Tema 7: Valores y vectores propios
Francisco Palacios
Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Manresa Universidad Politécnica de Cataluña
Mayo 2008, Versión 1.2 Ejercicio 1 Dada la matriz
A=
µ 1 2 2 1
¶ . 1. Calcula los valores propios.
2. Determina una base de vectores propios.
3. Diagonaliza la matriz.
4. Verifica los resultados con Maple.
1. Valores propios.
Calculamos el polinomio característico p(λ) = |A − λI| =
¯¯
¯¯ 1 − λ 2 2 1 − λ
¯¯
¯¯ ,
p(λ) = λ2− 2λ − 3.
Resolvemos la ecuación característica
p(λ) = 0 ⇒ λ2− 2λ − 3 = 0, Obtenemos
λ1= −1, λ2= 3.
El espectro de A es
σ(A) = {−1, 3} . 2. Base de vectores propios
2.1 Vectores propios asociados a λ1= −1.
Resolvemos
(A + I) v = ~0, µ 2 2
2 2
¶ µ x y
¶
= µ 0
0
¶ ,
½ 2x + 2y = 0 2x + 2y = 0 ⇒
½ x + y = 0 x + y = 0 ⇒
½ x = t
y = −t t ∈ R.
1
Vectores propios
v= tv1= t
µ 1
−1
¶
, v1=
µ 1
−1
¶ . 2.2 Vectores propios asociados a λ2= 3.
Resolvemos
(A − 3I) v = ~0, µ −2 2
2 −2
¶ µ x y
¶
= µ 0
0
¶ ,
½ −2x + 2y = 0 2x − 2y = 0 ⇒©
−x + y ⇒
½ x = t
y = t t ∈ R, vectores propios
v= tv2= t µ 1
1
¶
, v2= µ 1
1
¶ . Base de vectores propios
V= {v1, v2} . 3. Diagonalización
D= V−1AV.
V=
µ 1 1
−1 1
¶
, V−1=1 2
µ 1 −1 1 1
¶ ,
D = 1
2
µ 1 −1 1 1
¶ µ 1 2 2 1
¶ µ 1 1
−1 1
¶ ,
= 1 2
µ 1 −1 1 1
¶ µ −1 3 1 3
¶ ,
= 1 2
µ −2 0 0 6
¶
=
µ −1 0
0 3
¶ . ¤ Ejercicio 2 Consideramos la matriz
A=
µ a11 a12 a21 a22
¶ . 1. Demuestra que el polinomio característico es
p(λ) = λ2− traza(A) λ + det(A).
2. Demuestra que A tiene dos valores propios reales distintos si y sólo si [traza(A)]2> 4 det(A).
Recuerda que la traza de una matriz es la suma de los elementos de la diagonal.
1.
p(λ) = det (A − λI) =
¯¯
¯¯ a11− λ a12 a21 a22− λ
¯¯
¯¯
= (a11− λ) (a22− λ) − a21a12
= λ2− (a11+ a12) λ + a11a22− a21a12
= λ2− traza(A) λ + det(A).
2. La ecuación
λ2− traza (A) λ + det (A) = 0 tiene soluciones
λ =traza (A) ± q
[traza (A)]2− 4 det (A)
2 ,
tendremos dos soluciones reales si [traza (A)]2− 4 det (A) > 0. ¤ Ejercicio 3 Consideramos al matriz
A=
µ −5 18
−6 16
¶ .
1. Determina el número de valores propios reales de A usando la traza y el determinante.
2. Calcula el polinomio característicos y el espectro.
3. Determina un base de vectores propios y diagonaliza A.
4. Verifica los resultados con Maple.
1.
traza (A) = 11, det (A) = 28, polinomio característico
p (λ) = λ2− 11λ + 28,
[traza (A)]2− 4 det (A) = 121 − 112 = 9 > 0, tenemos dos valores propios reales.
2. Cálculo de los valores propios
p (λ) = 0 ⇒ λ2− 11λ + 28 = 0.
λ = 11 ±√ 9
2 =
( 11+3
2 = 7,
11−3 2 = 4.
