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Lecture 12

LINEAR TRANSFORMATIONS II

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TRANSITION MARTIX 

Let us consider a linear space  V  of order  n  and two different bases of this space:   
B

1

 = {v

1

,...,v

n

 },   B

2

 = {u

1

,...,u

n

 }.

We write the basis vectors from  B

2

  as a linear combination of basis vectors  B

1

:

u

= p

11

v

1

+ p

21

v

2

+...+ p

n1

v

n

;

.....
.....
.....

u

= p

1n

v

1

+ p

2n

v

2

+...+ p

nn

v

n

.

REVISION

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Definition
The transition matrix  from basis  B

1

 to basis  B

2

  is matrix  P = [ p

ij 

in which the elements of the columns are the coordinates of vectors 
taken from the basis B

2

  relative to the basis B

1

 

nn

n

n

n

n

p

p

p

p

p

p

p

p

p

P

2

1

2

22

21

1

12

11

REVISION

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Transformation Matrix Relative to Different Bases

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DEPENDENCE OF TRANSITION MATRIX ON BASIS VECTORS 

Let  L: V V be a linear transformation of  V  of order  n  into oneself.  

Recall that the matrix  A of  transformation  L relative to basis  B

1

{v

1

,...,v

n

}

is the matrix composed of the coordinates of vectors  L(v

n

),..., L(v

n

relative to this basis set up in columns. 

The essential question 

is  how the matrix of a 

linear

 

transformation L

 changes if instead of 

considering the basis  B

1

 we consider another basis B

2

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Let  A’ denote the matrix of  transformation  L  relative to  B

2

.

Theorem
The matrix  of the linear transformation  L relative to  B

2

 is

 
                                     A’= P

-1

A P.

The Proof is a consequence  of  the   fact  that:
if  P  is a transition matrix from basis B

1

 to basis  B

2

,  then  P is invertible 

and the inverse matrix P

-1

  is the transition matrix from B

2

  to  B

1

and the  fact that the transformation is linear.

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1

0

0

1

1

0

0

1

1

P

1

e

=  1u

1

;

e

= -1u

+ 1u

2

;

e

= -1u

+ 1u

3

.

It is easily checked that  

P

= P

-1

.

Example

u

1

 = 1 e

1

u

2

 = 1 e

1

 + 1 e

2

u

3

 = 1 e

1

 + 1 e

2

 + 1 e

3

We consider the following two bases:
B

1

 = { e

1

, e

2

 , e

3

 }  unit basis;  old

B

2

 = { u

1

, u

2

, u

3

 }   u

1

=(1,0,0), u

2

=(1,1,0), u

3

=(1,1,1) 

new

.

1

0

0

1

1

0

1

1

1

P

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Let us consider the transformation  f: R

3

  

    R

3

,  f(x)= A

x  

with matrix  A

 relative to the unit basis of  R

3

:

.

1

0

1

0

1

0

1

0

2

A

f

The transformation matrix relative to

  B

2

 is:

2

1

1

3

2

1

4

3

2

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

2

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

0

1

0

1

0

2

1

0

0

1

1

0

0

1

1

AP

P

1

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In the last lecture we found that if a linear transformation  L has  
n distinct  eigenvalues then the eigenvectors constitute a basis 
of this space. . 

Let  A be the matrix of the transformation  L relative to  an arbitrary basis  
B

1

 of  V and 

A’  be the matrix of this transformation relative the basis  B

2

  composed of 

eigenvectors  {v

1

,...,v

n

}.

,

'

A

n

0

0

2

1

where 

i

 is an eigenvalue corressponding to eigenvector  v

i

.

Then the matrix of   L   relative to the eigevector basis is:

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Definition
A square matrix with real elements can be 

diagonalized (or it is similar to a diagonal matrix), 

if there exists an invertible matrix P such that the 
matrix  
P

-1

AP  is diagonal. 

