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Eigenvectors and 

eigenvalues

Lecture 11

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EIGENVALUES AND EIGENVECTORS

  

In the following we shall deal only with linear 
transformations T of space V  into space V , 

   

                                                 T : V  V.

Note

The  transformation  matrix  A

T

   is  a  square matrix. 

One can ask: 
Under a linear transformation T, is there a direction 
along which there is no rotation, just pure stretching? 

One wants a direction x for which:
                                           A

T

 x =  cx,            where c 

 R.

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In this shear transformation of the Mona Lisa, the picture was deformed 
in such a way that its central vertical axis (red vector) was not modified, 
but the diagonal vector (blue) has changed direction. Hence the red 
vector is an eigenvector of the transformation and the blue vector is 
not. Since the red vector was neither stretched nor compressed, its 
eigenvalue is 1. 
All vectors along the same vertical line are also eigenvectors, with the 
same eigenvalue. They form the eigenspace for this eigenvalue. 

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Definition
The vector x

  

is called the eigenvector and  

λ

  the 

corresponding eigenvalue of a linear transformation : V→ 
V  if the equation

x

)

x

(

T

is true.

Let us consider  V = R

n

. Then, 

1. The eigenvector of the linear transformation is 
    an eigenvector of the transformation matrix.

2. The eigenvalue of the linear transformation is 
     the eigenvalue of the transformation matrix.

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3

3

R

R

:

T

).

z

x

,

z

y

x

,

z

y

x

(

)

z

,

y

,

x

(

T

2

7

3

2

2

Example 1
Let us consider a linear transformation defined as follows: 

,

We seek eigenvalues and eigenvectors of this transformation.

We guess  that  (but that is no way to find eigenvalues!!!) 

 T((1, 1, 1)) = (5, 5, 5) = 5(1, 1, 1).

Thus we can conclude that  5 is the eigenvalue and  (1, 1, 1) is the eigenvector.

Example 2 
Let  T : V  V  be a homothety with coefficient  , that is 

 

.

x

x

T

    

V)

 

x

(

Then every vector  x V (x  0) is an eigenvector of this transformation and 

 is the eigenvalue.

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Example 3

 

Let T: R

2

  R

2

 be a rotation by angle  /2, i.e.

).

x

,

y

(

)

y

,

x

(

T

This transformation  does not have any direction along which there 
is  no  rotation,  just  pure  streching,  which  means  that  the 
transformation does not have any eigenvalues or eigenvectors.

FACT

Linear combinations of eigenvectors are also eigenvectors

.

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HOW DO WE FIND EIGENVALUES

AND EIGENVECTORS.

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Let us consider a linear transformation TR

n

  R

n

.

A – transformation  matrix of T

,

a

...

a

...

...

...

a

...

a

A

nn

n

n

1

1

11

 vector of unknowns  x = ( x

1

, ....., x

n

 )  in matrix form:

,

x

...

x

x

n

1

 vector of constants   y = (y

1

, ....., y

n

 )  is the image of  x  in matrix form: 

.

y

...

y

y

n

1

How to determine eigenvectors and eigenvalues.

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We have to solve a matrix equation: 

                  

Ax =   x ,

0

x

I

A

.

...

x

...

x

x

a

...

a

a

...

...

...

...

a

...

a

a

a

...

a

a

n

nn

n

n

n

n

0

0

0

2

1

2

1

2

22

21

1

12

11

 or 

A non-zero solution of  ( A - I ) x = 0, exists    if   the matrix  ( A 

I ) is  singular   i.e. if its determinant  Det [A - I ]  is 0. 

The dimension of the kernel   (A -  I) is the dimension of the corresponding space

of eigenvectors.- the geometric multiplicity

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0

2

1

2

22

21

1

12

11

nn

n

n

n

n

a

...

a

a

...

...

...

...

a

...

a

a

a

...

a

a

det

is called 

the characteristic equation of  A, 

and the polynomial  det (A - I) the characteristic polynomial. 

Equation:

Definition

The roots of the characteristic equation are the eigenvalues of matrix  A.

Definition

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.

A

T

5

3

3

5



.