Espectro
σ (A) = {4, 7} . Radio espectral ρ (A) = 7.
3. Vectores propios
3.1. Vectores propios asociados a λ1= 4.
Resolvemos
(A − 4I) v = ~0, µ −9 18
−6 12
¶ µ x y
¶
= µ 0
0
¶ ,
½ −9x + 18y = 0
−6x + 12y = 0 ⇐⇒©
−x + 2y = 0 .
½ x = 2t, y = t, t ∈ R.
Vectores propios
v= t µ 2
1
¶
⇒ v1 µ 2
1
¶ . 3.2. Vectores propios asociados a λ2= 7.
Resolvemos
(A − 7I) v = ~0, µ −12 18
−6 9
¶ µ x y
¶
= µ 0
0
¶ ,
½ −12x + 18y = 0
−6x + 9y = 0 ⇐⇒
½ −2x + 3y = 0
−2x + 3y = 0 ( x = t,
y = 23t, t ∈ R.
Vectores propios v= t
µ 1 2/3
¶
, tomamos v2= µ 3
2
¶ . Diagonalización
D= V−1AV.
Matriz de cambio
V=
µ 2 3 1 2
¶ , V−1=
µ 2 −3
−1 2
¶ ,
D =
µ 2 −3
−1 2
¶ µ −5 18
−6 16
¶ µ 2 3 1 2
¶
=
µ 2 −3
−1 2
¶ µ 8 21 4 14
¶
=
µ 4 0 0 7
¶ . ¤
Ejercicio 4 Dada la matriz
A=
⎛
⎝ 3 −2 −6
−4 5 4
5 −5 −8
⎞
⎠ .
1. Calcula los valores propios.
2. Determina una base de vectores propios.
3. Diagonaliza la matriz.
4. Verifica los resultados con Maple.
1. Valores propios Polinomio característico
p (λ) = |A − λI| =
¯¯
¯¯
¯¯
3 − λ −2 −6
−4 5 − λ 4
5 −5 −8 − λ
¯¯
¯¯
¯¯,
(2acol. + 1acol) → (1acol.) =
¯¯
¯¯
¯¯
1 − λ −2 −6
1 − λ 5 − λ 4
0 −5 −8 − λ
¯¯
¯¯
¯¯
Sacamos factor (1 − λ) de 1a columna = (1 − λ)
¯¯
¯¯
¯¯
1 −2 −6
1 5 − λ 4 0 −5 −8 − λ
¯¯
¯¯
¯¯
= (1 − λ) [(5 − λ) (−8 − λ) + 30 + 20 + 2 (−8 − λ)]
= (1 − λ)¡
−40 − 5λ + 8λ + λ2+ 50 − 16 − 2λ¢
= (1 − λ)¡
λ2+ λ − 6¢
| {z }
factorizam os
λ2+ λ − 6 = 0, λ =−1 ±√
25
2 =
( −1+5 2 = 2,
−1−52 = −3.
p (λ) = (1 − λ) (λ − 2) (λ + 3) , espectro
σ (A) = {−3, 1, 2} . 2. Base de vectores propios.
2.1. Vectores propios asociados a λ1= −3.
Resolvemos
(A + 3I) v = ~0,
⎛
⎝ 6 −2 −6
−4 8 4
5 −5 −5
⎞
⎠
⎛
⎝ x y z
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0 0 0
⎞
⎠ .
Reducimos por filas
⎛
⎝ 6 −2 −6
−4 8 4
5 −5 5
⎞
⎠ ⇒
⎛
⎝ 3 −1 −3
−1 2 1
1 −1 −1
⎞
⎠ ,
(3a) → (1a) (1a) → (3a)
⎛
⎝ 1 −1 −1
−1 2 1
3 −1 −3
⎞
⎠ ,
(2a+ 1a) → (2a) (3a− 3 × 1a) → (3a)
⎛
⎝ 1 −1 −1
0 1 0
0 2 0
⎞
⎠ ,
½ x − y − z = 0
y = 0 ⇒
⎧⎨
⎩ x = t, y = 0,
z = t, t ∈ R.
