Autovalori e autovettori

UniversitàMatematicaGli autovalori sono le radici di λ² - (tr A)λ + det A = 0; gli autovettori soddisfano (A - λI)v = 0

Informazioni su questo esperimento

Una matrice sposta quasi tutti i vettori in una nuova direzione. Alcune direzioni particolari vengono solo allungate, accorciate o invertite: sono gli autovettori, e i fattori di allungamento sono gli autovalori. Ruota un vettore v e osserva la sua immagine Av; quando i due puntano nella stessa direzione, hai trovato un autovettore. Confronta matrici simmetriche, tagli, rotazioni e proiezioni, e usa il metodo delle potenze per vedere come le moltiplicazioni ripetute trovano da sole l’autovettore dominante.

Obiettivi di apprendimento

  • Enuncia l’equazione agli autovalori Av = λv e interpretala geometricamente
  • Trova gli autovalori di una matrice 2×2 a partire dal suo polinomio caratteristico
  • Collega la traccia e il determinante alla somma e al prodotto degli autovalori
  • Riconosci le matrici con autovalori complessi, ripetuti o difettivi
  • Spiega perché il metodo delle potenze converge all’autovettore associato al |λ| più grande

Come si usa

  1. 1Nell’esempio simmetrico, trascina v finché Av punta nella stessa direzione. Leggi λ. Trova la seconda direzione propria. Qual è l’angolo che le separa?
  2. 2Premi «Scansione di v» e fai ruotare v. Osserva la striscia sottostante. Quanti attraversamenti dello zero ci sono in 180° e dove si trovano?
  3. 3Seleziona «Rotazione». Perché nessuna direzione può rimanere fissa? Leggi gli autovalori complessi.
  4. 4Seleziona «Taglio». Quante direzioni proprie ci sono? Guarda il discriminante.
  5. 5Seleziona «Non simmetrica». Gli autovettori sono ancora perpendicolari?
  6. 6Punta v in una direzione qualsiasi e premi più volte «Passo dell’iterazione delle potenze». A quale autovettore si avvicina v e con quale rapidità?

Il modello

Definizione di un autovettore v con autovalore λ
Polinomio caratteristico di una matrice 2×2
Traccia e determinante ricavati dagli autovalori
Δ > 0: due autovalori reali; Δ = 0: autovalore multiplo; Δ < 0: coppia complessa
Iterazione delle potenze e velocità di convergenza

Ipotesi

  • Tutte le voci sono reali. Gli autovettori sono mostrati come vettori unitari; anche qualsiasi multiplo non nullo è un autovettore.
  • Due autovalori la cui differenza, nel discriminante, è inferiore a 10⁻⁹ vengono considerati coincidenti. Un autovalore multiplo ha una sola direzione propria (è difettivo), a meno che A non sia un multiplo della matrice identità.
  • Il vettore di prova v ha sempre lunghezza 1, quindi la lunghezza di Av mostra quanto A allunga quella direzione.

Provalo in classe

  1. Q1Trova gli autovalori e gli autovettori di A = [[4, 1], [2, 3]].
  2. Q2Dimostra che una rotazione di qualsiasi angolo diverso da 0° o 180° non ha autovettori reali.
  3. Q3Una matrice ha traccia 5 e determinante 6. Quali sono i suoi autovalori?
  4. Q4Perché gli autovettori di una matrice simmetrica sono sempre perpendicolari?
  5. Q5Il metodo delle potenze converge lentamente quando λ₂ / λ₁ è vicino a 1. Verificalo con la matrice [[2, 0], [0, 1.9]].

Domande frequenti

Che cosa significa un autovalore negativo?

L’autovettore viene invertito per puntare nella direzione opposta, quindi viene scalato di |λ|. L’esempio della riflessione ha autovalori 1 e -1: i vettori sulla linea dello specchio restano fermi, mentre quelli perpendicolari ad essa vengono invertiti.

A cosa servono gli autovettori?

Ovunque un sistema si ripeta o oscilli: i modi normali di molecole e ponti, la stabilità degli equilibri nelle equazioni differenziali, l’analisi delle componenti principali in statistica, gli stati quantistici e l’algoritmo PageRank originale, che consiste nell’iterazione delle potenze sulla matrice dei collegamenti web.

Che cosa mostra la striscia sotto il piano?

Per ogni direzione di v, rappresenta il prodotto vettoriale v × Av, che è zero esattamente quando Av è parallelo a v. Ogni attraversamento dello zero corrisponde a una direzione propria. Se la curva non attraversa mai lo zero, non ci sono autovettori reali.