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Universidad · Álgebra I
Autovalores y diagonalización · Teoría espectral

Potencias de matrices y modelos discretos

Dos depósitos se pasan agua cada minuto, una app reparte usuarios entre dos servidores, una sucesión se define a partir de sus dos términos anteriores. En todos los casos el estado de mañana es una matriz por el estado de hoy, y la pregunta es la misma: ¿qué pasa después de mil pasos sin multiplicar mil veces? La respuesta está en los autovalores.

Potencias mediante diagonalización

Un modelo discreto lineal es una ecuación $x_{n+1}=Ax_n$, con $x_0$ dado. Iterando, $x_n=A^nx_0$. Calcular $A^n$ directamente es costoso, pero si $A$ es diagonalizable el cálculo es inmediato.

Si $v_1,\dots,v_k$ son autovectores que forman base y $x_0=c_1v_1+\dots+c_kv_k$, entonces

$$x_n=c_1\lambda_1^nv_1+\dots+c_k\lambda_k^nv_k.$$

Cada componente evoluciona por separado, multiplicada por su autovalor en cada paso.

Esquema de la factorización: el estado se expresa en la base de autovectores, cada coordenada se multiplica por su autovalor elevado a n y se vuelve a la base canónica. x₀ xₙ = Aⁿx₀ coordenadas c λⁿ · c Aⁿ (costoso) Dⁿ (fácil) P⁻¹ P
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Para $A=\operatorname{diag}(2,1/2)$ y $x_0=(1,4)$, calcula $x_n=A^nx_0$ para $n\ge0$ y describe el comportamiento de sus coordenadas.

Para $A=\operatorname{diag}(2,1/2)$ y $x_0=(1,4)$, calcula $x_n=A^nx_0$ para $n\ge0$ y describe el comportamiento de sus coordenadas.

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Se conoce $A=P\operatorname{diag}(3,-1)P^{-1}$, con $P=\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}$. Obtén una fórmula explícita para $A^n$, $n\ge0$.

Se conoce $A=P\operatorname{diag}(3,-1)P^{-1}$, con $P=\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}$. Obtén una fórmula explícita para $A^n$, $n\ge0$.

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Sea $A=\begin{pmatrix}2&1\\0&1\end{pmatrix}$. Halla $A^n$ para $n\ge0$ y comprueba la fórmula en $n=0$ y $n=1$.

Sea $A=\begin{pmatrix}2&1\\0&1\end{pmatrix}$. Halla $A^n$ para $n\ge0$ y comprueba la fórmula en $n=0$ y $n=1$.

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Comportamiento a largo plazo

Con $x_n=\sum c_i\lambda_i^nv_i$, lo que ocurre cuando $n\to\infty$ depende del módulo de cada $\lambda_i$ (también si es complejo, pues $|\lambda^n|=|\lambda|^n$).

En general, el autovalor de mayor módulo domina: si $|\lambda_1|>|\lambda_i|$ para $i>1$ y $c_1\neq0$, entonces $x_n\approx c_1\lambda_1^nv_1$. Un autovalor negativo hace que esa componente cambie de signo en cada paso; uno complejo la hace girar.

Plano complejo con la circunferencia unidad: los autovalores dentro dan convergencia a cero, los de módulo uno dan órbitas que no decaen y los de fuera divergen. dentro (|λ|<1): decae · fuera (|λ|>1): crece sobre la circunferencia: |λ|=1 |λ|>1 |λ|=1
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Un sistema cumple $x_{n+1}=\begin{pmatrix}1/2&0\\0&-1/3\end{pmatrix}x_n$. Explica si converge a cero para cualquier estado inicial y qué significa el signo negativo del…

Un sistema cumple $x_{n+1}=\begin{pmatrix}1/2&0\\0&-1/3\end{pmatrix}x_n$. Explica si converge a cero para cualquier estado inicial y qué significa el signo negativo del segundo autovalor.

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Para $A=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}$, estudia $x_n=A^nx_0$. Determina exactamente qué estados iniciales producen una sucesión convergente.

Para $A=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}$, estudia $x_n=A^nx_0$. Determina exactamente qué estados iniciales producen una sucesión convergente.

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Sea $A$ diagonalizable sobre $\mathbb C$. Demuestra que $A^nx\to0$ para todo $x$ si y solo si todos sus autovalores tienen módulo menor que $1$.

Sea $A$ diagonalizable sobre $\mathbb C$. Demuestra que $A^nx\to0$ para todo $x$ si y solo si todos sus autovalores tienen módulo menor que $1$.

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Modelos de intercambio y cadenas de dos estados

Cuando una cantidad se reparte entre dos compartimentos sin perderse, cada columna de la matriz suma $1$ (matriz estocástica por columnas). Esto implica que $1$ es autovalor: la fila $(1,1)$ cumple $(1,1)A=(1,1)$, así que $A$ y $A^T$ comparten autovalor $1$.

