Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Matriz bloco-triangular Lema (determinante de matriz bloco-triangular) Suponha que M = [ A B 0 D ] ou M = [ A 0 C D ] , com A e D matrizes quadradas. Então det(M) = det(A)det(D). Observação Considere M = [ A B C D ] , com A,B,C e D matrizes quadradas. De forma geral, det(M) 6= det(A)det(D)− det(B)det(C). Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 1 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Matriz bloco-triangular Exemplo Calcule os valores de λ tais que detM = 0. M = 2− λ 1 3 −1 1 1 λ 2 1 −2 0 0 λ 1 1 0 0 1 λ 2 0 0 0 0 3+ λ . Definindo M1 = [ 2− λ 1 1 λ ] , M2 = [ λ 1 1 λ ] , M3 = 3+ λ, M = M1 ∗ ∗0 M2 ∗ 0 0 M3 . det(M) = det(M1)det(M2)det(M3) = −(λ− 1)2(λ2 − 1)(3+ λ) = 0. As raízes são 1,−1,−3. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 2 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Introdução Quando v e Tv são paralelos? Qual direção é preservada por T? Exemplo T uma reflexão em torno do eixo-x =⇒ T (x , y) = (x ,−y). Incluir Figura: relexão em torno do eixo-x T (1,0) = (1,0) T (0,1) = −(0,1) } ⇒ direções preservadas T (1,1) = (1,−1) T (2,3) = (2,−3) } ⇒ direções não preservadas Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 3 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplos Exemplo T uma rotação de 90◦ =⇒ T (x , y) = (y ,−x). Incluir Figura: rotação de 90 graus Nenhuma direção é preservada! Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 4 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Definição Autovalor e Autovetor Definição Seja T : V → V TL. Dizemos que 0 6= v ∈ V é autovetor associado ao autovalor λ se Tv = λv. Observação λ pode ser zero, mas v não! (Se v = 0, então Tv = λv ∀λ.) Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 5 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Definição Autoespaço Se Tv = λv então Tv− λv = Tv− (λI)v = 0. Logo (T − λI)v = 0. Portanto v ∈ Nuc(T − λI). Definição O autoespaço associado a λ é Nuc(T − λI). Observação autoespaço assoc. a λ = {autovetores assoc. a λ} ∪ {0} Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 6 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Como calcular autovalores e autoespaços? Dado λ, calculamos seu autoespaço: Nuc(T − λI). Mas como encontrar um autovalor λ? Tv = λv, v 6= 0 ⇒ (T − λI)v = 0, v 6= 0 ⇒ Nuc(T − λI)não trivial ⇒ det(T − λI) = 0 De fato, λ é autovalor de T s.s.s. det(T − λI) = 0. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 7 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Calcule os autovalores e autoespaços de T (x , y) = [ 1 −1 −1 1 ] [ x y ] . 1 det(A− λI) = det [ (1− λ) −1 −1 (1− λ) ] = (1− λ)2 − 1 = (λ− 0)(λ− 2). 2 Calculando autoespaço para λ = 0: Resolvemos o sistema (A− 0I)x = 0. 3 Calculando autoespaço para λ = 2: Resolvemos o sistema (A− 2I)x = 0. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 8 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Definição Polinômio Característico Definição p(λ) = det(T − λI) é um polinômio em λ, chamado polinômio característico de T . O grau de p(λ) é igual à dimensão do espaço. Lema O polinômio característico independe da base escolhida: det([T ]β − λI) = det([T ]γ − λI) Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 9 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Prova: polinômio independe da base Prova Sejam A = [T ]γ e B = [T ]β. Se P = [I]β←γ , então PAP −1 = B. Assim, det(B − λI) = det(PAP−1 − λI) = det(PAP−1 − P(λI)P−1) = det(P(A− λI)P−1) = det(P)det(A− λI)det(P−1) = det(P)det(P−1)det(A− λI) = det(A− λI) Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 10 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Resumo do Cálculo Determinamos os zeros do polinômio det(T − λI) = 0 para achar autovalores; Substituímos os autovalores na equação (T − λI)v = 0 para determinar os autovetores v . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 11 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Calcule os autovetores de T (x , y , z) = 3 −1 01 1 0 1 0 −1 xy z . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 12 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Calcular autovalores e autovetores de uma projeção e de uma reflexão Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 13 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Note que uma rotação não possui autovalores reais. Isto indica que NENHUMA direção é preservada. (Exceto para múltiplos de pi radianos.) Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 14 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo T : V → V, (V funções reais diferenciáveis) definida por Tv = v ′. Qual autovetor (chamada também de autofunção) associadoao autovalor 3? Isto é, para qual função v, v ′ = 3v? v(t) = exp(3t) pois v ′(t) = 3 exp(3t), isto é, v ′ = 3v. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 15 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Multiplicidade Teorema (Teorema Fundamental da Álgebra) Um polinômio de grau n tem exatamente n raízes (não necessariamente distintas) sobre o corpo dos complexos, isto é, existem números complexos, λ1, . . . , λn, tais que n∑ k=0 akλk = an(λ− λ1)(λ− λ2) · · · (λ− λn) ∀λ, onde λk ’s são números complexos. Esta fatoração é única (a menos da ordem). Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 16 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Multiplicidade Agrupando-se termos repetidos, temos n∑ k=0 akλk = an(λ− λ˜1)m1 · · · (λ− λ˜p)mp ∀λ, onde λ˜1, . . . , λ˜p são raízes distintas e mk é a multiplicidade da raiz λ˜k . Definição (Multiplicidade (Algébrica)) Se λ1 é raiz de multiplicidade m1 do polinômio característico de T , pTc , diz-se que λ1 é autovalor de multiplicidade λ1 de T . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 17 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Diagonalização Definição Dizemos que T é diagonalizável se existe uma base β tal que [T ]β é uma matriz diagonal. Teorema T : V → V é diagonalizável se, e somente se, V possui uma base de autovetores de T . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 18 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Diagonalização Lema Autovetores associados a autovalores distintos são linearmente independentes, ou seja, se 0 6= vk e Tvk = λkvk , k = 1, . . . ,p, com λk ’s distintos, então {v1, . . . ,vp} é LI. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 19 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Diagonalização Prova Vamos provar para três autovetores {v1,v2,v3} com três autovalores (distintos) já ordenados por módulo: |λ1| > |λ2| > |λ3|. Se α1v1 + α2v2 + α3v3 = 0, aplicando T obtemos: T (α1v1 + α2v2 + α3v3) = T0 = 0. α1Tv1 + α2Tv2 + α3Tv3 = α1λ1v1 + α2λ2v2 + α3λ3v3 = 0. Aplicando T novamente: T (α1λ1v1 +α2λ2v2 +α3λ3v3) = 0. α1(λ1) 2v1 + α2(λ2)2v2 + α3(λ3)2v3 = 0. Aplicando T várias vezes: α1(λ1) nv1 + α2(λ2)nv2 + α3(λ3)nv3 = 0. Dividindo por (λ1)n: α1v1 + α2(λ2/λ1)nv2 + α3(λ3/λ1)nv3 = 0. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 20 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Diagonalização Prova α1v1 + α2(λ2/λ1)nv2 + α3(λ3/λ1)nv3 = 0. Passando ao limite (n →∞), como |λ2/λ1| < 1, α1v1 = 0. Logo α1 = 0. Voltando a equação 0(λ1)nv1 + α2(λ2)nv2 + α3(λ3)nv3 = 0, dividindo por (λ2)n: α2v2 + α3(λ3/λ2)nv3 = 0. Passando ao limite (n →∞), como |λ3/λ2| < 1, α2v2 = 0. Logo α2 = 0. Da equação 0v1 + 0v2 + α3v3 = 0, concluimos que: α3 = 0, o que implica que autovetores são LIs. É fácil generalizar para o caso geral de n autovetores (veja o livro para outra prova). Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 21 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Diagonalização Corolário Se o espaço V possui dimensão n e existem n autovalores distintos então T é diagonalizável. Para diagonalizar uma TL em dimensão n: 1 Calcular os autovalores (raízes do polinômio caractertístico). Se n autovalores distintos é diagonalizável. 2 Encontrar bases para autospaços (resolver sistemas homogêneos) 3 Juntar os vetores de todas as bases: se forem suficientes (n vetores LI’s), T é diagonalizável, caso contrário, não. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 22 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Decomposição Espectral Se A é diagonalizável, definindo D matriz diagonal com autovalores e P matriz com autovetores nas colunas, AP = PD. Prova: AP é uma matriz onde cada coluna é λivi . PD é também uma matriz onde cada coluna é λivi . Como autovetores formam base LI, P é invertível. Assim A = PDP−1, chamada decomposição espectral de A. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 23 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo de Matrizes Diagonalizáveis Exemplo A = [ −2 2 0 2 ] . A = 3 1 −20 7 4 0 0 2 . A = 5 0 01 −4 6 2 0 2 . A = 1 0 1 2 3 5 3 4 0 0 7 3 0 0 02 . TODAS possuem no. autovalores distintos iguais a dimensão da matriz. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 24 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Encontre a decomposição espectral de A = 3 1 −2−2 0 4 0 0 2 . Autovalores são 1 e 2. Temos que calcular autoespaços para saber se é diagonalizável! Base do autoespaço do 2: v1 = (2,0,1) e v2 = (−1,1,0). Base do autoespaço do 1: w = (1,−2,0). Três autovetores LI’s: É diagonalizável. A = PDP−1 com P = [ v1 v2 w ] D = 2 2 1 . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 25 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Ou, A = PDP−1 com P = [ w v1 v2 ] D = 1 2 2 . Ou, A = PDP−1 com P = [ v1 w v2 ] D = 2 1 2 . Ou, A = PDP−1 com P = [ v2 w v1 ] D = 2 1 2 . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 26 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo Encontre a decomposição espectral de A = 3 −1 01 1 0 1 0 −1 . Autovalores são −1 e 2. Temos que calcular autoespaços para saber se é diagonalizável! Base do autoespaço do 2: (3,3,1). Base do autoespaço do −1: (0,0,1). Dois autovetores LI’s: Não é diagonalizável. Não possui decomposiçãoespectral. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 27 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo Exemplo T projeção ortogonal na reta r = 〈w〉. Determine decomposição espectral. Se v é perpendicular à reta r , Tv = 0 = 0v e Tw = 1w. São autovalores 0 e 1 com autovetores associados w e v. T = PDP−1 com P = ↑v ↓ ↑ w ↓ D = [ 0 1 ] . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 28 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Teorema Espectral Teorema Se A = At (dizemos que a matriz A é simétrica) então existe uma base ortogonal de autovetores que diagonaliza A. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 29 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Calculando potência de matrizes Se A = PDP−1 é diagonalizável podemos calcular facilmente Ak . por exemplo A2 = (PDP−1)(PDP−1) = PD(P−1P)DP−1 = PDDP−1 = PD2P−1. calcular D2 é fácil: basta calcular o quadrado dos elementos da diagonal. outro exemplo A3 = (PDP−1)(PDP−1)(PDP−1) = PD(P−1P)D(P−1P)DP−1 = PDDDP−1 = PD3P−1. de forma geral, Ak = PDkP−1. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 30 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo de potência Exemplo Calcule A10 para A = 14 [ 1 −3 −3 1 ] . O autoespaço associado ao −1/2 é 〈(1,1)〉. O autoespaço associado ao 1 é 〈(1,−1)〉. Portanto, P = [ 1 1 1 −1 ] com D = [ −1/2 1 ] . Calculando a inversa de P determinamos que P−1 = 12 [ 1 1 1 −1 ] . Como D10 = [ 1/210 1 ] ,calculando o produto PD10P−1 obtemos que A10 = 1211 [ 210 + 1 1− 210 1− 210 210 + 1 ] . Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 31 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Raiz Quadrada de Matrizes Podemos de forma similar calcular raiz quadrada de matrizes diagonalizáveis. Se A = PDP−1, definimos √ A = P √ DP−1, onde √ D significa tomar raiz dos elementos da diagonal. ( √ A)2 = (P √ DP−1)(P √ DP−1) = P √ D √ DP−1 = P( √ D)2P−1 = PDP−1 = A. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 32 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A = AT Potência/Exponencial de Matriz Exemplo de raíz quadrada Exemplo Calcule √ A para A = [ −6 −30 5 19 ] . O autoespaço associado ao 9 é 〈(−2,1)〉. O autoespaço associado ao 4 é 〈(−3,1)〉. Portanto, P = [ −2 −3 1 1 ] com D = [ 9 4 ] . Calculando a inversa de P determinamos que P−1 = [ 1 3 −1 −2 ] . Como √ D = [ 3 2 ] , calculando o produto P √ DP−1 = √ A obtemos que B = √ A = [ 0 −6 1 5 ] . Verifique diretamente que B2 = A. Álgebra Linear II 2008/2 Prof. Marco Cabral & Prof. Paulo Goldfeld DMA / IM / UFRJ 33 / 33 Autovalores e Autovetores Determinante de Matriz bloco-triangular Motivando com Geometria Definição Calculando Diagonalização Teorema Espectral: A=AT Potência/Exponencial de Matriz
Compartilhar