Volver a la portadaÁlgebra I · Universidad · Cambiar asignaturaEmpezar gratis
Universidad · Álgebra I
Autovalores y diagonalización · Teoría espectral

Diagonalización real y compleja

Una transformación del plano puede parecer un revoltijo de giros y deformaciones, pero a veces existen direcciones donde solo estira o encoge. Si encuentras suficientes direcciones así, la transformación se vuelve tan simple como multiplicar cada coordenada por un número. ¿Cuándo existen suficientes direcciones? ¿Por qué una matriz como un giro no las tiene sobre $\mathbb R$ y sí sobre $\mathbb C$?

Qué significa diagonalizar

Esquema de cambio de base: A actúa en la base canónica, P^{-1} pasa a la base de autovectores, D actúa allí y P vuelve a la base canónica. x Ax P⁻¹x DP⁻¹x A D (solo escala) P⁻¹ P
Practica★☆☆Sin empezar
Diagonaliza sobre $\mathbb R$ la matriz $A=\begin{pmatrix}3&1\\0&2\end{pmatrix}$: proporciona $P,D$ y comprueba $AP=PD$.

Diagonaliza sobre $\mathbb R$ la matriz $A=\begin{pmatrix}3&1\\0&2\end{pmatrix}$: proporciona $P,D$ y comprueba $AP=PD$.

Resolver
Practica★☆☆Sin empezar
Diagonaliza $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$ sobre $\mathbb R$, usando como columnas de $P$ vectores de coordenadas enteras. La imagen del cuadrado unidad…

Diagonaliza $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$ sobre $\mathbb R$, usando como columnas de $P$ vectores de coordenadas enteras.

La imagen del cuadrado unidad permite visualizar la transformación antes de cambiar de base.

x y x y (0, 0) (1, 0) (1, 1) (0, 1) (0, 0) (2, 1) (3, 3) (1, 2) T
Resolver
Practica★★☆Sin empezar
Una transformación de $\mathbb R^2$ satisface $T(1,1)=2(1,1)$ y $T(1,-1)=-(1,-1)$. Calcula su matriz en la base canónica usando una diagonalización. La figura representa…

Una transformación de $\mathbb R^2$ satisface $T(1,1)=2(1,1)$ y $T(1,-1)=-(1,-1)$. Calcula su matriz en la base canónica usando una diagonalización.

La figura representa los dos vectores de partida y sus imágenes, datos que definen la transformación.

−2 −1 1 2 x −2 −1 1 2 y 0 T(u) = (2, 2) u = (1, 1) v = (1, −1) T(v) = (−1, 1)
Resolver

Criterios de diagonalizabilidad

Dos esquemas: con autovalor doble y dos autovectores independientes el plano se llena de autovectores; con un solo autovector solo hay una recta de autovectores. m_g = m_a = 2: base de autovectores m_g = 1 < m_a = 2: falta un autovector
Practica★☆☆Sin empezar
Decide si $A=\begin{pmatrix}4&1\\0&4\end{pmatrix}$ es diagonalizable sobre $\mathbb R$. Fundamenta la respuesta con la dimensión de un autoespacio.

Decide si $A=\begin{pmatrix}4&1\\0&4\end{pmatrix}$ es diagonalizable sobre $\mathbb R$. Fundamenta la respuesta con la dimensión de un autoespacio.

Resolver
Practica★☆☆Sin empezar
Una matriz real $3\times3$ tiene autovalores distintos $-2,0,5$. ¿Puede afirmarse que es diagonalizable sin conocer sus entradas? Justifica.

Una matriz real $3\times3$ tiene autovalores distintos $-2,0,5$. ¿Puede afirmarse que es diagonalizable sin conocer sus entradas? Justifica.

Resolver
Practica★★☆Sin empezar
Sea $A$ real $4\times4$ con polinomio característico $(t-1)^2(t+2)^2$. Se sabe que $\operatorname{rango}(A-I)=2$ y $\operatorname{rango}(A+2I)=2$. ¿Es diagonalizable?…

Sea $A$ real $4\times4$ con polinomio característico $(t-1)^2(t+2)^2$. Se sabe que $\operatorname{rango}(A-I)=2$ y $\operatorname{rango}(A+2I)=2$. ¿Es diagonalizable? Razona sin hallar sus entradas.

Resolver

Autovalores repetidos y casos con parámetro

Cuando un autovalor se repite, hay que calcular $\dim E_\lambda$. Si la matriz depende de un parámetro, la diagonalizabilidad suele cambiar solo para valores concretos de él, que son los que hay que detectar.

