5.4 Komplekse egenverdier

Når karakteristisk likning har komplekse røtter: kompleks-konjugerte egenverdier og egenvektorer, rotasjons-skalerings-tolkningen, og broen til komplekse tall (Del 7) og ODE-systemer med svingninger (Del 10).

50 min
11 oppgaver
Komplekse egenverdier
Din fremgang i kapitlet
0 / 11 oppgaver
Forkunnskaper: Dette kapitlet bygger på egenverdiapparatet fra kap. 5.1 — karakteristisk likning det(AλI)=0\det(A-\lambda I)=0 og egenrom Eλ=Nul(AλI)E_\lambda=\operatorname{Nul}(A-\lambda I) — og på polarformen for komplekse tall fra kap. 7.2: z=reiθz=re^{i\theta}, modulus z|z| og argument argz\arg z. Komplekse tall dekkes ikke i VGS-bøkene på LK20-nivå; Del 7 bygger dem fra grunnen.

Sist du var her (fra 5.1 og 7.2): egenverdiene er røttene i det(AλI)=0\det(A-\lambda I)=0; egenrommet er nullrommet til AλIA-\lambda I. Et komplekst tall a+bia+bi har modulus a2+b2\sqrt{a^2+b^2} og argument = vinkelen dets peker danner med den positive realaksen. Nå slipper vi kravet om at røttene skal være reelle.

Frem til nå har vi lett etter reelle egenverdier. Men karakteristisk likning er et polynom, og et polynom med reelle koeffisienter kan ha komplekse røtter. Da finnes det ingen reell retning som bare strekkes av matrisen — i stedet roterer matrisen planet. Tenk på en platespiller eller et hjul som spinner: ingen pil på skiva peker i samme retning etter en kvart omdreining, så det finnes ingen reell egenvektor. Egenverdiene er komplekse nettopp fordi virkningen er en rotasjon.

Kapitlet går i fire løkker: (1) komplekse egenverdier opptrer i konjugerte par, (2) hvordan du finner dem og de tilhørende egenvektorene, (3) den geometriske tolkningen skalering + rotasjon, og (4) reell vs. kompleks diagonalisering.

Løkke 1 — Komplekse egenverdier kommer i konjugerte par (~11 min)

Komplekse egenverdier i konjugerte par
Når du løser karakteristisk likning for en reell matrise AA og får en kompleks rot λ=a+bi\lambda=a+bi (med b0b\ne0), så er også dens konjugat λˉ=abi\bar\lambda=a-bi en egenverdi. Komplekse egenverdier for en reell matrise opptrer alltid parvis som konjugerte par:

λ=a+biogλˉ=abi.\lambda=a+bi\quad\text{og}\quad\bar\lambda=a-bi.

Grunnen er at karakteristisk polynom det(AλI)\det(A-\lambda I) har reelle koeffisienter, og reelle polynomer har komplekse røtter i konjugerte par.

Konjugerte egenvektorer
Hører egenvektoren v\mathbf v til egenverdien λ=a+bi\lambda=a+bi, så hører den konjugerte vektoren vˉ\bar{\mathbf v} (konjuger hver komponent) til den konjugerte egenverdien λˉ\bar\lambda:

Av=λvAvˉ=λˉvˉ.A\mathbf v=\lambda\mathbf v\quad\Longrightarrow\quad A\bar{\mathbf v}=\bar\lambda\,\bar{\mathbf v}.

Du trenger derfor bare å regne ut ett egenvektor-par: finn v\mathbf v for λ\lambda, så er vˉ\bar{\mathbf v} gratis for λˉ\bar\lambda. Det halverer arbeidet.

✏️Eksempel 1: Rotasjon med 90°

Finn de komplekse egenverdiene og egenvektorene til A=[0110]A=\begin{bmatrix}0&-1\\1&0\end{bmatrix}, som roterer planet 9090^\circ mot klokka.

Karakteristisk likning: det(AλI)=det[λ11λ]=λ2+1=0\det(A-\lambda I)=\det\begin{bmatrix}-\lambda&-1\\1&-\lambda\end{bmatrix}=\lambda^2+1=0, så λ=±i\lambda=\pm i (et konjugert par, som ventet).

