46 Eigenwerte und Eigenvektoren symmetrischer Matrizen

Ähnliche Dokumente
6 Eigenwerte und Eigenvektoren

Vorlesung Mathematik für Ingenieure 3 (Wintersemester 2009/10)

18 λ 18 + λ 0 A 18I 3 = / Z 2 Z 2 Z Z Z 1

47 Singulärwertzerlegung

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2015): Lineare Algebra und analytische Geometrie 2

45 Eigenwerte und Eigenvektoren

6 Eigenwerte und Eigenvektoren

und Unterdeterminante

und Unterdeterminante

9 Eigenwerte und Eigenvektoren

9 Eigenwerte und Eigenvektoren

Eigenwerte (Teschl/Teschl 14.2)

Kapitel 5 : Eigenwerte und Eigenvektoren

Kapitel 5. Eigenwerte. Josef Leydold Mathematik für VW WS 2017/18 5 Eigenwerte 1 / 42

(also ) Oft wird Zusammenhang zwischen und mit einem Index angedeutet, z.b. wird der Eigenvektor v. durch gekennzeichnet.

Diagonalisierbarkeit symmetrischer Matrizen

Musterlösungen zur Linearen Algebra II Übungsklausur

Hauptachsentransformation: Eigenwerte und Eigenvektoren

Ausgewählte Lösungen zu den Übungsblättern 9-10

Kapitel 5. Eigenwerte. Ein Leontief-Modell für eine Volkswirtschaft heißt geschlossen, wenn der Konsum gleich der Produktion ist, d.h. wenn.

6 Hauptachsentransformation

Klausur zur Vorlesung Lineare Algebra II, SoSe 2016,

Lineare Algebra für Physiker 11. Übungsblatt

4 Lineare Abbildungen Basisdarstellungen

Klausur zur Mathematik II (Modul: Lineare Algebra II) Sie haben 60 Minuten Zeit zum Bearbeiten der Klausur.

(also ) Oft wird Zusammenhang zwischen und mit einem Index angedeutet, z.b. wird der Eigenvektor v. durch gekennzeichnet.

L7 Diagonalisierung einer Matrix: Eigenwerte und Eigenvektoren. Gegeben. Gesucht: Diagonalform: Finde und! Definition: Eigenvektor, Eigenwert

Lineare Algebra II 3. Übungsblatt

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 12

51 Numerische Berechnung von Eigenwerten und Eigenvektoren

Lösungen zu Prüfung Lineare Algebra I/II für D-MAVT

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

6 Symmetrische Matrizen und quadratische Formen

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) WS 2012/13 Institut für Analysis Prof. Dr. Tobias Lamm Dr. Patrick Breuning

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN FERIENKURS. Lineare Algebra FLORIAN NIEDERREITER & AILEEN WOLF

Lösungen der Aufgaben zu Kapitel 11

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Serie 13

Eigenwerte/Eigenvektoren/Eigenräume/Diagonalisierung

9. Übungsblatt zur Mathematik I für Maschinenbau

Lineare Algebra II. Prof. Dr. M. Rost. Übungen Blatt 7 (SS 2011) Abgabetermin: Donnerstag, 2. Juni.

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2015): Lineare Algebra und analytische Geometrie 3

Lineare Algebra. 13. Übungsstunde. Steven Battilana. stevenb student.ethz.ch battilana.uk/teaching

7.3 Unitäre Operatoren

Klausurenkurs zum Staatsexamen (WS 2015/16): Lineare Algebra und analytische Geometrie 3

Eigenwerte (Teschl/Teschl 14.2)

Die wichtigste Klasse von Funktionen zwischen Vektorräumen sind die linearen Abbildungen.

Kontrollfragen und Aufgaben zur 3. Konsultation

Probeprüfung Lineare Algebra I/II für D-MAVT

Übungen zum Ferienkurs Lineare Algebra 2015/2016: Lösungen

a b Q = b a 0 ) existiert ein Element p Q, so dass gilt: q 1 q 2 = 2 b 1 b 2 a 1 b 2 a 2 b 1 a 1 a 2 b 1 b 2 a 1 b 2 a 2 b 1 a b p = 1 det(q) C 2 2,

