I Algebra liniowa z geometrią 1

Rozdział 11 Do czego zmierzamy?

SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU wektor własny wartość własna diagonalizacja baza wektorów własnych diagonalizacja ortogonalna macierz stochastyczna dominująca wartość własna wielomian charakterystyczny zespolona postać Jordana rzeczywista postać Jordana krotność geometryczna i algebraiczna twierdzenie Cayleya–Hamiltona diagonalizacja ortogonalna macierzy symetrycznej

Przedstawimy teraz motywację dla naszych dalszych rozważań. Jak już pewnie zauważyliście szczególnie łatwe do analizy są macierze diagonalne

D=diag(λ1,,λn),λ1,,λn.

Przykładowo,

Dk=diag(λ1k,,λnk),detD=λ1λn.

Jeśli D jest nieosobliwa, to D-1=diag(1/λ1,,1/λn).

Załóżmy, że macierz AMn×n() jest podobna do macierzy diagonalnej D, czyli istnieje taka macierz nieosobliwa

S=[v1vn]Mn×n(),

że

S-1AS=D.

Wtedy A=SDS-1, więc

Ak=SDkS-1,detA=detD,

czyli A jest równie prosta do analizy jak macierz diagonalna D.

PROBLEM 1 Scharakteryzować macierze AMn×n(), które są diagonalizowalne tzn. istnieje taka macierz nieosobliwa S=[v1vn]Mn×n(), że S-1AS=D=diag(λ1,,λn)=[λ1e1λnen].

Załóżmy, że S-1AS=D. Wtedy AS=SD, czyli

[Av1Avn] =AS=SD
=S[λ1e1λnen]
=[λ1Se1λnSen]
=[λ1v1λnvn].
Stąd
Av1=λ1v1,,Avn=λnvn.

Z powyższych rozważań wynika następujące:

Twierdzenie 11.1 (Diagonalizacja).

Dla macierzy AMn×n(R) poniższe warunki są równoważne

  • (i)

    istnieje taka macierz nieosobliwa SMn×n(), że S-1AS jest diagonalna,

  • (ii)

    istnieje baza v1,,vn dla n oraz takie skalary λ1,,λn, że

    Avi=λivi,i=1,,n.

Warto jakoś nazwać własność jaką spełniają wektory vi w punkcie (ii). Będą one pełniły podstawową rolę w naszych dalszych rozważaniach.

Definicja 11.1.

Wektor własny i wartość własna

Powiemy, że niezerowy wektor 0vn jest wektorem własnym macierzy rzeczywistej AMn×n(), jeśli istnieje taka liczba rzeczywista λ, że

Av=λv.

Liczbę λ nazywamy wartością własną macierzy AMn×n() dla wektora własnego vn.

Twierdzenie 11.1 możemy sformułować następująco:

Twierdzenie 11.2 (Diagonalizacja=baza wektorów własnych).

Dla macierzy AMn×n(R) poniższe warunki są równoważne

  • (i)

    istnieje taka macierz nieosobliwa SMn×n(), że S-1AS jest diagonalna,

  • (ii)

    istnieje baza v1,,vn dla n złożona z wektorów własnych A.

Podamy geometryczną interpretację wektora własnego.

Wniosek 11.1.

Dla niezerowego wektora vRn i macierzy AMn×n(R) poniższe warunki są równoważne

  • (1)

    v jest wektorem własnym A,

  • (2)

    prosta generowana przez v jest niezmiennicza dla A tzn.

    A(span{v})span{v}.
  • U

    Nie każda macierz rzeczywista ma jakiś wektor własny. Wystarczy znaleźć macierz rzeczywistą A, która nie ma prostych niezmienniczych. Przykładowo, macierz obrotu o kąt π2, czyli

    A=[0-110],

    nie ma żadnej prostej niezmienniczej.

    Możemy na to spojrzeć jeszcze trochę inaczej. Wektor 0v2 jest wektorem własnym A, gdy dla pewnej liczby rzeczywistej λ zachodzi warunek

    (A-λI)v=0,

    czyli ker(A-λI)0, więc det(A-λI)=0 dla pewnej liczby rzeczywistej λ. Zauważmy, że w naszym przykładzie

    det(A-λI)=λ2+10,

    dla λ.

    Macierz rzeczywistą A możemy traktować w naturalny sposób jako macierz zespoloną. Możemy, więc spytać o istnienie zespolonych wektorów własnych v2. Zauważmy, że det(A-λI)=0 dla λ=±i. Rozważmy macierz

    A-iI=[-i-11-i]

    i znajdźmy taki niezerowy wektor v=[a+ib,c+id]2, że (A-iI)v=0. Mamy

    (A-iI)v=[-ia+b-c-id,a+ib-ic+d]T=[0,0]T,

    czyli

    a+d=0,b-c=0.

    Wektor v ma więc postać

    v=[a+ib,b-ia]T=[a+ib,-i(a+ib)]T=(a+ib)[1,-i]T.

    Wynika stąd, że

    A[1,-i]T=i[1,-i]T,

    czyli [1,-i]T jest zespolonym wektorem własnym A z wartością własną i. Analogicznie sprawdzamy, że [1,i]T jest zespolonym wektorem własnym A dla wartości własnej -i. Macierz A jest diagonalizowalna jako macierz zespolona. Dla

    S=[11i-i]

    mamy

    S-1AS=[i00-i].
  • U

    Pojęcie wektora własnego możemy też zdefiniować w bardziej ogólnym kontekście. Niech L:VV będzie odwzorowaniem liniowym. Powiemy, że niezerowy wektor vV jest wektorem własnym L jeśli

    L(v)=λv.

    Przestrzeń V nie musi być skończenie wymiarowa. Przykładowo, niech C(,) będzie przestrzenią wszystkich funkcji f: mających ciągłą pochodną dowolnego rzędu. Wtedy odwzorowanie (operator różniczkowania)

    L:C(,)ffC(,)

    jest liniowe. Ponadto, dla f=eλxC(,) mamy

    L(f) =(eλx)
    =λeλx
    =λf,

    czyli f=eλx jest wektorem własnym L dla wartości własnej λ.