Vector propio asociado
v1=
⎛
⎝ 1 0 1
⎞
⎠ .
2.2 Vectores propios asociados a λ2= 1 Resolvemos
(A − I) v = ~0
⎛
⎝ 2 −2 −6
−4 4 4
5 −5 −9
⎞
⎠
⎛
⎝ x y z
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0 0 0
⎞
⎠ .
Reducimos por filas
¡1
21a¢
→ (1a)
¡1
42a¢
→ (2a)
⎛
⎝ 1 −1 −3
−1 1 1
5 −5 −9
⎞
⎠ ,
(2a+ 1a) → (2a) (3a+ 5 × 2a) → (3a)
⎛
⎝ 1 −1 −3
0 0 −2
0 0 −4
⎞
⎠ .
½ x − y − 6z = 0 z = 0 ⇒
⎧⎨
⎩
x = t, y = t, z = 0, t ∈ R.
Vector propio asociado
v2=
⎛
⎝ 1 1 0
⎞
⎠ .
2.3 Vectores propios asociados a λ3= 2
Resolvemos
(A − 2I) v = 0,
⎛
⎝ 1 −2 −6
−4 3 4
5 −5 −10
⎞
⎠
⎛
⎝ x y z
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0 0 0
⎞
⎠ .
Reducimos filas
(2a+ 4 · 1a) → (2a) (3a− 5 · 1a) → (3a)
⎛
⎝ 1 −2 −6
0 −5 −20
0 5 20
⎞
⎠
¡−1
5 2a¢
→ (2a) (3a+ 2a) → (3a)
⎛
⎝ 1 −2 −6
0 1 4
0 0 0
⎞
⎠
½ x − 2y − 6z = 0 y + 4z = 0
⎧⎨
⎩
x = 2y + 6z = −8t + 6t = −2t, y = −4t,
z = t, t ∈ R.
Vectores propios asociados
v= t
⎛
⎝ −2
−4 1
⎞
⎠ , t ∈ R,
tomamos
v3=
⎛
⎝ 2 4
−1
⎞
⎠ .
Base de vectores propios
V= {v1, v2, v3} . 3. Diagonalización
D= V−1AV.
Matriz de cambio
V=
⎛
⎝ 1 1 2
0 1 4
1 0 −1
⎞
⎠ .
Inversa por Gauss-Jordan
⎛
⎝ 1 1 2
0 1 4
1 0 −1
¯¯
¯¯
¯¯
1 0 0 0 1 0 0 0 1
⎞
⎠ ,
(3a− 1a) → (3a)
⎛
⎝ 1 1 2
0 1 4
0 −1 −3
¯¯
¯¯
¯¯
1 0 0 0 1 0
−1 0 1
⎞
⎠ ,
(3a+ 2a) → (3a)
⎛
⎝ 1 1 2 0 1 4 0 0 1
¯¯
¯¯
¯¯
1 0 0 0 1 0
−1 1 1
⎞
⎠ ,
(1a− 2 · 3a) → (1a) (2a− 4 · 3a) → (2a)
⎛
⎝ 1 1 0 0 1 0 0 0 1
¯¯
¯¯
¯¯
3 −2 −2 4 −3 −4
−1 1 1
⎞
⎠ ,
(1a− 2a) → (1a)
⎛
⎝ 1 0 0 0 1 0 0 0 1
¯¯
¯¯
¯¯
−1 1 2
4 −3 −4
−1 1 1
⎞
⎠ .
Inversa
V−1=
⎛
⎝ −1 1 2
4 −3 −4
−1 1 1
⎞
⎠ .
Diagonalizamos
D = V−1AV=
⎛
⎝ −1 1 2
4 −3 −4
−1 1 1
⎞
⎠
⎛
⎝ 3 −2 −6
−4 5 4
5 −5 −8
⎞
⎠
⎛
⎝ 1 1 2 0 1 4 1 0 1
⎞
⎠
=
⎛
⎝ −1 1 2
4 −3 −4
−1 1 1
⎞
⎠
⎛
⎝ −3 1 4
0 1 8
−3 0 −2
⎞
⎠
=
⎛
⎝ −3 0 0 0 1 0 0 0 2
⎞
⎠ .