Theorem
The following conditions are equivalent:

• 

matrix A is similar to a diagonal matrix;

 the eigenvectors of  A constitute a basis of 
 R

n

;

 A = P D P

-1

, where  D is a diagonal matrix 

which has eigenvalues on its diagonal, while 
the corresponding eigenvectors are the 
columns of  P.

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Example 

Let us consider

:

.

C

A

1

0

1

1

1

4

1

1

The characteristic equation:    det (A-I) = 0  is
                              (1-)

2

 – 4 = 0     and   (1- )

-  4 =( +1)( -3),

thus the eigenvalues  

1

 = 3  and  

2

 = -1   are distinct. 

The corresponding eigenvectors   are   x

1

 = (1,2)    and   x

2

= (1,-2)

Thus the matrix of the transformation f(x) = Ax relative to the 
eigenvector basis has the following form:

.

/

/

/

/

2

2

1

1

1

4

1

1

4

1

2

1

4

1

2

1

1

0

0

3

1.

1

0

0

3

A

It is the diagonal matrix   P

-1

A P

P

P

-1

A

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For matrix  C  the characteristic equation is: (1 - )

2

 = 0, thus the 

eigenvalue of  C ( with multiplicity 2)  is  =1. 

From the equation  Cx = x   we conclude that  x  can be written 
as  (a, 0) , thus  C has only one independent eigenvector, and  
from (i) we know that  C is  not similar to a  diagonal matrix.

2.

 

From the example  it can be  concluded that a matrix 

is not similar  to a diagonal matrix when an  r–
multiple eigenvalue does not have  r  corresponding 
independent eigenvectors.

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IN TURN, WHEN A MATRIX IS NOT SIMILAR TO A 
DIAGONAL MATRIX IT IS SIMILAR TO A  NEARLY DIAGONAL 
MATRIX,  THE JORDAN BLOCK MATRIX

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Jordan Blocks

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.

a

...

...

a

a

A

j

j

j

j

0

1

0

1

k

j

A

A

A

A

A

0

0

0

0

0

0

2

1

                    

JORDAN  BLOCK MATRIX

Definition
An upper triangular matrix A is a Jordan block matrix if:

,

The elements of the matrix are matrices

The values  a

1

, a

2

, ... ,a

k

   in the Jordan block matrix are its 

eigenvalues

The smallest possible Jordan submatrix is of order 1x1 consisting of one 
eigenvalue.

3

0

0

0

1

0

0

1

1

B

.

Example:

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Any matrix may be transformed to Jordan normal form 
using a similarity transformation. 

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Example

1.  The double eigenvalue 

λ = 8

 has only a single eigenvector, (1,0,0,0); as a result

λ = 8

 appears only in a single block  

J

1

2.  The triple eigenvalue 

λ = 0

 has two eigenvectors  v

1

, v

 which correspond to 

two Jordan blocks  

J

2

J

3

If A had 5 eigenvectors, all blocks would be 1 by 1 and  

J

  would be diagonal.

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Example

The characteristic polynomial

The Jordan Form

4

0

0

0

1

4

0

0

0

0

2

0

0

0

0

1

J

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The Jordan decomposition is, in general, 

a computationally challenging task. 

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Example 
Find the Jordan block form for: 

2

0

5

2

A

.

The eigenvalue : 

= 2 is of multiplicity 2.

0

0

5

0

I

A

a

1

= 1  is the rank of 

a

0

 - a

= 1.

2

0

1

2

B

.

The Jordan block matrix is

Thus we have to calculate

a

0

 = 2 - the rank of  A,

There is one block

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.

A

7

7

6

8

7

4

4

3

1

Find the Jordan block matrix for

The eigenvalues:

1

 = 

2

 = -1, 

3

 = 3.

3

0

0

0

1

0

0

1

1

B

a

0

 = 3   -  the rank of A .

.

I

A

8

7

6

8

6

4

4

3

2

a

= 2   -  the rank of 

 = 

The Jordan block matrix

Example


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