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Autovalor e Autovetor 108 Elaine Cristina Ferruzzi Devanil Atnonio Francisco 20 AUTOVALORES E AUTOVETORES Ao estudarmos o núcleo de uma transformação linear de V em W estávamos interessados em determinar quais os elementos de V que eram levados no vetor nulo de W. Agora nosso problema passará a ser o seguinte: dado um operador linear T : V V estamos interessados em determinar quais os elementos de V que são levados a um múltiplo de si mesmo, ou seja estamos procurando um vetor v V e um escalar R tais que T(v) v . Note que T(v) será neste caso um vetor com a mesma direção de v. 20.1 Definição Seja T : V V um operador linear. Se existirem v V , v 0 e tais que T(v) v , então é um autovalor (ou valor próprio) de T e v um autovetor de T associado a . Exemplo 01) O vetor v = ( 5, 2) é auto-vetor do operador linear: 2 2T : R R , com T(x, y) (4x 5y,2x y) , associado ao valor próprio =6, pois: T(v) T(5,2) (30,12) 6.(5,2) 6v Exemplo 02) Seja 2 2T : R R , com T(x, y) (2x,2y) . Então, todo vetor (x,y)≠(0,0) de 2R é um autovetor de T associado ao autovalor 2. Na forma matricial temos: y x 2 y2 x2 y x . 20 02 y x Geometricamente temos: De modo geral, toda transformação 2 2T : R R , com T(v) v, 0 , tem como autovalor e qualquer (x, y) (0,0) como autovetor correspondente. Observe que se: 0, T inverte o sentido do vetor 1, T dilata o vetor 1, T contrai o vetor. 20.2 Determinação dos Autovalores e dos Autovetores de um Operador T Sejam um operador 3 3T : R R cuja matriz canônica é: 11 12 13 21 22 23 31 32 33 a a a A a a a a a a isto é, A T Se v e são, respectivamente, um autovetor com seu autovalor correspondente em T, temos que: A.v .v A.v .v 0 Sendo v I.v , onde I é a matriz identidade, podemos escrever: Av Iv 0 colocando v em evidência, temos: (A I )v 0 ( * ) Como v 0 e queremos que o sistema homogêneo representado por ( * ) tenha solução não nula devemos ter: det(A I) 0 (**) ou seja, 11 12 13 21 22 23 31 32 33 11 12 13 21 22 23 31 32 33 a a a 1 0 0 det a a a 0 1 0 0 a a a 0 0 1 a a a 0 0 det a a a 0 0 0 a a a 0 0 11 12 13 21 22 23 31 32 33 a a a a a a 0 (***) a a a O determinante (***) fornece uma equação denominada equação característica do operador T ou da matriz A e suas raízes são autovalores do operador T ou da matriz A. O determinante det(A I) é um polinômio em que denominamos polinômio característico. Autovalor e Autovetor 109 Elaine Cristina Ferruzzi Devanil Atnonio Francisco A substituição de pelos seus valores no sistema homogêneo (**) permite determinar os autovetores associados a cada autovalor. Exemplo 03) Determinar os autovalores e autovetores do operador linear 3 3T : R R , com T(x, y,z) (3x y z, x 5y z, x y 3z) Resolução: A base canônica do 3R é 1 2 3e (1,0,0), e (0,1,0), e (0,0,1) , obtendo a matriz de T na base canônica. T( 1,0,0) = (3.10+0,1+5.00,10+3.0) = ( 3,1,1) T( 0,1,0) = (3.01+0, 0+5.10, 01+3.0) = ( 1, 5 , 1) T( 0,0,1) = (3.00+1, 0 +5.0 –1, 00+3.1) = ( 1, 1 3) Assim, a matriz canônica de T é: A= 3 1 1 T 1 5 1 1 1 3 A equação característica é dada por: 3 1 1 det(A I) 1 5 1 0 1 1 3 Isto é, desenvolvendo o determinante por Laplace, usando a primeira linha, temos: 5 1 1 1 1 5 3 . ( 1). 1. 0 1 3 1 3 1 1 23 (15 8 1) 1( 3 1) 1(1 5 ) 0 2 2 3 3 2 45 24 3 3 15 8 3 1 1 5 0 11 36 36 0 Por um teorema sobre polinômios sabemos que as raízes são divisores de –36. Por tentativa temos que 2 é uma delas. Conseqüentemente 2 é um fator do polinômio característico 3 211 36 36 0 .Se dividirmos por 2 temos: 3 2 211 36 36 2 9 18 Encontrando as raízes de 2 9 18 encontramos os autovalores: 1 2 3 2 3 6 Substituindo agora, cada valor de no sistema A I v 0 (****) teremos os autovetores associados a cada autovalor. Coloquemos as coordenadas de v em forma de matriz: x v y z O sistema fica da seguinte forma: 3 1 1 x 0 1 5 1 . y 0 ( I ) 1 1 3 z 0 Substituindo por 2 no sistema ( I ) obtemos: 1 1 1 x 0 1 3 1 . y 0 1 1 1 z 0 Que corresponde ao sistema: x y z 0 x 3y z 0 x y z 0 O sistema possui infinitas soluções do tipo: y = 0 e z = x. Assim os vetores 1v (x,0, x) ou 1v x.