4.Ver Resolución con Maple. ¤ Ejercicio 5 Dada la matriz
A=
⎛
⎝ 1 −1 0
−2 4 −2
0 −1 1
⎞
⎠ ,
1. Calcula los valores propios.
2. Determina una base de vectores propios.
3. Diagonaliza la matriz.
4. Verifica los resultados con Maple.
1. Valores propios Polinomio característico
p (λ) = |A − λI| =
¯¯
¯¯
¯¯
1 − λ −1 0
−2 4 − λ −2
0 −1 1 − λ
¯¯
¯¯
¯¯
p (λ) = (1 − λ)2(4 − λ) − 2 (1 − λ) − 2 (1 − λ)
= (1 − λ) [(1 − λ) (4 − λ) − 4]
= (1 − λ)¡
λ2− 5λ¢
= λ (1 − λ) (λ − 5) , espectro
σ (A) = {0, 1, 5} . 2. Base de vectores propios
2.1. Vectores propios asociados a λ1= 0.
Resolvemos
Av= ~0,
⎛
⎝ 1 −1 0
−2 4 −2
0 −1 1
⎞
⎠
⎛
⎝ x y z
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0 0 0
⎞
⎠ .
Reducimos por filas
(2a+ 2 · 1a) → (2a)
⎛
⎝ 1 −1 0
0 2 −2
0 −1 1
⎞
⎠
¡1
22a¢
→ (2a)
¡3a+122a¢
→ (3a)
⎛
⎝ 1 −1 0
0 1 −1
0 0 0
⎞
⎠
½ x − y = 0 y − z = 0 ⇒
⎧⎨
⎩ x = t, y = t,
z = t, t ∈ R.
Vector propio asociado
v1=
⎛
⎝ 1 1 1
⎞
⎠ .
2.2 Vectores propios asociados a λ2= 1.
Resolvemos
(A − I) v = ~0,
⎛
⎝ 0 −1 0
−2 3 −2
0 −1 0
⎞
⎠
⎛
⎝ x y z
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0 0 0
⎞
⎠ ,
½ −2x + 3y − 2z = 0 y = 0 ⇒
½ x + z = 0 y = 0 ,
⎧⎨
⎩
x = −t, y = 0,
z = t, t ∈ R.
Vector propio asociado
v2=
⎛
⎝ −1 0 1
⎞
⎠ .
2.3 Vectores propios asociados a λ3= 5.
Resolvemos
(A − 5I) v = 0,
⎛
⎝ −4 −1 0
−2 −1 −2
0 −1 −4
⎞
⎠
⎛
⎝ x y z
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0 0 0
⎞
⎠ .
Reducimos filas
(−2a) → (1a) (1a) → (2a)
⎛
⎝ 2 1 2
−4 −1 0
0 −1 −4
⎞
⎠ ,
(2a+ 2 · 1a) → (2a)
⎛
⎝ 2 1 2
0 1 4
0 −1 −4
⎞
⎠
½ 2x + y + 2z = 0 y + 4z = 0
⎧⎨
⎩
x = 12(−y − 2z) = 12(4t − 2t) = t, y = −4t,
z = t, t ∈ R.
Vectores propios asociados
v= t
⎛
⎝ 1
−4 1
⎞
⎠ , t ∈ R,
tomamos
v3=
⎛
⎝ 1
−4 1
⎞
⎠ .
Base de vectores propios
V= {v1, v2, v3} . 3. Diagonalización
D= V−1AV.
Matriz de cambio
V=
⎛
⎝ 1 −1 1
1 0 −4
1 1 1
⎞
⎠ .
Inversa
V−1 =
⎛
⎜⎝
2 5
1 5
2 5
−12 0 12
1 10 −15
1 10
⎞
⎟⎠ .
