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Universidad · Álgebra I
Autovalores y diagonalización · Teoría espectral

Autovalores, autoespacios y polinomio característico

Aplica una transformación lineal a todos los vectores del plano: casi todos cambian de dirección. Pero algunos, muy pocos, solo se estiran, se encogen o se invierten sobre su propia recta. Esas direcciones privilegiadas describen el comportamiento esencial de la transformación: los modos de vibración de una estructura, los ejes de un giro de un sólido o la evolución a largo plazo de un modelo. ¿Cómo se encuentran, cuántas puede haber y qué falla cuando no hay suficientes?

Autovalores y autovectores

La condición $v\ne 0$ es esencial: $A0=\lambda 0$ se cumple para todo $\lambda$ y no aporta información. Un autovalor puede ser $0$; un autovector nunca es el vector nulo.

¿Por qué importa? Si $Av=\lambda v$, la acción de $A$ sobre la recta generada por $v$ se reduce a multiplicar por un número. Un problema de dimensión $n$ se convierte en problemas de dimensión $1$.

Un vector de referencia que conserva su dirección al multiplicarse por 2 y otro vector que cambia de dirección bajo la transformación. v Av = 2v (misma recta) w Aw (otra dirección)
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Para $A=\begin{pmatrix}3&0\\0&-2\end{pmatrix}$, calcula sus autovalores y autoespacios en $\mathbb R^2$. Explica el efecto de $A$ sobre un vector de cada eje. El esquema…

Para $A=\begin{pmatrix}3&0\\0&-2\end{pmatrix}$, calcula sus autovalores y autoespacios en $\mathbb R^2$. Explica el efecto de $A$ sobre un vector de cada eje.

El esquema compara dos vectores de referencia con sus imágenes por la transformación.

−1 1 2 3 4 x 2 1 −1 −2 y 0 v (1, 0) Av (3, 0) w (0, 1) Aw (0, −2)
Resolver
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Comprueba si $v=(1,2)$ y $w=(1,-1)$ son autovectores de $A=\begin{pmatrix}2&1\\2&3\end{pmatrix}$. Da el autovalor cuando exista.

Comprueba si $v=(1,2)$ y $w=(1,-1)$ son autovectores de $A=\begin{pmatrix}2&1\\2&3\end{pmatrix}$. Da el autovalor cuando exista.

Resolver

Polinomio característico

Buscamos $\lambda$ tal que $(\lambda I-A)v=0$ tenga solución no nula, es decir, tal que $\lambda I-A$ no sea invertible.

Gráfica de un polinomio característico de grado dos que corta el eje horizontal en dos autovalores. λ₁ λ₂ χ(t)
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Calcula el polinomio característico, los autovalores y sus multiplicidades algebraicas para $A=\begin{pmatrix}2&4&0\\0&2&1\\0&0&-1\end{pmatrix}$ sobre $\mathbb R$. Usa…

Calcula el polinomio característico, los autovalores y sus multiplicidades algebraicas para $A=\begin{pmatrix}2&4&0\\0&2&1\\0&0&-1\end{pmatrix}$ sobre $\mathbb R$. Usa la convención $\chi_A(t)=\det(tI-A)$.

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Una matriz real $3\times3$ tiene autovalores $2,-1,4$, contados con multiplicidad. Calcula su traza, su determinante y decide si es invertible.

Una matriz real $3\times3$ tiene autovalores $2,-1,4$, contados con multiplicidad. Calcula su traza, su determinante y decide si es invertible.

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Sea $A=\begin{pmatrix}0&1\\-6&5\end{pmatrix}$. Calcula sus autovalores y, para cada uno, un autovector cuya primera coordenada sea $1$.

Sea $A=\begin{pmatrix}0&1\\-6&5\end{pmatrix}$. Calcula sus autovalores y, para cada uno, un autovector cuya primera coordenada sea $1$.

Resolver

Autoespacios y multiplicidades

Como $E_\lambda$ es el conjunto solución de un sistema homogéneo, se calcula por Gauss, igual que cualquier núcleo.

Comparación entre una matriz con autoespacio de dimensión dos, todo el plano, y una matriz con autoespacio de dimensión uno, una sola recta. E = todo el plano m_g = 2 A = 2I solo una recta, m_g = 1 E_λ
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Halla los autoespacios de $A=\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}$ y compara la multiplicidad algebraica con la geométrica.

Halla los autoespacios de $A=\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}$ y compara la multiplicidad algebraica con la geométrica.

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Practica★★☆Sin empezar
Determina los autovalores y bases de los autoespacios de $A=\begin{pmatrix}2&1&0\\1&2&0\\0&0&3\end{pmatrix}$.

Determina los autovalores y bases de los autoespacios de $A=\begin{pmatrix}2&1&0\\1&2&0\\0&0&3\end{pmatrix}$.

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Practica★★★Sin empezar
Sea $A_a=\begin{pmatrix}1&a&0\\0&1&a\\0&0&1\end{pmatrix}$, con $a\in\mathbb R$. Calcula el autoespacio y su dimensión para todo $a$; explica por qué el polinomio…

Sea $A_a=\begin{pmatrix}1&a&0\\0&1&a\\0&0&1\end{pmatrix}$, con $a\in\mathbb R$. Calcula el autoespacio y su dimensión para todo $a$; explica por qué el polinomio característico no basta para conocer esa dimensión.