    Uzasadnimy teraz, że jeśli L(f)=λf, to f=Ceλx dla pewnego C. Rzeczywiście, równość f=λf oznacza, że f-λf=0, czyli również

    fe-λx-λe-λxf=(fe-λx)=0,

    czyli fe-λx jest funkcją stałą, więc fe-λx=C.

    Wynika stąd, że jądro ker(L-λI) ma wymiar 1 oraz

    ker(L-λI)=span{eλx}.
  • U

    Niech L:VV będzie odwzorowaniem liniowym i niech v1,,vnV będzie bazą V. Rozważmy macierz AMn×n(𝔽) odwzorowania L w tej bazie. Wektor v=x1v1++xnvn jest wektorem własnym L dla wartości własnej λ𝔽 wtedy i tylko wtedy, gdy wektor współrzędnych [x1,,xn]T𝔽n jest wektorem własnym macierzy A dla wartości własnej λ.

Możemy pójść jeszcze krok dalej. Wektory własne macierzy diagonalnej D to wektory bazy standardowej e1,,en. Ma ona własność

(ei|ej)=δij.

Takie bazy n będziemy nazywać ortonormalnymi. Wektory ei oraz ej są ortogonalne i mają normę 1.

PROBLEM 2 Scharakteryzować macierze AMn×n(), które są ortogonalnie diagonalizowalne tzn. istnieje taka macierz nieosobliwa S=[v1vn]Mn×n(), że S-1AS=D=diag(λ1,,λn)=[λ1e1λnen] oraz (vi|vj)=δij.

Zaczniemy od przyglądnięcia się takim macierzom

S=[v1vn]Mn×n(),

że (vi|vj)=δij. Bezpośrednio z definicji iloczynu macierzy i definicji macierzy transponowanej wynika, że wtedy

STS=I,czyliS-1=ST.

Takie macierze będziemy nazywać ortogonalnymi. W Problemie 2 pytamy więc o istnienie takiej macierzy ortogonalnej SMn×n(), że

S-1AS=STAS=D

jest diagonalna. Zauważmy, że wtedy A=SDST oraz

AT =(SDST)T
=(ST)TDTST
=SDST
=A,

czyli A musi być symetryczna. Jest to warunek konieczny, aby zaszła sytuacja opisana w Problemie 2. W następnych rozdziałach pokażemy, że macierze symetryczne to jedyne macierze rzeczywiste rozwiązujące Problem 2.

11.1 Rozkład Jordana w wymiarze 2

Spróbujmy nabrać intuicji w przypadku wymiaru 2. Zakładamy, że ciało F jest równe lub . Rozważmy macierz AM2×2(𝔽).

Definicja 11.2.

Wektor własny i wartość własna

Liczbę λ𝔽 nazywamy wartością własną macierzy AM2×2(𝔽), jeśli istnieje taki niezerowy wektor v𝔽2, że

Av=λv.

Każdy taki wektor v nazywamy wektorem własnym A odpowiadającym wartości własnej λ.

  • U

    Niech 𝔽=. Interpretacja geometryczna jest następująca. Jeśli v2 jest wektorem własnym dla wartości własnej λ, to prosta l=span{v} jest niezmiennicza dla A tzn. jeśli wl, to Awl.

Jeśli v𝔽2 jest wektorem własnym dla wartości własnej λ𝔽, to (A-λI)v=0. Oznacza to, że ker(A-λI){0}, czyli det(A-λI)=0. Odwrotnie, jeśli det(A-λI)=0 dla pewnego skalara λ𝔽, to macierz A-λI jest osobliwa. W szczególności, ker(A-λI){0}, czyli istnieje wektor własny vker(A-λI).

Wniosek 11.2.

Dla AM2×2(F) i λF następujące warunki są równoważne

  • (1)

    λ jest wartością własną A;

  • (2)

    ker(A-λI){0};

  • (3)

    A-λI jest osobliwa;

  • (4)

    det(A-λI)=0.

Warunek (4) oznacza, że wartość własna λ𝔽 jest pierwiastkiem wielomianu

pA(x)=det(A-xI)

Wielomian pA nazywamy wielomianem charakterystycznym macierzy A. Bezpośredni rachunek pokazuje, że

pA(x) =det[a11-xa12a21a22-x]
=x2-(a11+a22)x+(a11a22-a12a22)
=x2-tr(A)x+det(A).
  • U

    Macierze podobne mają takie same wielomiany charakterystyczne. Rzeczywiście, jeśli B=S-1AS, to

    det(B-xI) =det(S-1AS-xI)
    =det(S-1(A-xI)S)
    =det(A-xI).

    Jeśli macierze A i B mają takie same wielomiany charakterystyczne, to nie muszą być podobne. Przykładowo, A=0 oraz B=[0100] mają taki sam wielomian charakterystyczny p(x)=x2, ale nie są podobne, bo macierz zerowa jest podobna tylko do siebie samej.

Dla 𝔽= zasadnicze twierdzenie algebry gwarantuje, że wielomian pA ma dwa (niekoniecznie różne) pierwiastki zespolone λ1, λ2. Są one wtedy wartościami własnymi macierzy AM2×2(). Macierz zespolona ma więc zawsze dwie wartości własne. Nie oznacza to, że ma ona dwa liniowo niezależne wektory własne. Przykładowo, wartościami własnymi macierzy

A=[λ10λ],λ,

λ1=λ2=λ. Mamy więc dwukrotną wartość własną λ. Zobaczmy jak wyglądają wektory własne. Niezerowy wektor v=[v1,v2]T2 jest wektorem własnym dla λ jeśli (A-λI)v=0, czyli

[00]=[0100][v1v2]=[v20].

Stąd v2=0, czyli wektor własny v ma postać

[v10]=v1[10]=v1e1.