Berechnung der Determinante

Klausur zur Vorlesung Lineare Algebra B im SS 2002 an der Universität Hannover

Lineare Algebra und analytische Geometrie I

P AP 1 = D. A k = P 1 D k P. = D k. mit P 0 3

Übungen zum Ferienkurs Ferienkurs Lineare Algebra für Physiker WiSe 2017/18 Blatt 3 - Lösung

5 Eigenwerte, Eigenvektoren und Diagonalisierbarkeit

D-ITET. D-MATL, RW Lineare Algebra HS 2017 Dr. V. Gradinaru T. Welti. Online-Test 2. Einsendeschluss: Sonntag, den

Lösungsskizzen zur Klausur

Lineare Algebra II 8. Übungsblatt

4.4 Simultane Diagonalisierbarkeit und Trigonalisierbarkeit

Lösung 23: Sylvesters Trägheitssatz & Singulärwertzerlegung

Orthonormalisierung. ein euklidischer bzw. unitärer Vektorraum. Wir setzen

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Mathematik I. Vorlesung 18. Vielfachheiten und diagonalisierbare Abbildungen. µ λ = dim(eig λ (ϕ))

10 Unitäre Vektorräume

Richie Gottschalk Lineare Algebra I Seite 1. a) Welche der folgenden Ringe sind kommutativ? Es gibt genau einen Unterraum W von V mit dim(w ) = n.

MC-Serie 11: Eigenwerte

Lineare Algebra: Determinanten und Eigenwerte

44 Orthogonale Matrizen

1 Die Jordansche Normalform

2. Dezember Lineare Algebra II. Christian Ebert & Fritz Hamm. Skalarprodukt, Norm, Metrik. Matrizen. Lineare Abbildungen

Klausur (Modulprüfung) zum Lehrerweiterbildungskurs 4Q Lineare Algebra/Analytische Geometrie II SoSe 2016

HM II Tutorium 7. Lucas Kunz. 5. Juni 2018

Lösungen zur Prüfung Lineare Algebra I/II für D-MAVT

Rückblick auf die letzte Vorlesung

Kapitel 18. Aufgaben. Verständnisfragen

Übungen zu Lineare Algebra und Geometrie 1

5 Eigenwerte und die Jordansche Normalform

Determinante und Inverse

Höhere Mathematik II für die Fachrichtung Physik

Lösungsskizzen zur Klausur zur Linearen Algebra II. Definitionen

Lina II - Aufgaben zur Vorbereitung für die Klausur (Teil 1) - Lösungen

8 Eigenwerttheorie I 8. EIGENWERTTHEORIE I 139. Wir hatten bereits früher den Polynomring in einer Variablen über einem Körper K betrachtet:

Lineare Algebra II Lösungen der Klausur

Lineare Algebra. 13. Übungsstunde. Steven Battilana.

Lineare Algebra und analytische Geometrie II

Lösung 13: Unitäre Vektorräume und normale Abbildungen

Lineare Algebra für Ingenieure

6 Symmetrische und hermitesche Matrizen

Probeklausur Lineare Algebra 1 Achten Sie auf vollständige, saubere und schlüssige Argumentation! 100 Punkte sind 100%. Inhaltsverzeichnis

4.3 Bilinearformen. 312 LinAlg II Version Juni 2006 c Rudolf Scharlau

Mat(2 2, R) Wir bestimmen das charakterische Polynom 1 f A (t) = t 2 t 2 = (t 2)(t + ( 1). ) 2 2. Eigenvektor zu EW 2 ist v 2 = 1 1

Lösung zu Serie Bestimme die Jordansche Normalform und eine zugehörige Basiswechselmatrix der folgenden reellen Matrizen: A := B :=

Aufgaben zu Kapitel 18

Lineare Algebra II 6. Übungsblatt

1. Übungsblatt: Lineare Algebra II Abgabe: 8./ in den Übungsgruppen

Musterlösungen zur Linearen Algebra II Weihnachtszettel

5. Übung zur Linearen Algebra II -

Transkript:

46 Eigenwerte und Eigenvektoren symmetrischer Matrizen 46.1 Motivation Symmetrische Matrizen (a ij = a ji für alle i, j) kommen in der Praxis besonders häufig vor. Gibt es für sie spezielle Aussagen über Eigenwerte und Eigenvektoren? Wir hatten den Zusammenhang zwischen Diagonalisierbarkeit und linear unabhängigen Eigenvektoren kennengelernt. Spielt hier die Symmetrie von Matrizen eine besondere Rolle? 46. Satz: Eigenwerte und Eigenvektoren symmetrischer Matrizen Für eine symmetrische Matrix A IR n n gilt: a) A hat nur reelle Eigenwerte. b) Eigenvektoren zu verschiedenen Eigenwerten sind orthogonal. Beweis: zu (a): Wir erinnern daran, dass für eine komplexe Zahl z = x + iy ihr Produkt mit der konjugiert komplexen Zahl z = x iy reell ist: z z = z = x + y IR. Die komplexe Konjugation von Vektoren und Matrizen wird komponentenweise definiert. Dann ist λ v T v = (λv) T v = (Av) T v = v T Ā T v = v T Av (da A reell und symmetrisch) = v T (λv) = λ v T v. Da v T v reell und ungleich 0 ist, folgt λ = λ, also λ IR. 145

zu (b): Es seien v 1, v Eigenvektoren von A zu verschiedenen Eigenwerten λ 1, λ. Dann gilt und damit λ 1 v T 1 v = (Av 1 ) T v = v T 1 A T v = v T 1 (Av ) (A symmetrisch) = λ v T 1 v Folglich sind v 1 und v orthogonal. 0 = (λ 1 λ ) v1 T v }{{}. 0 46.3 Beispiel ( ) 4 1 Wir betrachten die symmetrische Matrix A =. Wegen 1 11 0 = det(a λi) = 4 λ 1 1 11 λ = λ 15λ 100 besitzt A die beiden reellen Eigenwerte λ 1 = 0 und λ = 5. Eigenvektor zu λ 1 = 0: ( ) ( ) 16 1 x1 = 0 1 9 hat die Lösungen x 1 = 3s, x = 4s, s IR. ( ) 3 Also ist v 1 = ein Eigenvektor zu λ 1. 4 Eigenvektor zu λ = 5: x x ( ) ( ) 9 1 x1 = 0 1 16 hat die Lösungen x 1 = 4s, x = 3s, s IR. ( ) 4 Also ist v = ein Eigenvektor zu λ. 3 Wegen v 1 v = 3 4 4 3 sind die Eigenvektoren orthogonal. 146

Bemerkung: Es gilt auch: Ist λ ein Eigenwert der Vielfachheit k, so hat λ auch einen k-dimensionalen Eigenraum. Diese Eigenschaft und die Eigenschaften aus Satz 46. stellen insgesamt sicher, dass IR n eine Basis aus Eigenvektoren von A besitzt. Es handelt sich sogar um eine Orthogonalbasis. Da sich aus einer Orthogonalbasis eine Orthonormalbasis herstellen lässt, ist eine symmetrische Matrix nicht nur stets diagonalisierbar, sondern die Diagonalisierung ist sogar stets durch eine orthogonale Matrix möglich. 46.4 Satz: Hauptachsentransformation, Spektraldarstellung Es sei A IR n n symmetrisch. Dann ist A = QΛQ T eine Diagonalisierung von A, wobei λ 1 0... 0 Λ = diag(λ 1,..., λ n ) = 0 λ..... 0 0... 0 λ n die Diagonalmatrix aus den (reellen) Eigenwerten von A ist und Q eine orthogonale Matrix ist, deren Spaltenvektoren orthonormale Eigenvektoren von A sind. Beweis: Da A symmetrisch ist, gibt es eine Basis von IR n aus orthonormalen Eigenvektoren von A. Nach Satz 45.1 kann daraus eine Diagonalisierung von A konstruiert werden: D = P 1 AP, wobei die invertierbare Matrix P aus den Eigenvektoren von A gebildet wird und D die Diagonalmatrix der zugehörigen Eigenwerte ist, also D = Λ. Wegen der Orthonormalität der Eigenvektoren ist P = Q dann eine orthogonale Matrix, und es folgt A = QΛQ 1, also wegen Q 1 = Q T die behauptete Darstellung. 147