Egenvektor for λ=i\lambda=i: løs (AiI)v=0(A-iI)\mathbf v=\mathbf 0 med AiI=[i11i]A-iI=\begin{bmatrix}-i&-1\\1&-i\end{bmatrix}. Andre rad gir v1iv2=0v_1-i\,v_2=0, altså v1=iv2v_1=i\,v_2. Sett v2=1v_2=1:
v=[i1].\mathbf v=\begin{bmatrix}i\\1\end{bmatrix}.

Egenvektor for λˉ=i\bar\lambda=-i: ta konjugatet, vˉ=[i1]\bar{\mathbf v}=\begin{bmatrix}-i\\1\end{bmatrix} (gratis).

Kontroll (spor/determinant): sporA=0=λ+λˉ=i+(i)\operatorname{spor}A=0=\lambda+\bar\lambda=i+(-i) ✓ og detA=1=λλˉ=i(i)=1\det A=1=\lambda\bar\lambda=i\cdot(-i)=1 ✓.

Konklusjon: egenverdiene er λ=i, λˉ=i\lambda=i,\ \bar\lambda=-i med egenvektorer [i1]\begin{bmatrix}i\\1\end{bmatrix} og [i1]\begin{bmatrix}-i\\1\end{bmatrix}. Ingen reell egenvektor finnes — matrisen roterer, den strekker ikke.

📝Oppgave 1

(Innstegsoppgave.) En reell 2×22\times2-matrise har egenverdi λ=3+2i\lambda=3+2i med egenvektor v=[1+i2]\mathbf v=\begin{bmatrix}1+i\\2\end{bmatrix}.

a) Hva er den andre egenverdien?
b) Hva er den tilhørende egenvektoren?

Løkke 2 — Finne egenverdiene og egenvektorene (~12 min)

Karakteristisk likning over C\mathbb C
Fremgangsmåten er nøyaktig som i 5.1, men nå tillater vi komplekse røtter. For en 2×22\times2-matrise gir det(AλI)=0\det(A-\lambda I)=0 en andregradslikning λ2(sporA)λ+detA=0\lambda^2-(\operatorname{spor}A)\lambda+\det A=0. Løs den med abcabc-formelen:

λ=sporA±(sporA)24detA2.\lambda=\frac{\operatorname{spor}A\pm\sqrt{(\operatorname{spor}A)^2-4\det A}}{2}.

Er diskriminanten negativ, blir negativt=i\sqrt{\text{negativt}}=i\sqrt{|\cdot|}, og du får et konjugert par λ=a±bi\lambda=a\pm bi.

Komplekst egenrom EλE_\lambda
Egenrommet finnes akkurat som før, men regningen skjer over C\mathbb C:

Eλ=Nul(AλI).E_\lambda=\operatorname{Nul}(A-\lambda I).

Du radreduserer AλIA-\lambda I med kompleks aritmetikk (husk i2=1i^2=-1, og at 1i=i\displaystyle \frac1i=-i). For et enkelt konjugert par er hvert egenrom én-dimensjonalt over C\mathbb C, utspent av én egenvektor.

✏️Eksempel 2: Komplekse egenverdier fra abc-formelen

Finn de komplekse egenverdiene og en egenvektor for hver til A=[2112]A=\begin{bmatrix}2&-1\\1&2\end{bmatrix}.

Karakteristisk likning: sporA=4\operatorname{spor}A=4, detA=22(1)1=5\det A=2\cdot2-(-1)\cdot1=5, så
λ24λ+5=0λ=4±16202=4±42=4±2i2=2±i.\lambda^2-4\lambda+5=0\quad\Longrightarrow\quad \lambda=\frac{4\pm\sqrt{16-20}}{2}=\frac{4\pm\sqrt{-4}}{2}=\frac{4\pm2i}{2}=2\pm i.
Diskriminanten 4<0-4<0 gir det konjugerte paret λ=2+i\lambda=2+i, λˉ=2i\bar\lambda=2-i.