W przypadku 𝔽=, z algebraicznego punktu widzenia dla wielomianu charakterystycznego mamy trzy możliwości:

  • (i)

    pA ma dwa różne pierwiastki rzeczywiste;

  • (ii)

    pA ma dwukrotny pierwiastek rzeczywisty;

  • (iii)

    pA ma dwa sprzężone (nierzeczywiste) pierwiastki zespolone.

W przypadku (iii) macierz rzeczywista A nie ma rzeczywistych wartości własnych.

Wniosek 11.3.

Niech AM2×2(C). Jeśli λ1,λ2C są pierwiastkami równania charakterystycznego

x2-tr(A)x+det(A)=0,

to zachodzą wzory Viete’a

tr(A)=λ1+λ2,det(A)=λ1λ2.

Dowód.

Z założenia mamy

(x-λ1)(x-λ2)=pA(x)=x2-tr(A)x+det(A),

wystarczy więc porównać współczynniki wielomianów po obu stronach równości. ∎

  • U

    Dla dowolnych macierzy X,YM2×2() macierze XY i YX mają takie same wielomiany charakterystyczne. Wynika, to z faktu, że

    trXY=trYX,detXY=detYX.
Lemat 11.1.

Jeśli AM2×2(F) ma dwie różne rzeczywiste wartości własne λ1λ2 oraz viF2 są wektorami własnymi odpowiadającymi λiF, to v1, v2 są liniowo niezależne. W szczególności, v1,v2 tworzą bazę F2.

Dowód.

W przeciwnym razie v2=pv1 dla pewnego skalara p𝔽. Wtedy

λ2v2 =A(v2)
=A(pv1)
=pA(v1)
=pλ1v1
=λ1v2,

czyli λ1=λ2, co prowadzi do sprzeczności. Skorzystaliśmy tu z faktu, że v20. ∎

Twierdzenie 11.3.

Jeśli AM2×2(F) ma dwa liniowo niezależne wektory własne v1,v2F2 odpowiadające wartościom własnym λ1, λ2F (niekoniecznie różnym), to dla macierzy B=[v1v2] mamy

Λ:=B-1AB=[λ100λ2]

Dowód.

Z definicji B mamy, że B(ei)=vi dla i=1,2. Oczywiście B jest odwracalna oraz dla i=1,2 mamy

B-1ABei =B-1Avi
=B-1(λivi)
=λiei.

  • U

    Twierdzenie 11.3 orzeka, że jeśli 𝔽2 ma bazę złożoną z wektorów własnych, to AM2×2(𝔽) ma w tej bazie postać diagonalną Λ. Macierz Λ nazywamy postacią Jordana macierzy A.

Rysunek 11.1: Działanie macierzy A na wektorach własnych v1, v2 o wartościach własnych λ1=4, λ2=-3.
Przykład 11.1.

Znajdziemy postać Jordana macierzy

A=[323-2].

Szukamy najpierw wartości własnych czyli pierwiastków równania charakterystycznego

pA(x)=x2-x-12=0.

Są nimi liczby λ1=4 oraz λ2=-3. Aby znaleźć wektor własny dla λ1=4 znajdujemy jądro macierzy

A-4I=[-123-6].

Rozwiązując równanie (A-4I)x=0 otrzymujemy, że x=[2x2,x2]T. Jednym z wektorów własnych jest v1=[2,1]T. Analogicznie, v2=[-1,3]T jest wektorem własnym dla λ2. W bazie v1, v2 macierz A ma postać diagonalną

Λ=[400-3].
  • !

    Macierz zespolona AM2×2() może mieć rzeczywistą wartość własną, ale może nie mieć odpowiadającego jej rzeczywistego wektora własnego w 2. Dla przykładu rozważmy macierz

    A=[0-ii0].

    Wielomian charakterystyczny ma postać

    pA(x)=x2-1,

    więc A ma wartości własne λ1=1 oraz λ2=-1. Wektor własny [x,y]T2 dla λ1=1 jest niezerowym rozwiązaniem równania

    [-1-ii-1][xy]=[00],

    czyli

    -x-iy=0,ix-y=0.

    Stąd, y=ix oraz każdy wektor własny jest postaci

    c[1,i]T,c{0}.

    Nie może on być wektorem z 2.

Zajmiemy się teraz przypadkiem, gdy λ𝔽 jest dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego pA. Mogą zachodzić dwie możliwości:

  • dimker(A-λI)=2. Mówimy wtedy, że krotność geometryczna wartości własnej λ jest równa jej krotności algebraicznej. Wówczas A ma dwa liniowo niezależne wektory własne odpowiadające λ i jesteśmy w sytuacji opisanej Twierdzeniem 11.3. Wtedy postać Jordana Λ macierzy A jest diagonalna:

    Λ:=B-1AB=[λ00λ]=λI.

    Z powyższej równości wynika, że wtedy A=λI.

  • dimker(A-λI)=1. Istnieje wtedy tylko jeden liniowo niezależny wektor własny v𝔽2 dla λ𝔽.

Wniosek 11.4.

Jeśli λF jest dwukrotnym pierwiastkiem charakterystycznym macierzy AM2×2(F) i AλI, to dimker(A-λI)=1 i A ma tylko jeden liniowo niezależny wektor własny.

Lemat 11.2 (Twierdzenie Cayleya–Hamiltona).

Dla macierzy AM2×2(F) zachodzi równość

pA(A)=A2-tr(A)A+det(A)I=[0000].
Dowód.

Zastosujemy brutalną siłę, czyli bezpośredni rachunek. Niech A=[abcd]. Ponieważ pA(x)=(x-a)(x-d)-bc, więc

pA(A) =(A-aI)(A-dI)-bcI
=[0bcd-a][a-dbc0]-[bc00bc]
=[bc0c(a-d)+(d-a)cbc]-[bc00bc]
=[0000].

Przykład 11.2.

Niech AM2×2(). Twierdzenie Cayleya–Hamiltona pozwala łatwo wyznaczyć An dla n. Niech λ1, λ2 będą wartościami własnymi A. Wtedy

A2-(λ1+λ2)A+λ1λ2I=0,

czyli

(A-λ1I)(A-λ2I)=0.

