koordinatsystem (kolonnene i ). Å diagonalisere en matrise er å finne slike og .
I er byggeklossene egenverdiene og egenvektorene:
- har egenverdiene på diagonalen: .
- har egenvektorene som kolonner, i samme rekkefølge: kolonne i er en egenvektor for .
Matchingen søyle for søyle er avgjørende: står på plass i , må egenvektoren for stå i kolonne i . Bytter du om på den ene uten den andre, blir .
Er inverterbar (egenvektorene uavhengige), kan vi gange med fra høyre: . Dette viser samtidig at diagonalisering er mulig nettopp når det finnes lineært uavhengige egenvektorer — en egenbasis.
Diagonaliser : finn og med .
Egenvektorer:
- : , så .
- : , så .
Bygg og matchet: egenverdien først, så dens egenvektor i kolonne 1:
Kontroll: (så er inverterbar, egenvektorene uavhengige), og . En rask sjekk er : og .
Svar: med og som over. (Rekkefølgen er valgfri, men og må følges ad: setter du først i , må først i .)
Diagonaliser den symmetriske matrisen : finn og .
Løkke 2 — Diagonaliserbarhetskriteriet (~15 min)
Du sjekker altså hver egenverdi: er egenrommet stort nok (dimensjon = algebraisk multiplisitet)? Er svaret ja for alle, er diagonaliserbar; svikter det for én, er den ikke det. Dette kriteriet er selve kjernen i sjanger G.
En trygg sjekkliste når ingen snarvei (løkke 3) gjelder:
1. Finn egenverdiene og deres algebraiske multiplisiteter fra .
2. For hver egenverdi med algebraisk multiplisitet : regn ut (geometrisk multiplisitet) ved å radredusere .
3. Er geometrisk algebraisk for alle, er diagonaliserbar; ellers ikke.
Egenverdier med algebraisk multiplisitet trenger du ikke sjekke — der er geometrisk automatisk .
Er diagonaliserbar?
Sjekk (den eneste med multiplisitet ): . Bare én ikke-null rad, likningen , altså to frie variabler ( og ). Dermed = algebraisk multiplisitet.
Konklusjon: geometrisk algebraisk for begge egenverdier ( og ), summen er . Ved diagonaliserbarhetskriteriet er diagonaliserbar — selv om den har en repetert egenverdi. En basis for er f.eks. , og .
Egenverdiene til en -matrise er . Du har regnet at . Er diagonaliserbar? Begrunn.
Løkke 3 — Tre snarveier: distinkt, symmetrisk, triangulær (~16 min)
Ofte trenger du ikke regne egenrom-dimensjoner i det hele tatt: tre situasjoner garanterer diagonaliserbarhet direkte. Sensor forventer at du navngir snarveien du bruker.
Har en -matrise forskjellige egenverdier, er den automatisk diagonaliserbar. Grunnen (kap. 5.1): egenvektorer for ulike egenverdier er lineært uavhengige, så distinkte egenverdier gir uavhengige egenvektorer — en egenbasis. NB: dette er tilstrekkelig, ikke nødvendig — en matrise med repeterte egenverdier kan godt være diagonaliserbar (Eksempel 2).
Er diagonaliserbar? Begrunn uten å finne .
Svar: Ja, diagonaliserbar, fordi den har distinkte egenverdier ( og ).
Merk i stedet for — for en ortogonal matrise er . Teoremet garanterer dessuten at alle egenverdiene er reelle, og at egenvektorer for ulike egenverdier er ortogonale. En symmetrisk matrise er alltid diagonaliserbar, uansett multiplisiteter.
En kvadratisk matrise er ortogonal hvis kolonnene er en ortonormal mengde, ekvivalent , altså . Da er transponering det samme som invertering — gratis. I spektralteoremet bruker vi dette til å skrive i stedet for , som sparer en full inversutregning.
Diagonaliser ortogonalt (finn ortogonal og med ).
Normaliser hver til lengde (del på ):
Da er ortogonal (), og . Kontroll: kolonnene har lengde og er ortogonale .
Svar: med og som over. Poenget med ortogonal diagonalisering: , så du slipper å regne en invers.
For en triangulær matrise leser du egenverdiene rett av diagonalen (kap. 5.1). Det gir en rask diagnose:
- Er diagonalelementene alle forskjellige, gir snarvei 1 diagonaliserbarhet med en gang.
- Er noen like, må du sjekke geometrisk multiplisitet for de repeterte (triangulær garanterer i seg selv ikke diagonaliserbarhet — er triangulær, men ikke diagonaliserbar).
(Ren gjengivelse — snarveiene.) Avgjør om hver matrise er diagonaliserbar, og navngi snarveien:
a)
b)
Løkke 4 — Ikke-diagonaliserbarhet og parametere (~13 min)
En matrise er ikke diagonaliserbar hvis geometrisk multiplisitet er strengt mindre enn algebraisk for minst én egenverdi — egenrommet er for lite til å gi nok uavhengige egenvektorer. For å vise det holder det å peke på én slik egenverdi: regn ut og sammenlign med den algebraiske multiplisiteten. Å bare si «ikke diagonaliserbar» uten å vise hvilket egenrom som svikter, gir ikke uttelling.