Egenvektor for λ=2+i\lambda=2+i: A(2+i)I=[i11i]A-(2+i)I=\begin{bmatrix}-i&-1\\1&-i\end{bmatrix}. Andre rad: v1iv2=0v1=iv2v_1-i\,v_2=0\Rightarrow v_1=i\,v_2. Med v2=1v_2=1:
v=[i1].\mathbf v=\begin{bmatrix}i\\1\end{bmatrix}.

Kontroll: Av=[2i1i+2]A\mathbf v=\begin{bmatrix}2i-1\\ i+2\end{bmatrix} og (2+i)v=[(2+i)i2+i]=[1+2i2+i](2+i)\mathbf v=\begin{bmatrix}(2+i)i\\2+i\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}-1+2i\\2+i\end{bmatrix} ✓.

Egenvektor for λˉ=2i\bar\lambda=2-i: konjuger, vˉ=[i1]\bar{\mathbf v}=\begin{bmatrix}-i\\1\end{bmatrix}.

Sluttsvar: λ=2±i\lambda=2\pm i med egenvektorer [i1]\begin{bmatrix}i\\1\end{bmatrix} og [i1]\begin{bmatrix}-i\\1\end{bmatrix}.

📝Oppgave 2

Finn de komplekse egenverdiene til A=[1211]A=\begin{bmatrix}1&-2\\1&-1\end{bmatrix}, og en egenvektor for den ene.

Løkke 3 — Geometrisk tolkning: skalering og rotasjon (~13 min)

Rotasjons-skaleringsmatrisen [abba]\begin{bmatrix}a&-b\\ b&a\end{bmatrix}
Matrisen på formen

C=[abba]C=\begin{bmatrix}a&-b\\ b&a\end{bmatrix}

har karakteristisk likning (aλ)2+b2=0(a-\lambda)^2+b^2=0, altså egenverdiene λ=a±bi\lambda=a\pm bi. Denne matrisen er selve normalformen for komplekse egenverdier: den virker på planet som en ren skalering kombinert med en rotasjon. Kjenner du igjen dette mønsteret (aa på diagonalen, ±b\pm b over/under), kan du lese av egenverdiene direkte.

Skalering med λ|\lambda| og rotasjon med argλ\arg\lambda
Skriv egenverdien λ=a+bi\lambda=a+bi på polarform λ=reiφ\lambda=re^{i\varphi} med

r=λ=a2+b2,φ=argλ=arg(a+bi).r=|\lambda|=\sqrt{a^2+b^2},\qquad \varphi=\arg\lambda=\arg(a+bi).

Da virker matrisen C=[abba]C=\begin{bmatrix}a&-b\\ b&a\end{bmatrix} på planet som:

- en skalering (strekk/krymp) med faktoren r=λr=|\lambda|, og
- en rotasjon med vinkelen φ=argλ\varphi=\arg\lambda om origo (mot klokka når b>0b>0).

Er λ=1|\lambda|=1 er det en ren rotasjon; er λ>1|\lambda|>1 vokser vektorene (spiral utover), og for λ<1|\lambda|<1 krymper de (spiral innover).

Når har en 2×22\times2-matrise komplekse egenverdier?
Egenverdiene er λ=sporA±Δ2\lambda=\dfrac{\operatorname{spor}A\pm\sqrt{\Delta}}{2} med diskriminant

Δ=(sporA)24detA.\Delta=(\operatorname{spor}A)^2-4\det A.

- Δ>0\Delta>0: to reelle, forskjellige egenverdier.
- Δ=0\Delta=0: én reell dobbel egenverdi.
- Δ<0\Delta<0: et konjugert komplekst par a±bia\pm bi (med b0b\ne0).

Så et raskt blikk på (sporA)24detA(\operatorname{spor}A)^2-4\det A avgjør om du er i det komplekse tilfellet — nyttig når du skal begrunne at reell diagonalisering er umulig.

✏️Eksempel 3: Skalering ganger rotasjon

La A=[1111]A=\begin{bmatrix}1&-1\\1&1\end{bmatrix}. Finn egenverdiene og beskriv virkningen på planet geometrisk.