Jeśli λ1λ2, to rozważamy macierze

X=A-λ2Iλ1-λ2,Y=A-λ1Iλ2-λ1.

Wtedy

X2=X,XY=YX=0,Y2=Y

Środkowa równość wynika bezpośrednio z Twierdzenia Cayleya–Hamiltona. Sprawdzimy równość X2=X. Mamy

X2 =(A-λ2I)2(λ1-λ2)2
=(A-λ2I)(A-λ1I+(λ1-λ2)I)(λ1-λ2)2
=(A-λ2I)(A-λ1I)(λ1-λ2)2+(A-λ2)(λ1-λ2)I(λ1-λ2)2
=A-λ2I(λ1-λ2)
=X.

Stąd dla k2 mamy

Xk=X,Yk=Y,λ1λ2.

Dla λ1=λ2 rozważamy

Z=A-λ1I.

Wtedy Zk=0 dla k2. Mamy więc

An={(λ1X+λ2Y)n=λ1nX+λ2nY,gdy λ1λ2(λ1I+Z)n=λ1nI+nλ1n-1Z,gdy λ1=λ2
Wniosek 11.5.

Jeśli AM2×2(C) jest nieosobliwa, to

A-1=1detA(trAI-A),trA-1=trAdetA.

Ponadto,

detA=12((trA)2-trA2).
Dowód.

Z twierdzenia Cayleya–Hamiltona mamy

A2-tr(A)A+det(A)I=[0000].

Mnożąc powyższą równość przez A-1 otrzymujemy, że

A-1=1detA(trAI-A).

Biorąc ślady obu stron w tej równości dostajemy, że trA-1=trAdetA. Wzór na detA otrzymujemy obliczając ślady macierzy po obu stronach w równości Cayleya–Hamiltona. ∎

Wniosek 11.6.

Niech AM2×2(C). Jeśli A{αI:αC} oraz A2-aA+bI= dla pewnych a,bC, to

a=trA,b=detA.
Dowód.

Z założenia i twierdzenia Cayleya–Hamiltona wynika, że

(a-trA)A=(b-detA)I.

Zauważmy, że a-trA=0, bo inaczej A=b-detAa-trAI, co jest sprzeczne z założeniem. Stąd również b-detA=0. ∎

  • U

    Macierz AM2×2() jest nilpotentna, jeśli An=0 dla pewnego n. Pokażemy, że wtedy 0 jest jedyną wartością własną A oraz A2=0. Zauważmy, że jeśli λ jest wartością własną dla wektora własnego v0, to 0=Anv=λnv, czyli λ=0. W szczególności, trA=0 i detA=0, czyli pA(x)=x2. Z twierdzenia Cayleya–Hamiltona wynika, że A2=0.

Lemat 11.3.

Jeśli λF jest dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego pA, to

(A-λI)2=[0000].
Dowód.

Ze wzorów Viete’a mamy tr(A)=2λ i det(A)=λ2. Z Lematu Cayleya–Hamiltona wynika, że

A2-2λA+λ2I=[0000].

Ponieważ macierze A i λI komutują ze sobą, więc

(A-λI)2=A2-2λA+λ2I.

Twierdzenie 11.4.

Jeśli λF jest dwukrotną wartością własną macierzy AM2×2(F) i AλI, to istnieje taka baza v,w dla F2, że

Av=λv,Aw=v+λw

W szczególności, dla macierzy S=[vw] mamy następującą postać Jordana dla A:

Λ=S-1AS=[λ10λ]

Dowód.

Niech 0vker(A-λI) będzie dowolnym wektorem własnym dla λ. Każdy wektor własny A jest postaci pv, gdzie v jest pewnym wektorem własnym A dla λ oraz 0p𝔽. Niech 0u𝔽2 będzie dowolnym wektorem liniowo niezależnym z v. W szczególności, u nie jest wektorem własnym odpowiadającym λ, więc (A-λI)u0. Ponieważ,

0=(A-λI)2u=(A-λI)(A-λI)u,

więc (A-λI)uker(A-λI) jest wektorem własnym odpowiadającym λ. Stąd

(A-λI)u=pv,

dla pewnego 0p. Dla wektora w=1pu otrzymujemy, że (A-λI)w=v, czyli Aw=v+λw. ∎

POSTAĆ JORDANA MACIERZY ZESPOLONEJ Macierz zespolona AM2×2() ma jedną z dwóch postaci Jordana [λ100λ2],[λ10λ].
Wniosek 11.7.
  • (i)

    Jeśli 0AM2×2() jest macierzą nilpotentną, to

    A=S[0100]S-1

    dla pewnej macierzy nieosobliwej S.

  • (ii)

    Jeśli AM2×2() jest taka, że A2=A, to A=0 lub A=I lub

    A=S[1000]S-1

    dla pewnej macierzy nieosobliwej S.

  • (iii)

    Jeśli AM2×2() jest taka, że A2=I, to A=±I lub

    A=S[100-1]S-1

    dla pewnej macierzy nieosobliwej S.

  • (iv)

    Jeśli AM2×2() jest taka, że A2=-I, to A=±iI lub

    A=S[0-110]S-1

    dla pewnej macierzy nieosobliwej S.

Wniosek 11.8.

Dla dowolnej macierzy AM2×2(C) mamy

  • (i)

    A jest podobna do AT.

  • (ii)

    A jest podobna do macierzy symetrycznej.

  • (iii)

    A jest iloczynem macierzy symetrycznych.

Dowód.

Punkt (i). Możemy założyć, że A jest w postaci Jordana. Jeśli jest ona diagonalna, to nie ma czego dowodzić. Załóżmy więc, że

A=[λ10λ].

Wtedy dla S=[0110] mamy S-1AS=AT.

