Математика EN

Тренажёры · Глава 38

Собственные значения и векторы

Собственные значения и векторы матриц 2 × 2 и 3 × 3 через характеристический многочлен, а на последнем уровне — стационарное распределение цепи Маркова.

Как решать

Собственный вектор — направление, которое преобразование не поворачивает, а только растягивает в $\lambda$ раз: $A\mathbf v = \lambda\mathbf v$. Такое возможно, только если матрица $A - \lambda I$ «схлопывает» ненулевой вектор, то есть её определитель равен нулю.

По шагам

  1. Составьте характеристический многочлен $\det(A - \lambda I)$: вычтите $\lambda$ из диагонали и посчитайте определитель. Для $2 \times 2$: $\lambda^2 - (\text{след})\lambda + \det A$.
  2. Найдите его корни — это собственные значения. У треугольной матрицы они стоят на диагонали.
  3. Собственный вектор для $\lambda$: решите систему $(A - \lambda I)\mathbf v = \mathbf 0$. Уравнения в ней пропорциональны — оставьте одно и подберите ненулевое решение.
  4. Цепь Маркова: стационарное распределение — собственный вектор для $\lambda = 1$, нормированный так, чтобы сумма координат была $1$.
Матрица преобразования. Собственное значение — неизвестное уравнения. Единичная матрица: $\lambda$ вычитается только из диагонали. Пример: $A = \begin{pmatrix} 0 & -5 \\ 4 & 9 \end{pmatrix}$: след $9$, определитель $20$, $\lambda^2 - 9\lambda + 20 = (\lambda - 4)(\lambda - 5)$, собственные значения $4$ и $5$.

Где ошибаются

  • Вычитают $\lambda$ из всех элементов матрицы, а не только из диагонали.
  • Ищут собственный вектор и получают $\mathbf v = \mathbf 0$ — он не годится: нужен ненулевой.
  • Ждут единственного собственного вектора. Любой ненулевой кратный тоже собственный.
  • В цепи Маркова забывают нормировку — сумма вероятностей должна быть равна $1$.

Пример

Главы курса