Resolver

Autovalores complejos

Un polinomio real puede no tener raíces reales. Por eso conviene trabajar sobre $\mathbb C$, donde $\chi_A$ (grado $n\ge1$) siempre factoriza en $n$ raíces contadas con multiplicidad.

Un giro de noventa grados que lleva el vector horizontal al vertical, por lo que ningún vector real conserva su dirección. v Av
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Para $A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$, decide si hay autovectores reales y calcula los autovalores complejos. Interpreta geométricamente el resultado real. El…

Para $A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$, decide si hay autovectores reales y calcula los autovalores complejos. Interpreta geométricamente el resultado real.

El giro transforma un vector de referencia como se muestra en la figura.

−3 −2 −1 1 2 3 4 x −2 −1 1 2 3 y 0 90° v = (2, 1) Av = (−1, 2)
Resolver
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Una matriz real $3\times3$ tiene polinomio característico $(t-2)(t^2+4)$. Indica sus autovalores sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$, su traza y determinante.

Una matriz real $3\times3$ tiene polinomio característico $(t-2)(t^2+4)$. Indica sus autovalores sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$, su traza y determinante.

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Practica★★★Sin empezar
Sea $A$ real y sea $v\in\mathbb C^n$ un autovector de autovalor no real $\lambda$. Demuestra que $\overline v$ es autovector de $\overline\lambda$ y deduce que una…

Sea $A$ real y sea $v\in\mathbb C^n$ un autovector de autovalor no real $\lambda$. Demuestra que $\overline v$ es autovector de $\overline\lambda$ y deduce que una matriz real de orden impar tiene algún autovalor real.

Resolver

Propiedades y razonamientos con autovalores

Esquema de tres autoespacios en rectas distintas cuyos autovectores forman un conjunto independiente. v₁ (λ₁) v₂ (λ₂) v₃ (λ₃) λ₁, λ₂, λ₃ distintos
Practica★★☆Sin empezar
Una matriz invertible $A$ tiene $Av=3v$ con $v\ne0$. Calcula $A^{-1}v$ y $(A^2-2A+I)v$. Justifica por qué no hace falta conocer todas las entradas de $A$.

Una matriz invertible $A$ tiene $Av=3v$ con $v\ne0$. Calcula $A^{-1}v$ y $(A^2-2A+I)v$. Justifica por qué no hace falta conocer todas las entradas de $A$.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Demuestra que los autovectores asociados a autovalores distintos son linealmente independientes. Desarrolla una prueba para cualquier número finito de autovalores.

Demuestra que los autovectores asociados a autovalores distintos son linealmente independientes. Desarrolla una prueba para cualquier número finito de autovalores.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Sea $u\in\mathbb R^n$ no nulo, $n\ge2$, y $A=uu^{\mathsf T}$. Obtén sus autovalores y autoespacios sin expandir un determinante.

Sea $u\in\mathbb R^n$ no nulo, $n\ge2$, y $A=uu^{\mathsf T}$. Obtén sus autovalores y autoespacios sin expandir un determinante.

Resolver

Casos con parámetros y reconstrucción

Cuando la matriz depende de un parámetro, las multiplicidades pueden cambiar con él: hay que estudiar por separado los valores en que los autovalores coinciden o el rango cae.

La gráfica es $\chi_{A_a}(t)=t^2-(a+2)t+2a$ de $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\0&2\end{pmatrix}$: sus cortes con el eje son $a$ y $2$, y coinciden cuando $a=2$.

Practica★★☆Sin empezar
Para $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\0&2\end{pmatrix}$, $a\in\mathbb R$, calcula todos sus autoespacios distinguiendo los valores necesarios del parámetro.

Para $A_a=\begin{pmatrix}a&1\\0&2\end{pmatrix}$, $a\in\mathbb R$, calcula todos sus autoespacios distinguiendo los valores necesarios del parámetro.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Para $A_a=\begin{pmatrix}0&-a\\1&2\end{pmatrix}$, $a\in\mathbb R$, clasifica los autovalores como reales distintos, real doble o no reales. En el caso doble, calcula la…

Para $A_a=\begin{pmatrix}0&-a\\1&2\end{pmatrix}$, $a\in\mathbb R$, clasifica los autovalores como reales distintos, real doble o no reales. En el caso doble, calcula la dimensión del autoespacio.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Supón que $A$ es real $3\times3$, $\operatorname{tr}A=6$, $\operatorname{tr}(A^2)=14$ y $\det A=6$. Reconstruye su polinomio característico y sus autovalores.

Supón que $A$ es real $3\times3$, $\operatorname{tr}A=6$, $\operatorname{tr}(A^2)=14$ y $\det A=6$. Reconstruye su polinomio característico y sus autovalores.

Resolver

Vuelve al principio: las direcciones privilegiadas de una transformación son las rectas de autovectores; se hallan como raíces de $\chi_A$ y núcleos de $\lambda I-A$, y pueden faltar en $\mathbb R$ o ser demasiado pocas aunque $\chi_A$ tenga raíces repetidas.

Resumen

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