Egenverdier: matrisen har formen [abba]\begin{bmatrix}a&-b\\ b&a\end{bmatrix} med a=1,b=1a=1,b=1, så λ=1±i\lambda=1\pm i (sjekk: sporA=2\operatorname{spor}A=2, detA=2\det A=2, λ22λ+2=0λ=1±i\lambda^2-2\lambda+2=0\Rightarrow\lambda=1\pm i).

Polarform av λ=1+i\lambda=1+i: r=λ=12+12=2r=|\lambda|=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt2 og φ=arg(1+i)=π4\varphi=\arg(1+i)=\tfrac\pi4 (1. kvadrant). Altså λ=2eiπ/4\lambda=\sqrt2\,e^{i\pi/4}.

Geometrisk tolkning: AA virker på planet som en skalering med faktor 2\sqrt2 og en rotasjon 4545^\circ mot klokka. En vektor blir altså litt lengre (×2\times\sqrt2) og dreid en åttendedels omdreining hver gang AA virker — gjentatt bruk gir en spiral utover (λ=2>1|\lambda|=\sqrt2>1).

Kontroll: virkningen på [10]\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix} er [11]\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}, som har lengde 2\sqrt2 og vinkel 4545^\circ — nøyaktig skalering 2\sqrt2 og rotasjon 4545^\circ ✓.

📝Oppgave 3

La A=[0220]A=\begin{bmatrix}0&-2\\2&0\end{bmatrix}.

a) Finn egenverdiene.
b) Beskriv virkningen på planet (skalering og rotasjon).

Løkke 4 — Reell vs. kompleks diagonalisering (~13 min)

Reell diagonalisering er umulig ved komplekse egenverdier

Hvis en reell matrise AA har ikke-reelle egenverdier, kan den ikke diagonaliseres med en reell matrise PP og en reell diagonalmatrise DD. Grunnen: diagonalelementene i DD måtte være egenverdiene, som er komplekse — og en diagonal matrise av reelle tall kan aldri ha komplekse tall på diagonalen.

Geometrisk: en rotasjon har ingen reell egenvektor (ingen reell retning holdes fast), så det finnes ingen reell basis av egenvektorer å bygge PP av.

Kompleks diagonalisering A=PDP1A=PDP^{-1} over C\mathbb C
Over C\mathbb C derimot finnes diagonaliseringen: har AA (av størrelse n×nn\times n) nn forskjellige komplekse egenverdier, er den diagonaliserbar over C\mathbb C:

A=PDP1,A=PDP^{-1},

der PP har de (komplekse) egenvektorene som kolonner og DD har de (komplekse) egenverdiene på diagonalen — matchet søyle for søyle, akkurat som i det reelle tilfellet (kap. 5.2). Kriteriet er det samme; bare tallkroppen er utvidet fra R\mathbb R til C\mathbb C.

Spor og determinant som kontroll
Kontrollrelasjonene fra 5.1 gjelder også over C\mathbb C:

sporA=λi,detA=λi.\operatorname{spor}A=\sum\lambda_i,\qquad \det A=\prod\lambda_i.

For et konjugert par λ=a±bi\lambda=a\pm bi er λ+λˉ=2a\lambda+\bar\lambda=2a (reelt) og λλˉ=a2+b2=λ2\lambda\bar\lambda=a^2+b^2=|\lambda|^2 (reelt og positivt). Summen og produktet blir altså reelle — som de må, siden AA er reell. Bruk dette som rask kontroll på at du har regnet riktig.

✏️Eksempel 4: Én reell egenverdi og et komplekst par (3×3)

Finn egenverdiene til A=[200011011]A=\begin{bmatrix}2&0&0\\0&1&-1\\0&1&1\end{bmatrix}, og avgjør om den er reelt/komplekst diagonaliserbar.