Diagonalizamos
D = V−1AV=
⎛
⎜⎝
2 5
1 5
2 5
−12 0 12
1 10 −15
1 10
⎞
⎟⎠
⎛
⎝ 1 −1 0
−2 4 −2
0 −1 1
⎞
⎠
⎛
⎝ 1 −1 1
1 0 −4
1 1 1
⎞
⎠
=
⎛
⎜⎝
2 5
1 5
2 5
−12 0 12
1 10 −15
1 10
⎞
⎟⎠
⎛
⎝ 0 −1 5
0 0 −20
0 1 5
⎞
⎠
=
⎛
⎝ 0 0 0 0 1 0 0 0 5
⎞
⎠ .
4. Ver Resolución con Maple. ¤ Ejercicio 6 Dada la matriz
A=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠ ,
queremos determinar el valor propio dominante usando el método de la potencia a partir del vector
x(0) =
⎛
⎝ 1 0 0
⎞
⎠ .
1. Haz las 4 primeras iteraciones de forma manual.
2. Escribe un programa Maple que permita aplicar el método de la poten- cia. Verifica su funcionamiento con el valor de las iteraciones calculadas manualmente.
3. Aproxima el valor propio dominante con 5 decimales. Determina un vector propio asociado.
1. Iteraciones manuales.
x(0) =
⎛
⎝ 1 0 0
⎞
⎠ .
Fase 1.
y(1)= Ax(0)=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠
⎛
⎝ 1 0 0
⎞
⎠ =
⎛
⎝ −4
−5
−1
⎞
⎠ ,
c1= −5, x(1)= 1
−5
⎛
⎝ −4
−5
−1
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 0. 8 1.0 0. 2
⎞
⎠ .
Fase 2.
y(2)= Ax(1)=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠
⎛
⎝ 0. 8 1.0 0. 2
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 10. 8 9.0
−0. 4
⎞
⎠ ,
c2= 10.8, x(2)= 1
10.8
⎛
⎝ 10. 8 9.0
−0. 4
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 1.0
0. 83333 33
−3. 70370 4 × 10−2
⎞
⎠ .
Fase 3.
y(3)= Ax(2)=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠
⎛
⎝ 1.0
0. 83333 33
−3. 70370 4 × 10−2
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 7. 66666 6 5. 83333 3
−1. 07407 4
⎞
⎠ ,
c3= 7. 66666 6, x(3)= 1
7. 66666 6
⎛
⎝ 7. 66666 6 5. 83333 3
−1. 07407 4
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 1.0
0. 76086 96
−0. 14009 66
⎞
⎠ .
Fase 4.
y(4) = Ax(3)=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠
⎛
⎝ 1.0
0. 76086 96
−0. 14009 66
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 6. 65217 4 4. 89130 5
−1. 28019 3
⎞
⎠ ,
c4= 6. 65217 4, x(4)= 1
6. 65217 4
⎛
⎝ 6. 65217 4 4. 89130 5
−1. 28019 3
⎞
⎠ =
⎛
⎝ 1.0
0. 73529 42
−0. 19244 73
⎞
⎠ .
Para el resto de los apartados ver Resolución con Maple.
Valor propio dominante λ = 6. ¤
Ejercicio 7 Sea A una matriz de dimensiones n × n con espectro σ(A) = {λ1, λ2, . . . , λn}
entonces, se cumple
1. λ1+ λ2+ · · · + λn= traza(A) 2. λ1· λ2· · · λn = det(A).
Usando estas propiedades y los resultados del ejercicio anterior, determina el espectro de
A=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠ .
Verifica los resultados con Maple.
