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Apuntes

Ejercicios: Teorema espectral y diagonalización ortogonal

Practica★☆☆
Diagonaliza ortogonalmente $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$: encuentra $Q$ ortogonal y $D$ diagonal tales que $A=QDQ^{\mathsf T}$. La imagen del círculo sugiere…

Diagonaliza ortogonalmente $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$: encuentra $Q$ ortogonal y $D$ diagonal tales que $A=QDQ^{\mathsf T}$.

La imagen del círculo sugiere el papel geométrico de una base ortonormal de autovectores.

−3 −2 −1 1 2 3 x 3 2 1 −1 −2 −3 y Círculo de entrada Elipse imagen
Resolver
Practica★☆☆
Para $A=\operatorname{diag}(-2,4,4)$, da una base ortonormal de autovectores y describe todos los autoespacios.

Para $A=\operatorname{diag}(-2,4,4)$, da una base ortonormal de autovectores y describe todos los autoespacios.

Resolver
Practica★☆☆
Calcula una base ortonormal de autovectores de $A=\begin{pmatrix}5&0&0\\0&2&1\\0&1&2\end{pmatrix}$.

Calcula una base ortonormal de autovectores de $A=\begin{pmatrix}5&0&0\\0&2&1\\0&1&2\end{pmatrix}$.

Resolver
Practica★☆☆
La matriz $A=\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}$ es diagonalizable. Decide si puede diagonalizarse mediante una matriz real ortogonal y justifica la diferencia.

La matriz $A=\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}$ es diagonalizable. Decide si puede diagonalizarse mediante una matriz real ortogonal y justifica la diferencia.

Resolver
Practica★☆☆
Determina el mínimo y el máximo de $4x^2+9y^2$ bajo la restricción $x^2+y^2=1$, e indica en qué direcciones se alcanzan.

Determina el mínimo y el máximo de $4x^2+9y^2$ bajo la restricción $x^2+y^2=1$, e indica en qué direcciones se alcanzan.

Resolver
Practica★☆☆
Diagonaliza unitariamente $A=\begin{pmatrix}2&i\\-i&2\end{pmatrix}$ en $\mathbb C^2$ con el producto $\langle u,v\rangle=\overline u^{\mathsf T}v$. Da $U,D$ tales que…

Diagonaliza unitariamente $A=\begin{pmatrix}2&i\\-i&2\end{pmatrix}$ en $\mathbb C^2$ con el producto $\langle u,v\rangle=\overline u^{\mathsf T}v$. Da $U,D$ tales que $A=UDU^*$, donde $U^*=\overline U^{\mathsf T}$.

Resolver
Practica★★☆
Una energía cuadrática es $q(x,y)=5x^2+4xy+2y^2$. Halla un cambio ortogonal de coordenadas que elimine el término mixto y expresa $q$ en las nuevas coordenadas. La curva…

Una energía cuadrática es $q(x,y)=5x^2+4xy+2y^2$. Halla un cambio ortogonal de coordenadas que elimine el término mixto y expresa $q$ en las nuevas coordenadas.

La curva de nivel representa una energía constante antes del cambio ortogonal de coordenadas.

x y −1 −0,5 0,5 1 0 1 0,5 −0,5 −1 q = 1
Resolver
Practica★★☆
Diagonaliza ortogonalmente $A=\begin{pmatrix}2&0&0\\0&3&1\\0&1&3\end{pmatrix}$, prestando atención al autovalor repetido.

Diagonaliza ortogonalmente $A=\begin{pmatrix}2&0&0\\0&3&1\\0&1&3\end{pmatrix}$, prestando atención al autovalor repetido.

Resolver
Practica★★☆
Una matriz real simétrica $A$ tiene como único autovalor $2$. Demuestra que $A=2I$ y explica por qué la afirmación puede fallar si se elimina la simetría.

Una matriz real simétrica $A$ tiene como único autovalor $2$. Demuestra que $A=2I$ y explica por qué la afirmación puede fallar si se elimina la simetría.