Karakteristisk likning: matrisen er blokk-triangulær. Kofaktorutvikling langs første kolonne gir
det(AλI)=(2λ)[(1λ)2+1]=0.\det(A-\lambda I)=(2-\lambda)\big[(1-\lambda)^2+1\big]=0.
λ1=2\lambda_1=2 (reell) og (1λ)2+1=0(1λ)2=1λ=1±i(1-\lambda)^2+1=0\Rightarrow(1-\lambda)^2=-1\Rightarrow\lambda=1\pm i.

Egenverdier: λ1=2, λ2=1+i, λ3=1i\lambda_1=2,\ \lambda_2=1+i,\ \lambda_3=1-i — tre forskjellige egenverdier.

Egenvektor for λ1=2\lambda_1=2: (A2I)=[000011011](A-2I)=\begin{bmatrix}0&0&0\\0&-1&-1\\0&1&-1\end{bmatrix} gir v2=v3=0v_2=v_3=0, v1v_1 fri: v1=[100]\mathbf v_1=\begin{bmatrix}1\\0\\0\end{bmatrix}.

Egenvektor for λ2=1+i\lambda_2=1+i: (A(1+i)I)(A-(1+i)I) har (1i)v1=0v1=0(1-i)v_1=0\Rightarrow v_1=0, og iv2v3=0v3=iv2-i\,v_2-v_3=0\Rightarrow v_3=-i\,v_2. Med v2=1v_2=1: v2=[01i]\mathbf v_2=\begin{bmatrix}0\\1\\-i\end{bmatrix}; konjugatet v3=[01i]\mathbf v_3=\begin{bmatrix}0\\1\\i\end{bmatrix} hører til λ3\lambda_3.

Diagonaliserbarhet: tre forskjellige egenverdier ⇒ diagonaliserbar. Men fordi to av dem er komplekse, er den ikke reelt diagonaliserbar — bare over C\mathbb C, med
P=[1000110ii],D=[20001+i0001i].P=\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&1\\0&-i&i\end{bmatrix},\qquad D=\begin{bmatrix}2&0&0\\0&1+i&0\\0&0&1-i\end{bmatrix}.

Kontroll: sporA=2+1+1=4=2+(1+i)+(1i)\operatorname{spor}A=2+1+1=4=2+(1+i)+(1-i) ✓; detA=2[(1+i)(1i)]=22=4\det A=2\cdot\big[(1+i)(1-i)\big]=2\cdot2=4 ✓.

📝Oppgave 4

La A=[3241]A=\begin{bmatrix}3&-2\\4&-1\end{bmatrix}.

a) Vis at AA har komplekse egenverdier og finn dem.
b) Kan AA diagonaliseres reelt? Begrunn.

Blandet oppgavesett (stigende vanskegrad)

📝Oppgave 5

La A=[4522]A=\begin{bmatrix}4&-5\\2&-2\end{bmatrix}. Finn de komplekse egenverdiene og en egenvektor for den ene. Sjekk svaret mot spor og determinant.

📝Oppgave 6

La A=[0110]A=\begin{bmatrix}0&-1\\1&0\end{bmatrix} (rotasjon 9090^\circ). Bruk kompleks diagonalisering A=PDP1A=PDP^{-1} til å forklare at A4=IA^4=I.

📝Oppgave 7
Eksamensnivå

Vis at matrisen C=[abba]C=\begin{bmatrix}a&-b\\ b&a\end{bmatrix} med b0b\ne0 har egenverdier a±bia\pm bi, og forklar hvorfor CC virker som en skalering med a2+b2\sqrt{a^2+b^2} etterfulgt av en rotasjon.

📝Oppgave 8

(Krevende.) La AA være en reell n×nn\times n-matrise. Vis at hvis λ=a+bi\lambda=a+bi er en egenverdi med egenvektor v\mathbf v, så er λˉ=abi\bar\lambda=a-bi en egenverdi med egenvektor vˉ\bar{\mathbf v}.

Begrepsbank til eksamen

Kjernebegrepene om komplekse egenverdier samlet i kortform.

Begrepsbanken er flashcard-/repetisjonsstoff — hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget gjelder kjernestoffet.