Punkt (ii). Ponownie możemy założyć, że A=[λ10λ]. Szukamy takiej macierzy nieosobliwej S=[abcd]M2×2(), że S-1AS jest symetryczna. Dla Δ=detS0 mamy

S-1AS=[cd+λΔd2-c2-cd+λΔ].

Ponieważ szukamy macierzy symetrycznej, więc musi zachodzić warunek c2+d2=0. Wystarczy więc przyjąć takie a,b,c,d, że ad-bc0 i c2+d2=0. Zwróćmy uwagę, że S nie może być rzeczywista. Przykładowo, dla d=i=a, c=1 i b=0 mamy

S=[i01i],S-1AS=[λ-i11λ+i].

Punkt (iii). Zauważmy najpierw, że możemy założyć, że A jest w postaci Jordana Λ, bo jeśli Λ=BC jest iloczynem macierzy symetrycznych, to

A=SΛS-1=(SBST)((S-1)TCS-1)

jest również iloczynem macierzy symetrycznych. Dla Λ=[λ100λ2] wystarczy przyjąć

B=[λ1001],C=[100λ2].

Jeśli Λ=[λ10λ], to przyjmujemy

B=[1110],C=[0λλ1-λ].

  • U

    Rozważmy macierz A w postaci bloku Jordana

    A=[λ10λ].

    Dla macierzy

    S=[0110]

    mamy S-1=S oraz

    S-1AS =[0110][λ10λ][0110]
    =[λ01λ]
    =AT.

Naturalne jest pytanie o postać macierzy AM2×2(), gdy jej wielomian charakterystyczny pA ma dwie zespolone wartości własne λ1=α+iβ, λ2=α-iβ oraz β0. Macierz AM2×2() możemy traktować jako element przestrzeni M2×2(). Istnieje więc wektor własny v2 odpowiadający wartości własnej λ1=α+iβ. Wektor v2 wygodnie jest zapisać w postaci

v=[a1+ia2b1+ib2]=[a1b1]+i[a2b2]:=v1+iv2,v1,v22.

Wówczas

Av=Av1+iAv2.

Ponadto,

A(v1-iv2)=(α-iβ)(v1-iv2),

czyli wektor v1-iv2 jest wektorem własnym odpowiadającym wartości własnej λ2=α-iβ.

Pokażemy, że wektory v1,v22 są liniowo niezależne. Rzeczywiście, przypuśćmy, że v1=pv2 dla pewnej liczby rzeczywistej p. Wtedy

A(v1+iv2)=(α+iβ)(v1+iv2)=(α+iβ)(p+i)v2

oraz

A(v1+iv2)=A((p+i)v2)=(p+i)A(v2),

więc A(v2)=(α+iβ)v2, co prowadzi do sprzeczności z warunkiem β0.

Zauważmy, że

A(v1)+iA(v2)=A(v1+iv2)=(α+iβ)(v1+iv2),

więc

A(v1)=αv1-βv2,A(v2)=βv1+αv2.

Dla macierzy S=[v1v2] otrzymujemy równość

Λ:=S-1AS=[αβ-βα].

Dla S1=[v2v1] mamy

S1-1AS1=[α-ββα].
Wniosek 11.9 (Rzeczywista postać Jordana).

Jeśli λ1=α+iβ, λ2=α-iβ z β0 są pierwiastkami wielomianu charakterystycznego pA dla macierzy AM2×2(R), to istnieje taka nieosobliwa macierz SM2×2(R), że

Λ=S-1AS=[αβ-βα].

Ponadto, S=[v1v2] dla dowolnego takiego niezerowego wektora v1+iv2C, że

A(v1+iv2)=(α+iβ)(v1+iv2).
Przykład 11.3 (Ciąg Fibonacciego).

Ciąg Fibonacciego un jest zdefiniowany rekurencyjnie wzorem

un+1=un+un-1,u1=1,u0=0.

Dla macierzy

A=[1110]

mamy więc

[1110][unun-1]=[un+1un].

Wynika stąd, że

[un+1un]=An[u1u0]=Ane1.

Wielomian charakterystyczny A ma postać pA(x)=x2-x-1, więc wartościami własnymi A

λ+=5+12,λ-=1-52.

Wektory własne mają postać

v+=[(1+5)/2,1]T,v-=[(1-5)/2,1]T.

Ponieważ

e1=15(v+-v-),

więc

[un+1un]=15(λ+nv+-λ-nv-),

czyli otrzymujemy formułę Bineta

un=15(1+52)n-15(1-52)n.
Przykład 11.4.

Rozważmy macierz

A=[31-11].

Jej wielomian charakterystyczny ma postać

pA(x)=x2-4x+4=(x-2)2.

Stąd λ=2 jest dwukrotną wartością własną macierzy A. Ponieważ

A-2I=[11-1-1],

więc [x,y]Tker(A-2I) jeśli x+y=0, czyli

ker(A-2I)=span{[1,-1]T}.

Wektor v=[1,-1]T jest wektorem własnym i każdy inny wektor własny jest liniowo zależny z v.

Szukamy teraz takiego wektora w=[x,y]T2, że

(A-2I)w=v=[1,-1]T.

Musimy więc rozwiązać układ równań

x+y=1,-x-y=-1.

Rozwiązaniami są wektory postaci [x,1-x]T=x[1,-1]T+[0,1]T. Możemy więc przyjąć, że

w=[1,0]T=e1.

Dla macierzy

S=[11-10],

mamy

S-1AS=[0-111][31-11][11-10]=[2102].
Przykład 11.5.

Macierz

A=[0-410]

ma zespolone wartości własne λ1=2i oraz λ2=-2i. Znajdziemy wektor własny v1=[a+bi,c+di]T2 dla λ1=2i. Szukamy niezerowych rozwiązań równania

0=(A-2iI)v =[-2i-41-2i][a+bic+di]
=[-2ia+2b-4c-4dia+bi-2ic+2d]
=[-2ia+2(b-2c)-2i(a+2d)a+2d+i(b-2c)].

