Теория
Собственный вектор матрицы — это ненулевой вектор, который матрица не поворачивает, а только растягивает: \(A v = \lambda v\). Число \(\lambda\) называется собственным значением. Геометрически это выделенные направления: вектор остаётся на своей прямой, меняется лишь его длина, а при отрицательном λ — направление на противоположное.
Собственные значения находят из характеристического уравнения \(\det(A - \lambda E) = 0\): его левая часть — характеристический многочлен степени n, а его корни — спектр матрицы. Действительных корней может быть меньше n, недостающие всегда комплексные и идут сопряжёнными парами \(a + bi\) и \(a - bi\) — например, у поворота на 90° спектр \(\pm i\). Векторы для них тоже комплексные, поэтому калькулятор их не выводит.
Важно: сумма собственных значений равна следу матрицы, а произведение — её определителю. Посчитайте след и определитель по матрице и сравните с найденным спектром.
Кратность корня — сколько раз значение повторяется. Значению кратности k отвечает целое подпространство векторов: «одно значение — один вектор» неверно. Калькулятор показывает один из них — нормированный так, что первая ненулевая компонента равна единице.
Сам вектор для вещественного λ находится из системы \((A - \lambda E) v = 0\): она однородная, поэтому решений бесконечно много, но все они лежат на одной прямой — важно направление, а не длина.
Пример с решением
- Условие. Найти собственные значения и векторы матрицы A = [2 1; 1 2].
- Формула. Характеристическое уравнение: \(\det(A - \lambda E) = 0\).
- Подстановка. Вычтем \(\lambda E\): матрица [2 − λ, 1; 1, 2 − λ], её определитель равен \((2 - \lambda)^2 - 1\).
- Вычисление. Многочлен \(\lambda^2 - 4\lambda + 3\) даёт корни λ = 1 и λ = 3; системы (A − λE)v = 0 дают векторы (1; −1) и (1; 1).
- Ответ. λ₁ = 1, λ₂ = 3; векторы (1; −1) и (1; 1). Проверка: след 2 + 2 = 4 = 1 + 3, определитель 3 = 1 · 3. Сверьте: калькулятор покажет многочлен, значения и векторы с проверкой.
Главное
- Уравнение: собственные значения — корни \(\det(A - \lambda E) = 0\).
- Комплексные корни: пара \(a \pm bi\) — собственные векторы для них не выводятся.
- Кратные корни: значение кратности k задаёт подпространство векторов; показывается один.
- Проверка: сумма λ равна следу, произведение — определителю.