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固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problem基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_341204fe3e9d359535b5fd9406ff6ab4description固有値問題を、未知数が固有値と固有ベクトルの組である方程式として整理し、特性方程式・核・階数落ちから解法を証明する講義である。prerequisites固有値と固有ベクトル / 行列式 / 階数 / 連立一次方程式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/diagonalization-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/companion-matrix-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/eigenvalues-diagonalization-and-extensions.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelectureeigenvalue

Basics of the eigenvalue problem固有値問題こゆうちもんだい

1導入どうにゅう

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemは、固有値こゆうちeigenvalue λ と 0 でない固有こゆうベクトルeigenvector v同時どうじもとめる問題もんだいであるということである。

Av=λv,v0

ると、v だけでなく λ未知みちである。そのため、いきなり連立一次方程式れんりついちじほうていしきとしてくことはできない。まず、A-λI階数落かいすうおrank deficientする λさがし、そのあとで

(A-λI)v=0

かくkernelもとめる。この 2 段階だんかい固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problem基本構造きほんこうぞうである。

1Introduction

The eigenvalue problem固有値問題こゆうちもんだい asks for a scalar λ and a nonzero vector v such that

Av=λv.

Both λ and v are unknown. The method is therefore two-stage: first find the values of λ for which A-λI loses rank, then find the kernel of A-λI.

2用語ようご定義ていぎ

An×n 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixとする。標準固有値問題ひょうじゅんこゆうちもんだいstandard eigenvalue problemとは、

Av=λv,v0

たすスカラーscalar λ と 0 でないベクトルvector vもとめる問題もんだいである。

固有空間こゆうくうかんeigenspace

Eλ=ker(A-λI)

定義ていぎする。ただし、λ固有値こゆうちeigenvalueでない場合ばあいには Eλ={0} である。

特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial

χA(t)=det(tI-A)

定義ていぎする。det(A-λI)=0χA(λ)=0 は、符号ふごう(-1)n ばいだけちがおなこん条件じょうけんである。

2Terms and definitions

Let A be an n×n square matrix正方行列せいほうぎょうれつ. The standard eigenvalue problem標準固有値問題ひょうじゅんこゆうちもんだい is

Av=λv,v0.

The eigenspace固有空間こゆうくうかん for λ is

Eλ=ker(A-λI).

The characteristic polynomial特性多項式とくせいたこうしき is

χA(t)=det(tI-A).

3方針ほうしん

固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problem方針ほうしんつぎ順序じゅんじょである。

  1. Av=λv(A-λI)v=0移項いこうする。
  2. 0 でないかい存在そんざいする条件じょうけんとして、det(A-λI)=0立式りっしきする。
  3. 特性方程式特性方程式とくせいほうていしきいて固有値こゆうちeigenvalueもとめる。
  4. かく固有値こゆうちeigenvalue λ について、(A-λI)v=0き、固有空間こゆうくうかんeigenspaceもとめる。

この順序じゅんじょまもるのは、λまるまで (A-λI)v=0通常つうじょう連立一次方程式れんりついちじほうていしきにならないからである。

3Plan

The solving order is:

  1. Rewrite Av=λv as (A-λI)v=0.
  2. Require a nonzero solution, so det(A-λI)=0.
  3. Solve the characteristic equation.
  4. For each eigenvalue, solve (A-λI)v=0 to obtain the eigenspace.

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemは、「Aきをえない方向ほうこうさが問題もんだい」である。Av=λv は、Avvおな直線上ちょくせんじょうのこることを意味いみする。

しかし、おな方向ほうこうのこるかどうかは、λめないと確認かくにんできない。そこで、A-λIかんがえる。これは「A作用さようから λ ばい作用さようく」行列ぎょうれつmatrixである。もし 0 でない v

(A-λI)v=0

たすなら、AλI はその方向ほうこうおな作用さようをしている。つまり、その方向ほうこう固有こゆうベクトルeigenvectorである。

4Intuitive explanation

The eigenvalue problem looks for directions that A does not turn. The matrix A-λI compares the action of A with pure scaling by λ. A nonzero vector in the kernel of A-λI is a direction where these two actions agree.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 固有値こゆうちeigenvalue階数落かいすうおrank deficiency

v0 とする。固有こゆうベクトルeigenvector定義ていぎから

Av=λv(A-λI)v=0

である。したがって、λ固有値こゆうちeigenvalueであることは、同次方程式どうじほうていしきhomogeneous equation

(A-λI)x=0

非自明解ひじめいかいつことと同値どうちequivalentである。

A-λIn×n 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixであるため、つぎ同値どうちequivalentである。

(A-λI)x=0が非自明解を持つ
ker(A-λI){0}
rank(A-λI)<n
det(A-λI)=0

この連鎖れんさが、固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problem階数かいすうrank行列式ぎょうれつしきdeterminantあらわれる理由りゆうである。

5.22. 解法かいほう正当化せいとうか

特性方程式とくせいほうていしき

det(A-λI)=0

くと、非自明解ひじめいかい存在そんざいしうる λ だけがのこる。それ以外いがいλ では A-λI可逆かぎゃくinvertibleなので、(A-λI)x=0かいx=0 だけである。