Stąd a+2d=0 oraz b-2c=0. Możemy więc przyjąć, że

v1=[2,-i]T=[2,0]T+i[0,-1]T.

Dla wartości własnej λ2=-2i wektorem własnym jest więc v2=[2,i]T. Dla macierzy

S=[22-ii]

mamy

S-1AS=14i[i-2i2][0-410][22-ii]=[2i00-2i]

Aby znaleźć rzeczywistą postać Jordana rozważamy macierz

P=[200-1]

której kolumnami są część rzeczywista i urojona wektora v1=[2,-i]T=[2,0]T+i[0,-1]T. Wtedy

P-1AP=[1/200-1][0-410][200-1]=[02-20].

11.2 Rozkład Jordana w wymiarze 3

Podamy dowód Twierdzenia Jordana dla macierzy zespolonej AM3×3(). Zastosujemy podejście, które uogólnia się na wyższe wymiary.

Twierdzenie 11.5 (Rozkład Jordana macierzy zespolonej).

Niech AM3×3(C). Istnieje taka macierz nieosobliwa SM3×3(C), że S-1AS jest jednej z poniższych postaci:

[λ1000λ2000λ3],[λ1000λ2100λ2],[λ1100λ1100λ1].

Ponadto, λiC są wartościami własnymi macierzy A.

Lemat 11.4.

Załóżmy, że wartości własne λ1,λ2,λ3C macierzy AM3×3(C) są różne. Wtedy odpowiadające im wektory własne v1,v2,v3 są liniowo niezależne oraz dla S=[v1v2v3] mamy

S-1AS=diag(λ1,λ2,λ3).
Dowód.

Zauważmy najpierw, że v1 i v2 są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że v2=xv1 dla pewnego x. Wtedy x0, bo v20. Mamy

λ2v2 =Av2
=A(xv1)
=xλ1v1
=λ1v2,

czyli λ1=λ2, sprzeczność.

Przypuśćmy, że v3span{v1,v2}. Wtedy v3=x1v1+x2v2 dla pewnych x1,x2. Przynajmniej jedna z liczb x1, x2 jest różna od zera, bo v30. Otrzymujemy, że

λ3v3 =Av3
=A(x1v1+x2v2)
=x1λ1v1+x2λ2v2,

czyli

λ3(x1v1+x2v2)=x1λ1v1+x2λ2v2.

W efekcie

x1(λ3-λ1)v1+x2(λ2-λ1)v2=0,

co jest sprzeczne z liniową niezależnością v1 i v2. ∎

Lemat 11.5.

Niech AM3×3(C). Istnieje taka macierz nieosobliwa SM3×3(C), że macierz S-1AS jest górnie trójkątna.

Dowód.

Niech λ będzie wartością własną A i niech v3 będzie odpowiadającym jej wektorem własnym. Uzupełniamy v do bazy v, u, w dla 3. Rozważmy macierz W=[vuw]. Macierz W-1AW ma postać blokową

W-1AW=[λ**0ab0cd].

Z rozkładu Jordana w wymiarze 2 istnieje taka macierz nieosobliwa VM2×2(), że

V-1[abcd]V=T

jest górnie trójkątna. Definiujemy macierz nieosobliwą

U=[100V]M3×3().

Wtedy

U-1W-1AWU =U-1[λ**0ab0cd]U
=[100V-1][λ**0ab0cd][100V]
=[λ*0T],

jest górnie trójkątna i teza zachodzi dla S=WU. ∎

Lemat 11.6.

Rozważmy macierz górnie trójkątną z 0 jako jedyną wartością własną

A=[0ab00c000].

Wtedy zachodzi jeden z warunków

  • (i)

    A=0,

  • (ii)

    dimkerA=2 i A jest podobna do macierzy

    [010000000],
  • (iii)

    dimkerA=1 oraz A jest podobna do macierzy

    [010001000].
Dowód.

Sprawdzamy, że

A2=[0ab00c000][0ab00c000]=[00ac000000],
A3=[0ab00c000][00ac000000]=0.

Mamy trzy możliwości

  • (i)

    A=0,

  • (ii)

    A0, A2=0,

  • (iii)

    A20, A3=0.

W przypadku (ii) a=0 lub c=0, bo A2=0 i macierz A jest jednej z postaci

A=[00b00c000]c0,A=[0ab000000]a0,A=[00b000000]b0.

We wszystkich przypadkach rankA=dimimA=1 oraz

imAkerA,dimkerA=2.

Inkluzja imAkerA wynika stąd, że A2=0. Niech v1imA będzie niezerowym wektorem. Istnieje więc taki (niezerowy) wektor v23, że Av2=v1. Wybieramy teraz wektor v3kerA liniowo niezależny z v1. Rozważmy macierz

S=[v1v2v3].

Ponieważ v2kerA, więc v1,v2,v3 są liniowo niezależne, czyli S jest nieosobliwa. Ponadto,

S-1AS=[010000000]

W przypadku (iii) mamy a0 i c0, więc

rankA=dimimA=2.

Ponadto,

imA2kerA,dimkerA=1,więcimA2=kerA.

Niech vkerA będzie wektorem własnym dla wartości własnej 0. Ponieważ

imA2=kerA,

więc istnieje taki wektor u3, że A2u=v. Wektory

v,Au,u

są liniowo niezależne. Rzeczywiście, przypuśćmy, że xv+yAu+zu=0 dla pewnych x,y,z. Wtedy

0=A2(xv+yAu+zu)=zv,

czyli z=0, bo v0. W konsekwencji,

0=A(xv+yAu)=yv,

czyli y=0. Z równości xv=0 również x=0. Dla

S=[vAuu]

mamy

S-1AS=[010001000]

Wniosek 11.10.

Załóżmy, że λC jest 3-krotną wartością własną macierzy AM3×3(C). Wtedy

  • (i)

    jeśli dimker(A-λI)=3, to A=λI,

  • (ii)

    jeśli dimker(A-λI)=2, to A jest podobna do macierzy

    [λ100λ000λ].
  • (iii)

    jeśli dimker(A-λI)=1, to A jest podobna do macierzy

    [λ100λ100λ].
Dowód.