Er diagonaliserbar?
Dermed (geometrisk multiplisitet), som er strengt mindre enn den algebraiske ().
Svar: er ikke diagonaliserbar, fordi egenverdien bare har ett-dimensjonalt egenrom (). Det finnes ikke to uavhengige egenvektorer, så ingen egenbasis for .
Vis at ikke er diagonaliserbar.
Noen oppgaver spør: for hvilke verdier av en parameter er diagonaliserbar? Fremgangsmåte: finn egenverdiene som funksjon av parameteren, identifiser når de blir like (repetert), og sjekk kun i de tilfellene om egenrommet er stort nok. Utenfor de kritiske verdiene er egenverdiene distinkte, og snarvei 1 gir diagonaliserbarhet gratis.
For hvilke verdier av er diagonaliserbar?
La og . Avgjør for hver om den er diagonaliserbar, med full begrunnelse.
- Diagonaliserbarhet påstått uten multiplisitetssjekk. Den dokumenterte fellen: å skrive «diagonaliserbar» uten begrunnelse. Navngi alltid snarveien (distinkt / symmetrisk / triangulær) eller vis geometrisk algebraisk for hver egenverdi.
- og ikke matchet søyle for søyle. Egenvektoren i kolonne i må tilhøre egenverdien på plass i . Bytt aldri om på den ene uten den andre.
- «Ikke diagonaliserbar» uten å vise hvilket egenrom som er for lite. Pek konkret på egenverdien med algebraisk multiplisitet.
- Glemmer symmetrisk/distinkt-snarveien og regner unødvendig mye. Sjekk alltid først om egenverdiene er distinkte eller matrisen symmetrisk.
- Bruker på en ikke-ortogonal . Det gjelder bare når kolonnene er ortonormale (spektralteoremet), ikke for en vilkårlig egenvektormatrise.
- Antar at triangulær diagonaliserbar. Triangulær gir bare egenverdiene gratis; er triangulær, men ikke diagonaliserbar.
Begrepsbank til eksamen
De resterende kjernebegrepene i kortform for repetisjon og pugging (kode E — intet formelark).
Begrepsbanken er flashcard-/repetisjonsstoff — det gjentar det du nettopp har lest. Hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget for kapitlet gjelder kjernestoffet.
En del av spektralteoremet: en reell symmetrisk matrise har bare reelle egenverdier (aldri komplekse), og er alltid diagonaliserbar. Dette er grunnen til at symmetriske matriser er så snille i anvendelser (kvadratiske former, kovariansmatriser).
For en symmetrisk matrise er egenvektorer som tilhører forskjellige egenverdier automatisk ortogonale. Innen ett egenrom (repetert egenverdi) kan du gjøre basisen ortonormal med Gram–Schmidt (Del 6). Slik bygges den ortogonale i .
Er , så er , altså diagonaliserbar med samme . og har uansett samme egenverdier (kap. 5.1); her ser vi at diagonaliserbarhet også arves.
Matriser med (idempotente, egenverdier ) og (involutive, egenverdier ) er alltid diagonaliserbare — egenrommene fyller opp . Idempotente matriser er nettopp projeksjoner (Del 6), og de er alltid diagonaliserbare med bestående av nuller og ett-tall.
Er , så er og — samme , justert diagonal. Egenbasisen er den samme; bare egenverdiene skaleres eller forskyves. Nyttig for å diagonalisere sammensatte uttrykk uten nytt arbeid.
Diagonaliserbarhet og inverterbarhet er uavhengige egenskaper. En diagonaliserbar matrise kan godt ha egenverdi (da er den singulær), og en inverterbar matrise kan være ikke-diagonaliserbar (som , som er inverterbar men defekt). Ikke bland de to begrepene.
En ikke-diagonaliserbar matrise kan ikke skrives , men den nærmeste enkle formen er Jordanformen — nesten diagonal, med noen -ere rett over diagonalen i «blokker» for de manglende egenvektorene. På dette nivået holder det å kjenne til at slike matriser finnes; boka krever bare at du kan avgjøre diagonaliserbarhet, ikke konstruere Jordanformer.
Er , kan du regne funksjoner av ved å regne på diagonalen: , og mer generelt der . Dette er hele nytten av diagonalisering, og utnyttes fullt i kap. 5.3 (potenser) og Del 10 (matriseeksponential).
Similære matriser () har samme spor og determinant, fordi de deler egenverdier: og . Spesielt: er , er og . Nyttig kontroll på at og hører sammen.
Enhver egenvektor kan ganges med et tall og er fortsatt en egenvektor for samme egenverdi ( er et underrom). Derfor kan du velge de peneste heltallsvektorene som kolonner i — fasiten skalerer typisk til minst mulig heltall. Skaleringen endrer ikke , bare utseendet på .
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.