Tenemos
traza(A) = −4 + 13 + 2 = 11, det(A) = 36,
y las relaciones ½
λ1+ λ2+ λ3= 11 λ1· λ2· λ3= 36
en el ejercicio anterior hemos obtenido el valor propio λ = 6, entonces
½ λ1+ λ2+ 6 = 11 λ1· λ2· 6 = 36 ⇒
½ λ1+ λ2= 5 λ1· λ2= 6 Despejamos en la primera ecuación y sustituimos en la segunda
½ λ2= 5 − λ1 λ1( 5 − λ1) = 6 Resolvemos la ecuación de segundo grado
λ21− 5λ1+ 6 = 0, y obtenemos
λ1= 5 ±√ 25 − 24
2 =
½ 5+1
2 = 3,
5−1 2 = 2, que produce las soluciones
λ1= 3, λ2= 2, y
λ1= 2, λ2= 3.
por lo tanto, el espectro de A es
σ (A) = {2, 3, 6}. ¤ Ejercicio 8 Consideramos la matriz
A=
⎛
⎜⎜
⎝
1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 3 1 1 1 1 4
⎞
⎟⎟
⎠
1. Determina el valor propio dominante usando el método de la potencia.
2. Determina el valor propio de módulo mínimo usando el método de la potencia inversa.
3. Usando la traza y el determinante, calcula el espectro de A.
4. Verifica los resultados con Maple.
El valor propio dominante es
λ1= 5.80389 y el valor propio de módulo mínimo es
λ2= 0.29609.
Calculamos la traza
traza (A) = 10.
Para el determinante, simplificamos previamente operando por filas
¯¯
¯¯
¯¯
¯¯
1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 3 1 1 1 1 4
¯¯
¯¯
¯¯
¯¯
=
¯¯
¯¯
¯¯
¯¯
1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3
¯¯
¯¯
¯¯
¯¯
= 6,
obtenemos las ecuaciones
½ 6. 09998 + λ3+ λ4= 10 1. 71847 4 · λ3· λ4= 6
½ λ3+ λ4= 3. 90002 λ3· λ4= 3. 49147
λ3= 1. 39227 , λ4= 2. 50775. ¤ Ejercicio 9 Consideramos la matriz
A=
⎛
⎝ −4 14 0
−5 13 0
−1 0 2
⎞
⎠
que tiene un valor propio próximo a ¯λ = 3.1.
1. Calcula dicho valor propio y un vector propio asociado usando el método de la potencia desplazada. Inicia las iteraciones con el vector
x(0)=
⎛
⎝ 5 1 1
⎞
⎠ .
2. Verifica el resultado con Maple.
Se obtiene el valor propio λ = 3. Ver Resolución con Maple. ¤
Ejercicio 10 Determina una matriz A con espectro λ1= 1.23, λ2= 5.67, λ3= 8.62 y que tenga como vectores propios asociados,
v1=
⎛
⎝ 0.23 1.42
−1.54
⎞
⎠ , v2=
⎛
⎝ 1.53
−1.42
−2.54
⎞
⎠ , v3=
⎛
⎝ 0
−3.12 5.45
⎞
⎠ .
Tenemos la relación
D= V−1AV donde
D=
⎛
⎝ 1.23 0 0
0 5.67 0
0 0 8.62
⎞
⎠
y
V=
⎛
⎝ 0. 23 1. 53 0 1. 42 −1. 42 −3. 12
−1. 54 −2. 54 5. 45
⎞
⎠ .
Obtenemos
A= VDV−1 la inversa de V es
V−1 =
⎛
⎝ 1. 93571 4 1. 03046 2 0. 58991 6 0. 36260 5 −. 15490 61 −8. 86801 8 × 10−2 0. 71596 64 . 21898 17 0. 30884 82
⎞
⎠
por lo tanto, la matriz buscada es
A=
⎛
⎝ 3. 69324 8 −1. 05230 8 −. 60242 22
−18. 79405 −2. 84236 6 −6. 56194 24. 74659 10. 56657 14. 66911
⎞
⎠ . ¤
Para los Ejercicios 11,12 y13, ver Resolución con Maple.
Ejercicio 11 Usando el método de la potencia, determina el valor propio dom- inante y un valor propio asociado para la matriz obtenida en el Ejercicio 10.
Ejercicio 12 Usando el método de la potencia inversa, determina el valor pro- pio de módulo mínimo y un valor propio asociado para la matriz obtenida en el Ejercicio 10.
Ejercicio 13 Aplica el método de la potencia desplazada con ¯λ = 5.1 a la matriz obtenida en el Ejercicio 10.