Z Lematu 11.5 możemy założyć, że A jest górnie trójkątna. Stosujemy Lemat 11.6 do macierzy A-λI. ∎

Lemat 11.7.

Załóżmy, że AM3×3(C) jest macierzą górnie trójkątną postaci

A=[λab00c000],λ0.

Wtedy

  • (i)

    dimkerA<3,

  • (ii)

    jeśli dimkerA=2, to S-1AS=[λ00000000] dla pewnej macierzy nieosobliwej SM3×3(),

  • (iii)

    jeśli dimkerA=1, to S-1AS=[λ00001000] dla pewnej macierzy nieosobliwej SM3×3().

Dowód.

Zauważmy, że

dimimA={1,gdy c=0,2,gdy c0

czyli

dimkerA={2,gdy c=0,1,gdy c0

Załóżmy, że dimkerA=2. Niech v2,v3kerA będą bazą dla jądra. Jeśli v1 jest wektorem własnym dla λ, to v1,v2,v3 są liniowo niezależne. Przypuśćmy bowiem, że v1=x2v2+x3v3. Wtedy

λv1=Av1=x2Av2+x3Av3=0,

sprzeczność. Dla macierzy nieosobliwej S=[v1v2v3] mamy

S-1AS=[λ00000000].

Niech teraz dimkerA=1, czyli c0. Zauważmy, że teza zajdzie, gdy znajdziemy taką bazę v1,v2,v3, że

Av1=λv1,Av2=0,Av3=v2.

Z wyborem v1 i v2 nie mamy problemu: bierzemy wektory własne dla λ i 0. Musimy dobrać wektor v3, aby Av3=v2. W tym celu wystarczy zauważyć, że

kerAimA.

Rzeczywiście, A[x,y,z]T=[λx+ay+bz,cz,0]T, czyli [x,y,z]TkerA, gdy z=0 i x=aλy, czyli jądro jest generowane przez wektor [a/λ,1,0]T. Sprawdzamy łatwo, że jest on w obrazie A generowanym przez wektory [λ,0,0]T i [b,c,0]T.

Pozostaje sprawdzić, że v1,v2,v3 są liniowo niezależne. Wiemy, że v1 i v2 są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że v3=x1v1+x2v2. Wtedy

v2 =Av3
=x1Av1+x2Av2
=x1λv1,

co jest sprzeczne z liniową niezależnością v1 i v2. ∎

Wniosek 11.11.

Załóżmy, że λ,λ1C są różnymi wartościami własnymi macierzy AM3×3(C) oraz λ1 ma krotność 2. Wtedy

  • (i)

    dimker(A-λ1I)<3,

  • (ii)

    jeśli dimker(A-λ1I)=2, to A jest podobna do macierzy

    [λ000λ1000λ1].
  • (iii)

    jeśli dimker(A-λ1I)=1, to A jest podobna do macierzy

    [λ000λ1100λ1].
Dowód.

Z Lematu 11.5 możemy założyć, że A jest górnie trójkątna. Stosujemy rozumowanie jak w dowodzie Lematu 11.7. ∎

Zajmiemy się teraz macierzami rzeczywistymi AM3×3(). Wtedy wielomian charakterystyczny pA jest stopnia 3 i ma współczynniki rzeczywiste. Jeśli liczba zespolona λ jest pierwiastkiem pA, to jest nim również λ¯. Wynika stąd, że istnieje co najmniej jeden pierwiastek rzeczywisty pA. Jest on oczywiście wartością własną pA. Jeśli A ma trzy (liczone z krotnościami) rzeczywiste wartości własne, to A ma taką samą postać Jordana jak w przypadku zespolonym.

Pozostaje nam rozważyć przypadek, gdy pA ma rzeczywisty pierwiastek λ1 i parę pierwiastków λ2=α+iβ oraz λ2¯=α-iβ z β0.

Wniosek 11.12 (Rzeczywista postać Jordana).

Jeśli dla AM3×3(R) ma rzeczywisty pierwiastek λ1=λR i parę pierwiastków sprzężonych λ2=α+iβ oraz λ2¯=α-iβ z β0, to istnieje taka nieosobliwa macierz SM3×3(R), że

S-1AS=[λ000αβ0-βα].
Dowód.

Niech v3 będzie wektorem własnym dla λ, a w=w1+iw2 zespolonym wektorem własnym dla α+iβ. Wtedy w¯=w1-iw2 jest wektorem własnym dla α-iβ. Z naszych rozważań w wymiarze 2 wystarczy pokazać, że v,w1,w2 są liniowo niezależne nad , bo wtedy teza zachodzi dla S=[vw1w2]. Wiemy już, że w1 i w2 są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że

v=x1w1+x2w2,

dla pewnych x1,x2. Ponieważ

w1=12(w+w¯),w2=12i(w-w¯),

więc

v=x1-ix22w+x1+ix22w¯,

czyli v,w,w¯ są liniowo zależne nad . Prowadzi to do sprzeczności, bo wektory te odpowiadają różnym wartościom własnym. ∎

Przykład 11.6.

Macierz

A=[-30003-2011]

ma wartości własne λ1=-3, λ2=2+i, λ3=λ2¯=2-i. Odpowiadającymi im wektorami własnymi są przykładowo

v1=[1,0,0]T=e1,v2=[0,1+i,1]T,v3=[0,1-i,1]T.

Dla

S=[10001+i1-i011]

mamy

S-1AS=[-30002+i002-i].

Aby otrzymać postać rzeczywistą rozważamy macierz

P=[100011010]

której druga i trzecia kolumna, to odpowiednio, część rzeczywista i urojona wektora własnego v2=[0,1,1]T+i[0,1,0]T. Otrzymujemy, że

P-1AP=[-3000210-12].
Przykład 11.7.