La siguiente gráfica muestra por qué el caso límite es crítico: al juntarse los dos autovalores $\pm a$ en $a=0$, los dos autovectores colapsan en uno solo.

Practica★☆☆Sin empezar
Sea $A=5I_3$. Describe todas las matrices invertibles $P$ que pueden intervenir en una diagonalización $A=PDP^{-1}$ y determina $D$.

Sea $A=5I_3$. Describe todas las matrices invertibles $P$ que pueden intervenir en una diagonalización $A=PDP^{-1}$ y determina $D$.

Resolver
Practica★★☆Sin empezar
Diagonaliza $A=\begin{pmatrix}2&0&1\\0&3&0\\0&0&3\end{pmatrix}$ sobre $\mathbb R$. Explica por qué un autovalor repetido no impide diagonalizar.

Diagonaliza $A=\begin{pmatrix}2&0&1\\0&3&0\\0&0&3\end{pmatrix}$ sobre $\mathbb R$. Explica por qué un autovalor repetido no impide diagonalizar.

Resolver
Practica★★☆Sin empezar
Estudia la diagonalizabilidad real de $A_a=\begin{pmatrix}1&a&0\\0&1&0\\0&0&2\end{pmatrix}$ según $a\in\mathbb R$. Cuando sea posible, da una diagonalización.

Estudia la diagonalizabilidad real de $A_a=\begin{pmatrix}1&a&0\\0&1&0\\0&0&2\end{pmatrix}$ según $a\in\mathbb R$. Cuando sea posible, da una diagonalización.

Resolver

Sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$

Un giro de $90^\circ$ no deja ninguna recta invariante en $\mathbb R^2$, así que no tiene autovectores reales. Sobre $\mathbb C$, en cambio, su polinomio característico sí se descompone.

Un giro de noventa grados en el plano real: cada vector se transforma en otro perpendicular, por lo que ninguna dirección se conserva. v Av t² + 1 = 0 sin raíces reales raíces complejas: ±i
Practica★☆☆Sin empezar
Decide si $A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$ es diagonalizable sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$. En el segundo cuerpo da $P,D$.

Decide si $A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$ es diagonalizable sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$. En el segundo cuerpo da $P,D$.

Resolver
Practica★★☆Sin empezar
En $\mathbb C^2$, diagonaliza $A=\begin{pmatrix}2&-2\\2&2\end{pmatrix}$ y explica por qué la misma diagonalización no existe sobre $\mathbb R$.

En $\mathbb C^2$, diagonaliza $A=\begin{pmatrix}2&-2\\2&2\end{pmatrix}$ y explica por qué la misma diagonalización no existe sobre $\mathbb R$.

Resolver

Consecuencias y demostraciones

Una vez diagonalizada $A=PDP^{-1}$, muchas operaciones con $A$ se reducen a operar con números: $A^k=PD^kP^{-1}$, y para un polinomio $q$ se cumple $q(A)=P\,q(D)\,P^{-1}$. Por eso, cualquier polinomio en $A$ se diagonaliza con la misma $P$.

Esquema: A y cualquier polinomio q(A) se diagonalizan con la misma matriz P, y los autovalores de q(A) son q evaluado en los de A. A = P D P⁻¹ q(A) = P q(D) P⁻¹ D = diag(λ₁, …, λₙ) q(D) = diag(q(λᵢ))
Practica★★☆Sin empezar
Para $A=\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}$ calcula una matriz invertible $P$ que haga diagonal $P^{-1}(A^2-3A)P$, reutilizando autovectores de $A$.

Para $A=\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}$ calcula una matriz invertible $P$ que haga diagonal $P^{-1}(A^2-3A)P$, reutilizando autovectores de $A$.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Demuestra que toda matriz real $A$ con $A^2=A$ es diagonalizable. Construye una base apropiada a partir del núcleo y la imagen.

Demuestra que toda matriz real $A$ con $A^2=A$ es diagonalizable. Construye una base apropiada a partir del núcleo y la imagen.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Una matriz real $A$ satisface $(A-I)(A-2I)=0$. Demuestra directamente que es diagonalizable y expresa cualquier $x$ como suma de un vector de $E_1$ y otro de $E_2$.

Una matriz real $A$ satisface $(A-I)(A-2I)=0$. Demuestra directamente que es diagonalizable y expresa cualquier $x$ como suma de un vector de $E_1$ y otro de $E_2$.

Resolver

Vuelve al principio: hay suficientes direcciones de estiramiento exactamente cuando $m_g=m_a$ para todos los autovalores y estos están en el cuerpo elegido; el giro de $90^\circ$ las tiene solo en $\mathbb C$.

Resumen

Ver todos los ejercicios de este apartado