(1,0, 1) são autovetores associados ao autovalor 1 2 Substituindo por 3 no sistema (I) obtemos: Coordenadas em relação a 1e Coordenadas em relação a 2e Coordenadas em relação a 3e Autovalor e Autovetor 110 Elaine Cristina Ferruzzi Devanil Atnonio Francisco 0 1 1 x 0 1 2 1 . y 0 1 1 0 z 0 Que corresponde ao sistema: y z 0 x 2y z 0 x y 0 O sistema possui infinitas soluções do tipo y = x e z = x. Assim, os vetores do tipo 2v (x,x,x) ou 2v x.(1,1,1) são autovetores associados ao autovalor 2 3. Substituindo por 6 no sistema (I) obtemos: 3 1 1 x 0 1 1 1 . y 0 1 1 3 z 0 Que corresponde ao sistema: 3x y z 0 x y z 0 x y 3z 0 O sistema possui infinitas soluções do tipo y = 2x e z = x. Assim, os vetores do tipo 3v (x, 2x,x) ou 3v x.(1, 2,1) são autovetores associados ao autovalor 1 6. Exemplo 04) Seja o operador linear, cuja matriz de representação na base canônica é: 2 2 A 0 1 . Ache os autovalores e autovetores de T. Solução: A equação característica de A é dada por: 2 2 1 0 det 0 0 1 0 1 2 2 det 0 0 1 2 1 0 daí: 2 e 1 Substituindo na equação A I .v, 1 e tomando x v y , temos: 2 2 1 0 x 0 1 0 1 0 1 y 0 2 2 1 0 x 0 0 1 0 1 y 0 1 2 x 0 0 0 y 0 Que equivale ao sistema: x 2y 0 x 2y 0x 0y 0 Então, os vetores do tipo (2y, y ) = y.(2, 1) são autovetores associados ao autovalor 1 . Substituindo agora 2 na equação (****) temos: 2 2 1 0 x 0 2 0 1 0 1 y0 2 2 2 0 x 0 0 1 0 2 y 0 0 2 x 0 0 1 y 0 Que equivale ao sistema: 2y 0 y 0 y 0 Então os vetores do tipo (x, 0) são autovetores correspondentes ao autovalor 2 . Exemplo 05) Determinar os autovalores e autovetores do operador linear: 2 2T : R R (x, y) (x, y) Solução: Vamos obter inicialmente, a matriz canônica do operador T. Temos que a base canônica de 2R é 1,0 , 0,1 . Assim: 1,0 1,0 0,1 0, 1 A matriz é 1 0 0 1 A equação característica de A é dado por: 1 0 1 0 det 0 0 1 0 1 1 0 det 0 0 1 1 1 0 daí: 1 e 1 Autovalor e Autovetor 111 Elaine Cristina Ferruzzi Devanil Atnonio Francisco Substituindo 1 na equação I v 0 e v x, y , temos: 1 0 1 0 x 0 1 0 1 0 1 y 0 1 0 1 0 x 0 0 1 0 1 y 0 0 0 x 0 0 2 y 0 Que equivale ao sistema: 0x 0y 0 y 0 0x 2y 0 O sistema acima tem infinitas soluções do tipo y = 0. Assim, todos os vetores do tipo 1v (x,0) ou 1v x(1,0) são associados ao autovalor 1. Substituindo 1 na equação I v 0 , obtemos: 1 0 1 0 x 0 1 0 1 0 1 y 0 1 0 1 0 x 0 0 1 0 1 y 0 2 0 x 0 0 0 y 0 Que equivale ao sistema: 2x 0y 0 x 0 0x 0y 0 Este sistema possui infinitas soluções do tipo x = 0. Assim, os vetores do tipo: 2v 0, y ou 2v y. 0,1 são autovetores ao autovalor 1. Exercícios: 01) Determinar os autovalores e autovetores das seguintes transformações lineares: 2 2a) T : R R , T(x, y) (x 2y, x 4y) 2 2b) T : R R , T(x, y) (2x 2y, x 3y) 2 2c) T : R R , T(x, y) (5x y, x 3y) 3 3d) T : R R T(x, y,z) (x y z, 2x z, 2y 3z) 3 3e) T : R R T(x, y,z) (x, 2x y, 2x y 2z) 3 3f ) T : R R T(x, y,z) (x y, y, z) 02) Calcular os autovalores e autovetores correspondentes as seguintes matrizes: 1 3 2 1 a) b) 1 5 3 4 1 1 0 3 1 3 c) 2 3 2 d) 0 2 3 1 1 2 0 0 1 03) Os autovetores de um operador linear 2 2T : R R são 1 22 e 3, sendo 1 2v 1, 1 e v 1,0 os respectivos autovetores associados. a) Determinar T(x,y). b) Sendo P 1, 1 , 1,0 determine PT . Respostas: 01) 1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 a) 3, v (y, y); 2, v (2y, y) b) 1, v ( 2y, y); 4, v (x, x) c) 4, v (x,x) 1, v z 1, 1,1 1 d) 1, v z , 2,1 2 4;v x(1,1,2) 1, v ( z,z,z); e) 1, v (0, 3z,z) 3 3 1 2 3 2, v (0,0,z) f ) 1, v(x,0,z), x e z não simultaneamente nulos 02) 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 a) 2, v (3y, y); 4, v (y, y) b) 1, v ( y, y); 5, v (x,3x) c) 1, v (x,0, x), 2, v ( 2z,2z,z), 3, v (x, 2x, x) d) 1, v (x,x,x); 2, v (x,x,0), 3, v (x,0, 0) 03) P a) T x, y 3x 5y,2y 2 0 b) T 0 3
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