Resolver
Practica★★☆
Encuentra una matriz ortogonal que diagonalice simultáneamente $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$ y $B=\begin{pmatrix}4&-1\\-1&4\end{pmatrix}$. Indica las dos…

Encuentra una matriz ortogonal que diagonalice simultáneamente $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$ y $B=\begin{pmatrix}4&-1\\-1&4\end{pmatrix}$. Indica las dos diagonales en el mismo orden.

Resolver
Practica★★☆
Halla los extremos de $q(x,y)=2x^2+4xy+2y^2$ sobre el círculo unidad y todas las direcciones donde se alcanzan.

Halla los extremos de $q(x,y)=2x^2+4xy+2y^2$ sobre el círculo unidad y todas las direcciones donde se alcanzan.

Resolver
Practica★★☆
Diagonaliza ortogonalmente $S=\frac15\begin{pmatrix}3&4\\4&-3\end{pmatrix}$ e interpreta la transformación geométrica.

Diagonaliza ortogonalmente $S=\frac15\begin{pmatrix}3&4\\4&-3\end{pmatrix}$ e interpreta la transformación geométrica.

Resolver
Practica★★☆
Demuestra que dos matrices reales simétricas con los mismos autovalores, incluidas sus multiplicidades, son ortogonalmente semejantes.

Demuestra que dos matrices reales simétricas con los mismos autovalores, incluidas sus multiplicidades, son ortogonalmente semejantes.

Resolver
Practica★★☆
Encuentra una matriz simétrica definida positiva $B$ tal que $B^2=\begin{pmatrix}5&4\\4&5\end{pmatrix}$ usando diagonalización ortogonal.

Encuentra una matriz simétrica definida positiva $B$ tal que $B^2=\begin{pmatrix}5&4\\4&5\end{pmatrix}$ usando diagonalización ortogonal.

Resolver
Practica★★★
Demuestra que todo autovalor de una matriz real simétrica es real, admitiendo inicialmente autovectores complejos. Usa el producto hermítico usual.

Demuestra que todo autovalor de una matriz real simétrica es real, admitiendo inicialmente autovectores complejos. Usa el producto hermítico usual.

Resolver
Practica★★★
Demuestra que los autoespacios de una matriz real simétrica asociados a valores distintos son ortogonales. Explica cómo se completa una base ortonormal cuando hay…

Demuestra que los autoespacios de una matriz real simétrica asociados a valores distintos son ortogonales. Explica cómo se completa una base ortonormal cuando hay valores repetidos.

Resolver
Practica★★★
Para $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\1&a\end{pmatrix}$, construye una diagonalización ortogonal válida para todo $a\in\mathbb R$. Clasifica además cuándo es definida positiva,…

Para $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\1&a\end{pmatrix}$, construye una diagonalización ortogonal válida para todo $a\in\mathbb R$. Clasifica además cuándo es definida positiva, semidefinida positiva o indefinida.

Resolver
Practica★★★
Demuestra que una matriz real simétrica semidefinida positiva $A$ tiene una única raíz cuadrada real simétrica semidefinida positiva. Puedes usar el teorema espectral…

Demuestra que una matriz real simétrica semidefinida positiva $A$ tiene una única raíz cuadrada real simétrica semidefinida positiva. Puedes usar el teorema espectral tanto para $A$ como para una raíz candidata.

Resolver
Practica★★★
Sea $A$ real simétrica, con menor y mayor autovalor $m,M$. Demuestra $m\|x\|^2\le x^{\mathsf T}Ax\le M\|x\|^2$ y caracteriza la igualdad para $x\ne0$ en cada extremo.

Sea $A$ real simétrica, con menor y mayor autovalor $m,M$. Demuestra $m\|x\|^2\le x^{\mathsf T}Ax\le M\|x\|^2$ y caracteriza la igualdad para $x\ne0$ en cada extremo.

Resolver
Practica★★★
Sean $A,B$ matrices reales simétricas que conmutan. Demuestra que admiten una base ortonormal común de autovectores, sin suponer que $A$ tenga valores distintos.

Sean $A,B$ matrices reales simétricas que conmutan. Demuestra que admiten una base ortonormal común de autovectores, sin suponer que $A$ tenga valores distintos.

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