Dos depósitos que se intercambian líquido: cada uno conserva tres cuartos de su contenido y pasa un cuarto al otro. uₙ vₙ 1/4 1/4 se queda 3/4 se queda 3/4
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Dos depósitos intercambian cada minuto una cuarta parte de su contenido. Si el total se conserva y $x_n=(u_n,v_n)$, escribe la matriz del modelo y comprueba que $(1,1)$…

Dos depósitos intercambian cada minuto una cuarta parte de su contenido. Si el total se conserva y $x_n=(u_n,v_n)$, escribe la matriz del modelo y comprueba que $(1,1)$ es una dirección de equilibrio.

El esquema identifica los intercambios que debes traducir a una matriz.

Depósito A uₙ Depósito B vₙ permanece 3/4 permanece 3/4 1/4 por minuto 1/4 por minuto
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Los depósitos del modelo $x_{n+1}=\begin{pmatrix}3/4&1/4\\1/4&3/4\end{pmatrix}x_n$ parten de $x_0=(8,0)$ litros. Usa una base de autovectores para calcular $x_n$ y el…

Los depósitos del modelo $x_{n+1}=\begin{pmatrix}3/4&1/4\\1/4&3/4\end{pmatrix}x_n$ parten de $x_0=(8,0)$ litros. Usa una base de autovectores para calcular $x_n$ y el reparto límite.

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Dos zonas tienen proporciones de población $x_n$ y transición $x_{n+1}=\begin{pmatrix}9/10&1/5\\1/10&4/5\end{pmatrix}x_n$, con $x_{n,1}+x_{n,2}=1$. Calcula el reparto…

Dos zonas tienen proporciones de población $x_n$ y transición $x_{n+1}=\begin{pmatrix}9/10&1/5\\1/10&4/5\end{pmatrix}x_n$, con $x_{n,1}+x_{n,2}=1$. Calcula el reparto estacionario y el segundo autovalor.

El diagrama de transición ayuda a interpretar las columnas de la matriz.

1/10 1/5 9/10 4/5 Zona 1 Zona 2
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Recurrencias y proyectores

Una recurrencia de segundo orden se convierte en un sistema de primer orden ampliando el estado con el término anterior.

Descomposición del espacio en imagen y núcleo de un proyector: la componente en la imagen no cambia y la del núcleo se multiplica por menos uno en cada paso. Im P ker P x = x₁ + x₂ Aⁿx = x₁ + (−1)ⁿ x₂
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Una recurrencia cumple $u_{n+2}=3u_{n+1}-2u_n$, $u_0=0$, $u_1=1$. Escríbela como sistema matricial de primer orden y resuélvela mediante sus autovalores.

Una recurrencia cumple $u_{n+2}=3u_{n+1}-2u_n$, $u_0=0$, $u_1=1$. Escríbela como sistema matricial de primer orden y resuélvela mediante sus autovalores.

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Sea $P$ una proyección, $P^2=P$, y $A=2P-I$. Calcula $A^n$ para todo entero $n\ge0$ y explica la evolución de un vector descompuesto en $\operatorname{Im}P\oplus\ker P$.

Sea $P$ una proyección, $P^2=P$, y $A=2P-I$. Calcula $A^n$ para todo entero $n\ge0$ y explica la evolución de un vector descompuesto en $\operatorname{Im}P\oplus\ker P$.

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Cuando no basta con los autovalores

Un autovalor de módulo $1$ no decide por sí solo: depende de si la matriz es diagonalizable. El caso límite lo muestra.

Órbitas de la matriz de cizalla: sobre el eje horizontal los puntos son fijos y fuera de él avanzan a pasos constantes sin cota. b = 0: fijo b ≠ 0: escapa
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Para $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\0&1/2\end{pmatrix}$, $a\in\mathbb R\setminus\{1/2\}$, determina cuándo todos los estados del sistema $x_{n+1}=A_ax_n$ convergen a cero. Si…

Para $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\0&1/2\end{pmatrix}$, $a\in\mathbb R\setminus\{1/2\}$, determina cuándo todos los estados del sistema $x_{n+1}=A_ax_n$ convergen a cero. Si no ocurre, caracteriza los estados que sí lo hacen.

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Una cadena de dos estados tiene matriz $A=\begin{pmatrix}1-p&q\\p&1-q\end{pmatrix}$, con $0<p,q<1$, actuando sobre vectores columna de probabilidades. Obtén $A^n$ como…

Una cadena de dos estados tiene matriz $A=\begin{pmatrix}1-p&q\\p&1-q\end{pmatrix}$, con $0

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En el modelo $x_{n+1}=\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix}x_n$, ambos autovalores tienen módulo $1$. Calcula $A^n$ sin diagonalizar y determina qué órbitas son acotadas;…

En el modelo $x_{n+1}=\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix}x_n$, ambos autovalores tienen módulo $1$. Calcula $A^n$ sin diagonalizar y determina qué órbitas son acotadas; explica por qué conocer solo los autovalores no basta para decidirlo.

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Vuelve al principio: tras mil pasos el reparto de los depósitos o de los servidores ya está en el autovector de autovalor $1$, porque los demás autovalores, de módulo menor que $1$, se han apagado.

Resumen

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