Власні вектори та власні числа матриці
Розділ: Прикладна математика
📌 Про що ця тема
Тут перевіряють уміння знаходити власні числа (власні значення) та власні вектори квадратної матриці. Це базове поняття лінійної алгебри, яке використовують у стисненні даних, графіці, пошукових алгоритмах (наприклад, PageRank) і машинному навчанні. Ключове поняття: рівність A·v = λ·v.
📖 Головне
• Власний вектор v — це ненульовий вектор, який під дією матриці A лише розтягується/стискається, не змінюючи напрямку: A·v = λ·v.
• Власне число λ (лямбда) — коефіцієнт цього розтягу. Може бути додатним, відʼємним, нулем або комплексним.
• Шукають власні числа лише для квадратної матриці (n×n).
• Основне рівняння: (A − λ·E)·v = 0, де E — одинична матриця. Щоб був ненульовий розвʼязок, визначник має дорівнювати нулю.
• Характеристичне рівняння: det(A − λ·E) = 0. Його корені — це власні числа.
• Для матриці n×n характеристичне рівняння — многочлен степеня n, тому власних чисел (з урахуванням кратності) рівно n.
• Коли знайшли λ, підставляємо його у (A − λ·E)·v = 0 і розвʼязуємо систему — отримуємо власні вектори для цього λ.
• Власний вектор визначено з точністю до множника: якщо v — власний, то і 2v, −v теж власні.
• Сума власних чисел = слід матриці (сума елементів на головній діагоналі). Добуток власних чисел = визначник матриці. Це швидка перевірка.
🔢 Як це працює на прикладі
Візьмемо матрицю A = [[2, 1], [1, 2]].
Крок 1. A − λ·E = [[2−λ, 1], [1, 2−λ]].
Крок 2. Визначник: (2−λ)(2−λ) − 1·1 = λ² − 4λ + 3 = 0.
Крок 3. Корені: λ = (4 ± √(16−12))/2 = (4 ± 2)/2 → λ₁ = 3, λ₂ = 1.
Перевірка: сума 3+1 = 4 = слід (2+2) ✓; добуток 3·1 = 3 = det (4−1) ✓.
Крок 4. Для λ₁ = 3: (A − 3E)·v = 0 → [[−1, 1], [1, −1]]·v = 0 → −x + y = 0 → y = x. Власний вектор v₁ = (1, 1).
Крок 5. Для λ₂ = 1: [[1, 1], [1, 1]]·v = 0 → x + y = 0 → y = −x. Власний вектор v₂ = (1, −1).
⚠️ Типові помилки
• Плутають: власне число — це скаляр λ, власний вектор — це вектор v. Це різні обʼєкти.
• Забувають віднімати λ лише від діагоналі (A − λ·E), а не від усіх елементів.
• Вважають нульовий вектор власним — за означенням v ≠ 0 (хоча λ може бути 0).
• Неправильно розкривають визначник 2×2: головна діагональ мінус побічна.
• Шукають власні числа для неквадратної матриці — так не можна.
🎯 Що завчити напамʼять
• A·v = λ·v — означення.
• det(A − λ·E) = 0 — характеристичне рівняння.
• Визначник 2×2: ad − bc.
• Сума власних чисел = слід; добуток = визначник (для перевірки).
• Власний вектор ≠ 0, визначений з точністю до множника.
🧠 Перевір себе
1. Що таке власне число матриці?
2. Яке рівняння дає всі власні числа?
3. Чому дорівнює сума власних чисел матриці?
4. Для матриці [[3,0],[0,5]] назви власні числа.
Відповіді: 1 — коефіцієнт λ, на який множиться власний вектор у рівності A·v = λ·v; 2 — характеристичне: det(A − λ·E) = 0; 3 — сліду матриці (сумі діагональних елементів); 4 — λ₁ = 3, λ₂ = 5 (у діагональної матриці власні числа стоять на діагоналі).