したがって、固有値こゆうちeigenvalueさきもとめ、そのあとで固有空間こゆうくうかんeigenspaceもとめる手順てじゅんは、定義ていぎから必然的ひつぜんてきる。

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

一般化固有値問題いっぱんかこゆうちもんだいgeneralized eigenvalue problemでは、

Av=λBv,v0

あつかう。B可逆かぎゃくinvertibleなら、これは

B-1Av=λv

という標準固有値問題ひょうじゅんこゆうちもんだいもどる。一方いっぽうB可逆かぎゃくinvertibleでない場合ばあいは、B-1使つかえないため、

det(A-λB)=0

という行列束ぎょうれつそくmatrix pencil条件じょうけん直接ちょくせつあつかう。この講義こうぎ本流ほんりゅうB=I標準固有値問題ひょうじゅんこゆうちもんだいである。

5Precise explanation

5.11. Eigenvalues and rank deficiency

For v0,

Av=λv(A-λI)v=0.

Thus λ is an eigenvalue exactly when the homogeneous system (A-λI)x=0 has a nontrivial solution. Since A-λI is square,

ker(A-λI){0}rank(A-λI)<ndet(A-λI)=0.

This is why rank and determinants enter the eigenvalue problem.

5.22. Why the algorithm is valid

Solving det(A-λI)=0 keeps exactly the λ values for which a nonzero kernel can exist. For every other λ, A-λI is invertible and the kernel is zero.

5.33. Generalized eigenvalue problem

The generalized eigenvalue problem一般化固有値問題いっぱんかこゆうちもんだい is

Av=λBv,v0.

If B is invertible, this reduces to B-1Av=λv. If B is not invertible, one studies the matrix pencil det(A-λB)=0 directly.

6具体例ぐたいれい

A=(3102)

固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemく。特性方程式とくせいほうていしき

det(A-λI)=det(3-λ102-λ)=(3-λ)(2-λ)=0

である。したがって固有値こゆうちeigenvalueλ=3,2 である。

λ=3 では

A-3I=(010-1)

なので、y=0x自由じゆうである。よって

E3=span{(10)}

である。

λ=2 では

A-2I=(1100)

なので、x+y=0 である。よって

E2=span{(-11)}

である。

6Worked example

For

A=(3102),

the characteristic equation is

det(A-λI)=(3-λ)(2-λ)=0.

Thus λ=3,2. For λ=3, the eigenspace is

E3=span{(10)}.

For λ=2, the eigenspace is

E2=span{(-11)}.

7同伴行列どうはんぎょうれつcompanion matrixへの接続せつぞく

固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemは、多項式たこうしきpolynomialこん行列ぎょうれつ問題もんだい変換へんかんする入口いりぐちにもなる。同伴行列どうはんぎょうれつcompanion matrixは、あたえられたモニック多項式たこうしきpolynomial特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomialにもつようにつくった行列ぎょうれつmatrixである。

data/lecture/math/linear-algebra/companion-matrix-basics.lecture.n.md

7Connection to companion matrices

The eigenvalue problem also converts polynomial root problems into matrix problems. A companion matrix同伴行列どうはんぎょうれつ is built so that a given monic polynomial becomes its characteristic polynomial.

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8見分みわかた

  • Av=λvたら、まず det(A-λI)=0く。
  • 固有ベクトル固有こゆうベクトルは、固有値こゆうちeigenvalue代入だいにゅうしたあとで ker(A-λI) としてもとめる。
  • det(A-λI)=0 は「A-λI可逆かぎゃくinvertibleでない」という判定はんていであり、根拠こんきょ階数かいすうrankかくkernelである。
  • Av=λBvたら、B可逆かぎゃくinvertibleかどうかをさき確認かくにんする。

8How to recognize the method

For Av=λv, first solve det(A-λI)=0. Then find eigenvectors as the kernel of A-λI. For Av=λBv, first check whether B is invertible.

9どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎでは有限次元ゆうげんじげん正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixあつかう。実行列じつぎょうれつreal matrixでも固有値こゆうちeigenvalue複素数ふくそすうcomplex numberになる場合ばあいがある。したがって、すべての固有値こゆうちeigenvalueかぞえるには、必要ひつようおうじて複素数ふくそすうcomplex numberまで拡張かくちょうして考察こうさつする。

数値計算すうちけいさんでは、高次こうじ特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial直接ちょくせつ展開てんかいしてこんもとめる方法ほうほう不安定ふあんていになりやすい。実用上じつようじょうは QR ほうなどの数値的すうちてき方法ほうほう使つかうが、この講義こうぎでは定義ていぎ証明しょうめい優先ゆうせんする。

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

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Av=λv(v0)(A-λI)v=0(v0)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λが固有値det(A-λI)=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Eλ=ker(A-λI)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Av=λBvBが可逆ならB-1Av=λv

10Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Av=λv(v0)(A-λI)v=0(v0)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λisaneigenvaluedet(A-λI)=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Eλ=ker(A-λI)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Av=λBvreducestoB-1Av=λvifBisinvertible

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、最初さいしょ固有値こゆうちeigenvalue階数落かいすうおちをこす場所ばしょさがし、つぎにそのかくkernel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.

12Exercise links

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