固有値問題 の基本
Basics of the eigenvalue problem
1導入 どうにゅう
この
を
の
1Introduction
The
Both and are unknown. The method is therefore two-stage: first find the values of for which loses rank, then find the kernel of .
2用語 ようご と定義 ていぎ
を
を
で
で
2Terms and definitions
Let be an
The
The
3方針 ほうしん
- を へ
移項 いこう する。 - 0 でない
解 かい が存在 そんざい する条件 じょうけん として、 を立式 りっしき する。 特性方程式 を特性方程式 とくせいほうていしき 解 と いて固有値 こゆうち eigenvalue を求 もと める。各 かく 固有値 こゆうち eigenvalue について、 を解 と き、固有空間 こゆうくうかん eigenspace を求 もと める。
この
3Plan
The solving order is:
- Rewrite as .
- Require a nonzero solution, so .
- Solve the characteristic equation.
- For each eigenvalue, solve to obtain the eigenspace.
4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
しかし、
を
4Intuitive explanation
The eigenvalue problem looks for directions that does not turn. The matrix compares the action of with pure scaling by . A nonzero vector in the kernel of is a direction where these two actions agree.
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. 固有値 こゆうち eigenvalue と階数落 かいすうお ちrank deficiency
とする。
である。したがって、 が
が
は
この
5.22. 解法 かいほう の正当化 せいとうか
を
したがって、
5.33. 一般化固有値問題 いっぱんかこゆうちもんだい との区別 くべつ
を
という
という
5Precise explanation
5.11. Eigenvalues and rank deficiency
For ,
Thus is an eigenvalue exactly when the homogeneous system has a nontrivial solution. Since is square,
This is why rank and determinants enter the eigenvalue problem.
5.22. Why the algorithm is valid
Solving keeps exactly the values for which a nonzero kernel can exist. For every other , is invertible and the kernel is zero.
5.33. Generalized eigenvalue problem
The
If is invertible, this reduces to . If is not invertible, one studies the matrix pencil directly.
6具体例 ぐたいれい
の
である。したがって
では
なので、、 は
である。
では
なので、 である。よって
である。
6Worked example
For
the characteristic equation is
Thus . For , the eigenspace is
For , the eigenspace is
7同伴行列 どうはんぎょうれつ companion matrix への接続 せつぞく
7Connection to companion matrices
The eigenvalue problem also converts polynomial root problems into matrix problems. A
8見分 みわ け方 かた
- が
出 で たら、まず を解 と く。 固有ベクトル は、固有 こゆう ベクトル固有値 こゆうち eigenvalue を代入 だいにゅう したあとで として求 もと める。- は「 が
可逆 かぎゃく invertible でない」という判定 はんてい であり、根拠 こんきょ は階数 かいすう rank と核 かく kernel である。 - が
出 で たら、 が可逆 かぎゃく invertible かどうかを先 さき に確認 かくにん する。
8How to recognize the method
For , first solve . Then find eigenvectors as the kernel of . For , first check whether is invertible.
9どこまで成立 せいりつ するか
この
9Scope
This lecture treats finite-dimensional square matrices. Real matrices may have complex eigenvalues, so extending scalars to the complex numbers is often necessary. In numerical computation, directly expanding the characteristic polynomial is often unstable; practical algorithms such as the QR method are used, but this lecture focuses on definitions and proofs.
10最終形 さいしゅうけい
10Final forms
11一言 ひとこと でいうと
固有値問題 こゆうちもんだい eigenvalue problem は、最初 さいしょ に固有値 こゆうち eigenvalue で階数落 かいすうお ちを起 お こす場所 ばしょ を探 さが し、次 つぎ にその核 かく kernel を求 もと める問題 もんだい である。
12演習 えんしゅう リンク
data/exercise/math/linear-algebra/eigenvalues-diagonalization-and-extensions.exercise.n.md
11In one sentence
- The eigenvalue problem first finds where rank drops, then finds the kernel at that value.