Bemerkungen: 1. Die Diagonalisierung durch eine orthogonale Matrix bedeutet, die durch die Matrix A beschriebene Abbildung von Vektoren in einem neuen Koordinatensystem zu beschreiben (orthogonale Matrix Wechsel des Orthonormalsystems!). Au = QΛQ 1 u u Q 1 u ΛQ 1 u QΛQ 1 u Vektor in Standardbasis Vektor in neuer Basis aus orthonormalen Eigenvektoren von A Abbildung darauf angewendet, Vektor noch immer in Eigenvektorbasis ausgedrückt Rücktransformiert in Standardbasis Die Basisvektoren der neuen Basis sind die orthonormalen Eigenvektoren von A. In dieser neuen Basis ist die Gestalt der Abbildung besonders einfach, da sie hier durch die Diagonalmatrix Λ gegeben ist. Deswegen nennt man die Basisvektorrichtungen auch Hauptachsenrichtungen von A. Geometrisch bedeutet dies, dass unabhängig voneinander in jeder Hauptachsenrichtung eine Streckung mit dem jeweiligen Eigenwert als Streckungsfaktor erfolgt (einschließlich Richtungsumkehr für negative Eigenwerte).. A lässt sich auch schreiben als A = λ 1 v 1 v T 1 +... + λ nv n v T n. In dieser Darstellung erkennt man sofort, dass λ k die Eigenwerte und v k die zugehörigen Eigenvektoren sind, denn Av k = n i=1 λ i v i v T i v k }{{} =0 für i k = λ k v k. 148

46.5 Beispiel ( ) 4 1 Wir wollen A = diagonalisieren. Wir benutzen die Eigenwerte und 1 11 ( ) 3/5 Eigenvektoren aus Beispiel 46.3, normieren letztere aber zu w 1 =, w = 4/5 ( ) 4/5. 3/5 Damit finden wir die orthogonale Matrix Q = ( 3/5 ) 4/5 4/5 3/5 und berechnen ( ) ( ) ( ) 3 4 4 1 3 4 wie zu erwarten war. Q T AQ = 1 5 4 3 1 11 4 3 = 1 ( ) ( ) 60 80 3 4 = 1 5 0 15 4 3 5 ( ) 0 0 = 0 5 = diag(λ 1, λ ), ( 500 0 ) 0 15 149

Anwendung auf einen Vektor u: Au e v 1 p 1 ue 1 0p 1 p v 5p u u e 1, e v 1, v p 1, p 0p 1, 5p Au gegebener Vektor Standardbasisvektoren e 1 = (1, 0) T, e = (0, 1) T orthonormale Basisvektoren von A Projektionen von u auf Hauptachsenrichtungen (entsprechen Darstellung von u bezüglich der Basis {v 1, v }) Ergebnis der Anwendung der Diagonalmatrix resultierender Vektor 46.6 Anwendung von Funktionen auf symmetrische Matrizen Satz 45.15 über die Eigenwerte von Potenzen einer Matrix motiviert die folgenden Überlegungen: 150

Ist p(x) = a m x m +... + a 1 x + a 0 ein Polynom m-ten Grades, so kann man dieses direkt auf n n-matrizen anwenden: p(a) = a m A m +... + a 1 A + a 0 I. Aus Satz 45.15 folgt, dass alle A k, k = 0,..., m, dieselben Eigenvektoren wie A besitzen und die zugehörigen Eigenwerte die entsprechenden Potenzen der Eigenwerte von A sind. Ist damit λ ein Eigenwert zum Eigenvektor v von A, so gilt auch p(a)v = p(λ)v. Ist dabei A eine symmetrische Matrix, so kann sie dargestellt werden als entsprechend gilt auch A = λ 1 v 1 v T 1 +... + λ nv n v T n ; p(a) = p(λ 1 )v 1 v T 1 +... + p(λ n)v n v T n. Über Potenzreihen (vgl. MfI 1) überträgt sich dieses Vorgehen auf beliebige analytische Funktionen f : IR IR (also solche, die durch Potenzreihen darstellbar sind). Man hat dann allgemein für eine solche Funktion f. f(a) = f(λ 1 )v 1 v T 1 +... + f(λ n )v n v T n Sofern die Funktion auch für komplexe Argumente definiert ist, kann eine entsprechende Verallgemeinerung sogar für nichtsymmetrische diagonalisierbare Matrizen angegeben werden (wird hier nicht weiter behandelt). Beispiel: Für A = ( ) 0 a = 1 a 0 ( 1 1 1 1 ) ( a ) ( 0 1 ) 1 0 a 1 1 haben wir exp(a) = 1 ( 1 1 1 1 ) ( e a 0 0 e a ) ( ) ( 1 1 e a +e a = 1 1 e a +e a e a +e a e a +e a ). 151