Álgebra lineal con métodos elementales. Resolución de ejercicios tipo
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Veamos los pasos a seguir para la matriz: $$ A=\left( \begin{array}{ccc} 5 & 1 & -3 \\ 1 & 5 & -3 \\ 2 & 2 & -2 \end{array}\right) $$
$\lambda_1 = 0$ | $\alpha_1=1$ |
$\lambda_2 = 4$ | $\alpha_2=2$ |
Si no tuviesemos el polinonio característico ya factorizado del paso anterior, hubiesemos obtenido
$p(\lambda)=\lambda ^3 - 8 \lambda ^2 + 16 \lambda$
y
tendríamos que factorizarlo usando el método de Ruffini.
Si en este paso obtenemos alguna raíz no real, podríamos concluir que la matriz no es diagonalizable en el cuerpo $\mathbb{R}$ de los números reales, aunque podríamos seguir para ver si es diagonalizable en el de los complejos.
$\lambda_1 = 0$ | $\alpha_1=1$ | $d_1=1$ |
$\lambda_2 = 4$ | $\alpha_2=2$ | $d_2=2$ |
la forma diagonal de $A$ es la matriz diagonal que tiene en su diagonal a los autovalores de $A$ repetidos de acuerdo a su multiplicidad.
En nuestro caso la matriz es diagonalizable y su forma diagonal es:
$$
\left(
\begin{array}{ccc}
0 & 0 & 0 \\
0 & 4 & 0 \\
0 & 0 & 4
\end{array}\right)
$$
la forma diagonal es única salvo por el orden en que se situen los autovalores.
[Método 2] (Recomendado)
Pero, puesto que lo que buscamos es una base de ese núcleo, es más cómodo obtenerla directamente calculando la forma de Hermite por columnas de $(\frac{A}{I})$ y tomando los vectores bajo las columnas de ceros:
$$
\left(
\begin{array}{rrr}
5 & 1 & -3 \\
1 & 5 & -3 \\
2 & 2 & -2 \\
1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 1
\end{array}\right)
\sim_c
\left(
\begin{array}{ccc}
1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0\\
\frac{1}{3} & \frac{1}{3} & 0\\
0 & 0 & 1 \\
-\frac{1}{4} & \frac{1}{4} & 1 \\
-\frac{5}{12} & -\frac{1}{12} & 2 \\
\end{array}\right)
$$
y obtenemos la base $\{ (1,1,2)\}$.
Para el segundo autovalor procedemos igual: $$ V_{\lambda_2}=Ker(A-\lambda_2 · I) = Ker(A - 4 · I)= Ker\left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & -3 \\ 1 & 1 & -3 \\ 2 & 2 & -6 \end{array}\right) $$ $$ \left( \begin{array}{rrr} 1 & 1 & -3 \\ 1 & 1 & -3 \\ 2 & 2 & -6 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right) \sim_c \left( \begin{array}{rrr} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1\\ -\frac{1}{3} & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array}\right) $$ Y un base es $\{(1,0,\frac{1}{3}), (0,1,\frac{1}{3})\}$.
Los vectores propios han de colocarse en $P$ en mismo orden en que se hayan situado en $D$ los autovalores correspondientes.
La matriz de paso no es única puesto que pueden tomarse distintas bases de los subespacios propios, todas ellas válidas.
Calculamos la inversa de $P$: $$ (P|I)=\left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0\\ 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ 2 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} & 0 & 0 & 1 \end{array}\right) \sim_f \left( \begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 & -\frac{1}{4} & -\frac{1}{4} & \frac{3}{4}\\ 0 & 1 & 0 & \frac{5}{4} & \frac{1}{4} & -\frac{3}{4} \\ 0 & 0 & 1 & \frac{1}{4} & \frac{5}{4} & -\frac{3}{4} \end{array}\right) $$ luego, en efecto, $P$ es regular y su inversa es: $$ P^{-1}= \left( \begin{array}{ccc} -\frac{1}{4} & -\frac{1}{4} & \frac{3}{4}\\ \frac{5}{4} & \frac{1}{4} & -\frac{3}{4} \\ \frac{1}{4} & \frac{5}{4} & -\frac{3}{4} \end{array}\right) $$ Ahora comprobamos: $$ P^{-1}·A·P= \left( \begin{array}{ccc} -\frac{1}{4} & -\frac{1}{4} & \frac{3}{4}\\ \frac{5}{4} & \frac{1}{4} & -\frac{3}{4} \\ \frac{1}{4} & \frac{5}{4} & -\frac{3}{4} \end{array}\right) · \left( \begin{array}{ccc} 5 & 1 & -3 \\ 1 & 5 & -3 \\ 2 & 2 & -2 \end{array}\right) · \left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 2 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array}\right) = $$ $$ = \left( \begin{array}{ccc} 0 & 0 & 0 \\ 5 & 1 & -3 \\ 1 & 5 & -3 \end{array}\right) · \left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 2 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array}\right) = \left( \begin{array}{ccc} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{array}\right) =D $$ [Método alternativo]
Es suficiente comprobar que $P$ es regular y que $PD=AP$. Esto es más cómodo ya que nos evitamos el cálculo de la inversa de $P$. $$ P= \left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 2 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array}\right) \sim_c \left( \begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right) $$ luego $P$ es regular, y: $$ PD= \left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 2 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array}\right) · \left( \begin{array}{ccc} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{array}\right) = \left( \begin{array}{ccc} 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \\ 0 & \frac{4}{3} & \frac{4}{3} \end{array}\right) $$ $$ A·P= \left( \begin{array}{ccc} 5 & 1 & -3 \\ 1 & 5 & -3 \\ 2 & 2 & -2 \end{array}\right) · \left( \begin{array}{ccc} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 2 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{array}\right) = \left( \begin{array}{ccc} 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \\ 0 & \frac{4}{3} & \frac{4}{3} \end{array}\right) $$