0

8

2

10

9

10

25

9

5

5

3

3

5

2

2

2

Example 
Find the eigenvalues and eigenvectors of   T:R

2

 -> R

2

  

represented by the transformation matrix:

1.  From the characteristic equation: 

We obtain the eigenvalues:    

= 2,  

= 8.

SOLUTION

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.

x

I

A

0

0

0

2

5

3

3

2

5

y

x

.

y

x

0

0

3

3

3

3

,

y

x

y

x

0

3

3

0

3

3

 

1

1

1

,

                         Eigenvectors corresponding to eigenvectors.

For 

= 2:

 or  

So we have to  solve the system

one of solutions is  the  eigenvector:

 .

or the space   S

1

={(t,t): t  R } = Lin{(1,1)}   of eigenvectors corresponding to

eigenvalue 

1

= 2.

2. For each eigenvalue we solve  the following equation (find the kernel of           ) 

I

A 

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,

y

x

y

x

0

3

3

0

3

3

1

1

2

 ,

x

For 

1 

= 8:

gives for example an eigenvector:

 

or the space  S

= { (t, -t): t    R} = Lin{ (1,-1) } of 

eigenvectors corresponding to  eigenvalue 

2

 = 8.

Note that in this example the eigenvectors corressponding to
diferent eigenvalues are linearily independent

.

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Theorem
Let T: V  V be a linear transformation of an n–

dimensional space  V. If T has n distinct eigenvalues   

λ

1

, λ

2

, ..., λ

n

  

then the corresponding eigenvectors  

x

1

, x

2

, ..., x

n

   

are linearly independent and constitute 

a basis of V. 

,

n

0

0

1

where  

i 

 are the eigenvalues.

The transformation matrix of  T relative to the basis of eigenvectors has the form: 

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This means that if we write the eigenvectors as columns in the 
transition matrix   P (- from the unit basis to the eigenvector basis)

,

0

0

P

a

a

a

a

P

n

1

nn

1

n

n

1

11

1

nn

1

n

n

n

2

21

2

n

1

11

1

nn

1

n

n

1

11

x

...

x

x

,

,

x

...

x

x

,

x

...

x

x

x

x

x

x

P

So

matrix

diagonal

P

A

P

1

background image

 

 

Find the eigenvalues and eigenvectors of the transformation   represented by the 
matrix   A

f

   relative to the unit basis: 

.

A

f

2

0

5

2

2

2

2

0

2

2

0

5

2

1. The characteristic equation is :

we obtain one double eigenvalue

 

1

 = 

2

 = 2.

Example.

background image

 

 

2. To find the eigenvectors we solve equation  ( A - I ) x =0

 

Thus for  

1

 = 

2

 = 2:

0

0

2

2

0

5

2

2

y

x

.

y

x

0

0

0

0

5

0

0

0

0

5y

 

0

,

1

1

x

 .

So, one of the eigenvectors  is

,

dim Ker(A - I ) = 1

We didn't obtain two independent eigenvectors:
- we can't write the matrix  P,
we can't write the transformation matrix of  f  in diagonal form

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Theorem

The matrix A is equvalent to a diagonal 
one   if
 the eigenvectors of  A  constitute a 
basis for R

n

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Example

2

2

1

1

3

1

1

2

2

A

1. The characteristic equation is  (λ -5)(λ -1)

= 0, so 

the eigenvalues

 are 

                                                   λ

= 5,  λ

= λ

3

= 1.

2. The 

eigenvector 

associated with   λ

1

 = 5 is  

                                                          v

1

= (1,1,1) 

   There are 

two independent eigenvectors

 asociated with the multiple root λ

2

 = λ

3

= 1

                                              v

2

= (2,-1,0)  and v

3

=(1,0,-1)

IN THIS CASE THE EIGENVALUES CONSTITUTE A BASIS FOR R

n.

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Theorem
The eigenvalues of a 

real symmetric

 matrix are all 

real.

Theorem
If λ

i

 is an eigenvalue of multiplicity  r of a 

real 

symmetric

 matrix, 

then 
there are   r  linearly independent eigenvectors.
associated with  λ

,

 

 


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