Algebraens fundamentalteorem

Et polynom av grad nn har nøyaktig nn røtter i C\mathbb C (talt med multiplisitet). Derfor har karakteristisk likning det(AλI)=0\det(A-\lambda I)=0 for en n×nn\times n-matrise alltid nn egenverdier over C\mathbb C, selv om noen kan være komplekse eller sammenfalle.

Reell matrise, komplekse røtter

En reell matrise kan godt ha komplekse egenverdier — det betyr bare at karakteristisk polynom (med reelle koeffisienter) har komplekse røtter. Fordi koeffisientene er reelle, kommer disse røttene i konjugerte par.

Konjugering av egenverdiligningen

Nøkkeltrikset bak konjugerte par: konjuger Av=λvA\mathbf v=\lambda\mathbf v. Siden AA er reell blir det Avˉ=λˉvˉA\bar{\mathbf v}=\bar\lambda\bar{\mathbf v}. Konjugering er multiplikativ (zw=zˉwˉ\overline{zw}=\bar z\bar w) og distributiv, så den «kommuterer» med matrisemultiplikasjon når matrisen er reell.

λ|\lambda| som skaleringsfaktor

Modulus λ=a2+b2|\lambda|=\sqrt{a^2+b^2} måler hvor mye matrisen strekker planet per rotasjonssteg. λ>1|\lambda|>1: spiral utover (vekst); λ<1|\lambda|<1: spiral innover (demping); λ=1|\lambda|=1: ren rotasjon på en sirkel.

argλ\arg\lambda som rotasjonsvinkel

Argumentet argλ=arg(a+bi)\arg\lambda=\arg(a+bi) er rotasjonsvinkelen per steg. Positiv imaginærdel (b>0b>0) gir rotasjon mot klokka; b<0b<0 gir med klokka. Bestem vinkelen med riktig kvadrant, ikke bare tan1(b/a)\tan^{-1}(b/a).

Reell normalform (rotasjon-skalering)

For en reell 2×22\times2-matrise med egenverdier a±bia\pm bi finnes en reell basis der matrisen får normalformen [abba]\begin{bmatrix}a&-b\\ b&a\end{bmatrix}. Dette er den reelle «erstatningen» for diagonalisering når egenverdiene er komplekse: i stedet for en diagonal DD får du en rotasjon-skalering-blokk.

Bro til ODE-system: svingninger og spiraler

Komplekse egenverdier a±bia\pm bi i et system x=Ax\mathbf x'=A\mathbf x (Del 10) gir svingende løsninger: imaginærdelen bb styrer svingefrekvensen, og realdelen aa styrer om svingningen vokser (a>0a>0), dempes (a<0a<0) eller er ren (a=0a=0). Faseportrettet blir en spiral (eller et senter når a=0a=0).

Real- og imaginærdel av egenvektoren

En kompleks egenvektor v=p+iq\mathbf v=\mathbf p+i\mathbf q splittes i realdel p=Rev\mathbf p=\operatorname{Re}\mathbf v og imaginærdel q=Imv\mathbf q=\operatorname{Im}\mathbf v. Disse to reelle vektorene utspenner planet der rotasjonen skjer, og gir kolonnene i basisskiftematrisen til den reelle normalformen.

Egenvektor bestemt opp til (kompleks) skalar

Som i det reelle tilfellet er en egenvektor bare bestemt opp til en skalarfaktor — men nå kan faktoren være kompleks. Derfor kan din egenvektor se ulik ut fra fasitens og likevel være riktig; sjekk ved å se om den ene er et (komplekst) multiplum av den andre, eller sett inn i Av=λvA\mathbf v=\lambda\mathbf v.

Ren rotasjon vs. skalering + rotasjon

Er λ=1|\lambda|=1 (egenverdiene ligger på enhetssirkelen), er virkningen en ren rotasjon — lengder bevares, punktene beveger seg på sirkler. Er λ1|\lambda|\ne1, kombineres rotasjonen med en skalering, og banene blir spiraler. Sjekk λ=a2+b2|\lambda|=\sqrt{a^2+b^2} for å skille tilfellene.

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 3 oppgaver
Symbol- og formelliste

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.