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14.3: Diagonalización de matriz

  • Page ID
    86601
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    A partir de nuestra comprensión de los valores propios y vectores propios (Sección 14.2) hemos descubierto varias cosas sobre nuestra matriz de operadores,\(A\). Sabemos que si los vectores propios de\(A\) span\(\mathbb{C}^n\) y sabemos expresar cualquier vector\(\mathbf{x}\) en términos de\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\), entonces tenemos el operador\(A\) todo resuelto. Si tenemos\(A\) actuando sobre\(\mathbf{x}\), entonces esto es igual a\(A\) actuar sobre las combinaciones de vectores propios. ¡Lo que sabemos resulta ser bastante fácil!

    Todavía nos quedan dos preguntas que deben abordarse:

    1. ¿Cuándo hacen los vectores propios\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\) de\(A\) span\(\mathbb{C}^n\) (asumiendo que\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\) son linealmente independientes)?
    2. ¿Cómo expresamos un vector dado\(\mathbf{x}\) en términos de\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\)?

    Respuesta a la Pregunta #1

    Pregunta #1

    ¿Cuándo hacen los vectores propios\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\) de\(A\) span\(\mathbf{C}^n\)?

    Si\(A\) tiene valores propios\(n\) distintos

    \[\lambda_{i} \neq \lambda_{j}, i \neq j \nonumber \]

    donde\(i\) y\(j\) son enteros, entonces\(A\) tiene vectores propios\(n\) linealmente independientes\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\) que luego abarcan\(\mathbb{C}^{n}\).

    A un lado

    La prueba de esta afirmación no es muy dura, pero no es realmente lo suficientemente interesante como para incluirla aquí. Si desea investigar más a fondo esta idea, lea Strang, G., “Álgebra lineal y su aplicación” para obtener la prueba.

    Además, los valores propios\(n\) distintos significan

    \[\operatorname{det}(A-\lambda I)=c_{n} \lambda^{n}+c_{n-1} \lambda^{n-1}+\ldots+c_{1} \lambda+c_{0}=0 \nonumber \]

    tiene raíces\(n\) distintas.

    Respuesta a la Pregunta #2

    Pregunta #2

    ¿Cómo expresamos un vector dado\(\mathbf{x}\) en términos de\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\)?

    Queremos encontrar\(\left\{\alpha_{1}, \alpha_{2}, \ldots, \alpha_{n}\right\} \in \mathbb{C}\) tal que

    \[\mathbf{x}=\alpha_{1} v_{1}+\alpha_{2} v_{2}+\ldots+\alpha_{n} v_{n} \label{14.4} \]

    Para encontrar este conjunto de variables, comenzaremos recopilando los vectores\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\) como columnas en una\(n \times n\) matriz\(V\).

    \ [V=\ left (\ begin {array} {cccc}
    \ vdots &\ vdots &\ vdots\\
    v_ {1} & v_ {2} &\ dots & v_ {n}\\ vdots &
    \ vdots &\ vdots &\ vdots
    \ end {array}\ right)\ nonumber\]

    Ahora la ecuación\ ref {14.4} se convierte

    \ [\ mathbf {x} =\ left (\ begin {array} {ccccc}
    \ vdots & &\ vdots\\
    v_ {1} & v_ {2} &\ ldots & v_ {n}\\ vdots &
    \ vdots &\ vdots &\ vdots
    \ end {array}\ derecha)\ left (\ begin {array} {c}
    \ alfa_ {1}\\
    \ vdots\\
    \ alpha_ {n}
    \ end {array}\ derecha)\ nonumber\]

    o

    \[\mathbf{x}=V \mathbf{\alpha} \nonumber \]

    lo que nos da una forma fácil de resolver para nuestras variables en cuestión,\(\mathbf{\alpha}\):

    \[\mathbf{\alpha}=V^{-1} \mathbf{x} \nonumber \]

    Tenga en cuenta que\(V\) es invertible ya que cuenta con columnas\(n\) linealmente independientes.

    A un lado

    Recordemos nuestro conocimiento de las funciones y sus bases y examinemos el papel de\(V\).

    \[\mathbf{x}=V \mathbf{\alpha} \nonumber \]

    \ [\ left (\ begin {array} {c}
    x_ {1}\\
    \ vdots\\
    x_ {n}
    \ end {array}\ right) =V\ left (\ begin {array} {c}
    \ alpha_ {1}\
    \ vdots\\
    \ alpha_ {n}
    \ end {array}\ right)\ nonumber\]

    donde solo\(\alpha\) se\(x\) expresa en una base diferente:

    \ [x=x_ {1}\ left (\ begin {array} {c}
    1\\
    0\
    \ vdots\\
    0
    \ end {array}\ right) +x_ {2}\ left (\ begin {array} {c}
    0\\
    1\
    \ vdots\\
    0
    \ end {array}\ derecha) +\ cdots+x_ {n}\ left (\ begin {array} {c}
    0\\
    0\\
    \ vdots\\
    1
    \ end {array}\ right)\ nonumber\]

    \ [x=\ alpha_ {1}\ left (\ begin {array} {c}
    \ vdots\\
    v_ {1}\\
    \ vdots
    \ end {array}\ derecha) +\ alpha_ {2}\ left (\ begin {array} {c}
    \ vdots\\
    v_ {2}\
    \ vdots
    \ end {array}\ derecha) +\ cdots+\ alpha_ {n}\ left (\ begin { array} {c}
    \ vdots\\
    v_ {n}\\
    \ vdots
    \ end {array}\ derecha)\ nonumber\]

    \(V\)se transforma\(x\) de la base estándar a la base\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\)

    Diagonalización y salida de matriz

    También podemos usar los vectores\(\left\{v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right\}\) para representar la salida,\(\mathbf{b}\), de un sistema:

    \[\mathbf{b}=A \mathbf{x}=A\left(\alpha_{1} v_{1}+\alpha_{2} v_{2}+\ldots+\alpha_{n} v_{n}\right) \nonumber \]

    \[A \mathbf{x}=\alpha_{1} \lambda_{1} v_{1}+\alpha_{2} \lambda_{2} v_{2}+\ldots+\alpha_{n} \lambda_{n} v_{n}=\mathbf{b} \nonumber \]

    \ [A x=\ left (\ begin {array} {cccc}
    \ vdots &\ vdots &\ vdots\\
    v_ {1} & v_ {2} &\ dots & v_ {n}\\ vdots &
    \ vdots &\ vdots &\ vdots
    \ end {array}\ right)\ left (\ begin {array} {c}
    \ lambda_ {1}\ alpha_ {1}\\
    \ vdots\\
    \ lambda_ {1}\ alfa_ {n}
    \ end {array}\ derecha)\ nonumber\]

    \[A \mathbf{x}=V \Lambda \mathbf{\alpha} \nonumber \]

    \[A \mathbf{x}=V \Lambda V^{-1} \mathbf{x} \nonumber \]

    donde\(\Lambda\) está la matriz con los valores propios abajo de la diagonal:

    \ [\ lambda=\ left (\ begin {array} {cccc}
    \ lambda_ {1} & 0 &\ dots & 0\\
    0 &\ lambda_ {2} &\ dots & 0\
    \ dots &\ vdots &\ ddots &\ vdots &\ vdots\\
    0 &\ dots &\ lambda_ {n}
    \ end {array}\ right)\ nonumber \]

    Finalmente, podemos cancelar el\(\mathbf{x}\) y se quedan con una ecuación final para\(A\):

    \[A=V \Lambda V^{-1} \nonumber \]

    Interpretación

    Para nuestra interpretación, recuerde nuestras fórmulas clave:

    \[\mathbf{\alpha}=V^{-1} \mathbf{x} \nonumber \]

    \[b=\sum_{i} \alpha_{i} \lambda_{i} v_{i} \nonumber \]

    Podemos interpretar operando\(\mathbf{x}\) con\(A\) como:

    \ [\ izquierda (\ begin {array} {c}
    x_ {1}\\
    \ vdots\\
    x_ {n}
    \ end {array}\ derecha)\ derechafila\ izquierda (\ begin {array} {c}
    \ alpha_ {1}\\ vdots
    \\
    \ alpha_ {n}
    \ end {array}\ right)\ right)\ right tarrow\ left (\ begin {array} c {}
    \ lambda_ {1}\ alpha_ {1}\\
    \ vdots\
    \ lambda_ {1}\ alpha_ {n}
    \ end {array}\ derecha)\ derecha)\ fila derecha\ izquierda (\ begin {array} {c}
    b_ {1}\
    \ vdots\\
    b_ {n}
    \ end {array}\ derecha)\ nonumber\]

    donde los tres pasos (flechas) de la ilustración anterior representan las siguientes tres operaciones:

    1. Transformar\(\mathbf{x}\) usando\(V^{-1}\), que rinde\(\alpha\)
    2. Multiplicación por\(\Lambda\)
    3. Transformación inversa usando\(V\), lo que nos da\(\mathbf{b}\)

    ¡Este es el paradigma que usaremos para los sistemas LTI!

    Figura\(\PageIndex{1}\): ¡Ilustración simple del sistema LTI!

    This page titled 14.3: Diagonalización de matriz is shared under a CC BY license and was authored, remixed, and/or curated by Richard Baraniuk et al..