Wartości własne macierzy

A=[100-120112]

to λ1=1 i λ2=λ3=2. Sprawdzamy łatwo, że odpowiadające im wektory własne, to

v1=[1,1,-2]T,v2=[0,0,1]T.

Krotność algebraiczna wartości własnej λ2=2 jest równa 2, ale jej krotność geometryczna jest równa 1. Macierz A nie ma więc bazy wektorów własnych, czyli nie jest diagonalizowalna. Aby wyznaczyć postać Jordana A szukamy takiego wektora w, że

(A-2I)w=v2.

Ponieważ

A-2I=[-100-100110],

więc możemy przyjąć, że w=[0,1,0]T. Dla macierzy

S=[100101-210]

mamy

S-1AS=[100201-110][100-120112][100101-210]=[100011001].
Przykład 11.8.

Macierz

A=[2100200-12]

ma tylko jedną wartość własną λ=2 o krotności algebraicznej 3. Zauważmy, że

A-2I=[0100000-10],

więc

ker(A-2I)=span{e1,e3}.

Ponadto,

im(A-2I)=span{[1,0,-1]T}ker(A-2I).

Szukamy teraz takiego wektora w, że

(A-2I)w=[1,0,-1]T.

Łatwo sprawdzamy, że możemy przyjąć w=[0,1,0]T=e2. Dla bazy

v1=[1,0,-1]T,v2=[0,1,0]T,v3=[1,0,0]T

Dla

S=[101010-100]

mamy

S-1AS=[00-1010100][2100200-12][101010-100]=[210020002]
Przykład 11.9.

Przyglądniemy się teraz macierzom antysymetrycznym AM3×3(). Ponieważ AT=-A, więc A ma postać

A=[0ab-a0c-b-c0],a,b,c.

Zakładamy, że A jest niezerowa, czyli a2+b2+c20. Ponieważ A jest antysymetryczna i wymiar n=3 jest nieparzysty, więc detA=0. W szczególności, 0 jest zawsze wartością własną. Ma ona krotność 1, bo jak łatwo sprawdzić pozostałe wartości własne, to ±ia2+b2+c2. Wektor własny dla wartości własnej 0 jest równy

vA=[-c,b,-a]T.

Ponadto, jeśli A,BM3×3() są antysymetryczne, to

tr(AB)=-2(vA|vB).

Co więcej, macierz

[A,B]:=AB-BA

jest antysymetryczna oraz

v[A,B]=vA×vB.

11.3 Diagonalizacja w wymiarach 2 i 3

Niech

A=[accb]

będzie rzeczywistą macierzą symetryczną. Równanie charakterystyczne dla A ma postać

pA(x)=x2-(a+b)x+ab-c2=0.

Ponieważ

Δ:=(a+b)2-4(ab-c2)=(a-b)2+4c20,

więc wartości własne λ1, λ2 macierzy A są rzeczywiste oraz

λ1=a+b+Δ2,λ2=a+b-Δ2.
Twierdzenie 11.6.

Dla macierzy rzeczywistej AM2×2(R) następujące warunki są równoważne

  • (i)

    A=AT,

  • (ii)

    2 ma bazę ortonormalną złożoną z wektorów własnych A,

  • (iii)

    Istnieje taka macierz ortogonalna QM2×2(), że

    QTAQ=D,

    gdzie D=diag(λ1,λ2) jest diagonalna z wartościami własnymi A na przekątnej.

Dowód.

(i)(ii)

Załóżmy, że A jest symetryczna. Jeśli c=0, to e1, e2 jest bazą ortonormalną złożoną z wektorów własnych macierzy A=diag(a,b).

Jeśli c0, to Δ>0 i A ma dwie różne rzeczywiste wartości własne λ1, λ2. Niech v1, v2 będą odpowiadającymi im wektorami własnymi o normie 1. Pokażemy, że wektory v1, v2 są ortogonalne. Mamy

λ1(v1|v2) =(λ1v1|v2)
=(Av1|v2)
=(v1|Av2)
=(v1|λ2v2)
=λ2(v1|v2),

więc (v1|v2)=0, bo λ1λ2.

(ii)(iii) Wystarczy przyjąć Q=[v1v2] dla bazy ortonormalnej v1, v2 złożonej z wektorów własnych.

(iii)(i)

Wiemy, że A=QDQT. Wtedy

AT =(QT)TDTQT
=QDQT
=A.

Rozważmy teraz macierz symetryczną AM3×3(). Istnieje λ1 rzeczywista wartość własna dla A. Niech v1 będzie odpowiadającym jej wektorem własnym o normie 1. Niech V3 będzie płaszczyzną prostopadłą do wektora v1. Wybierzmy bazę ortonormalną v2, v3V dla V. Wtedy v1, v2, v3 jest bazą ortonormalną dla 3.

Pokażemy, że Av2, Av3V, czyli A(V)V. Ze względu na symetrię wystarczy pokazać, że Av2V. Ponieważ A jest symetryczna, więc

(v1|Av2) =(Av1|v2)
=(λ1v1|v2)
=λ1(v1|v2)
=0.

Rozważmy macierz ortogonalną W=[v1v2v3]. Wtedy

W-1AW=WTAW=[λ1000ac0db].

Ponieważ WTAW jest symetryczna, więc d=c, czyli

WTAW=[λ1000ac0cb]

Wiemy już, że istnieje taka macierz ortogonalna BM2×2(), że

BT[accb]B=diag(λ2,λ3).

Dla macierzy ortogonalnej

U=[100B]M3×3()

mamy

UTWTAWU=diag(λ1,λ2,λ3).

Macierz Q=WU jest ortogonalna i jej kolumny są bazą ortonormalną złożoną z wektorów własnych.

Wniosek 11.13.

Dla macierzy rzeczywistej AM3×3(R) następujące warunki są równoważne

  • (i)

    A=AT,

  • (ii)

    3 ma bazę ortonormalną złożoną z wektorów własnych A,

  • (iii)

    Istnieje taka macierz ortogonalna QM3×3(), że

    QTAQ=D,

    gdzie D=diag(λ1,λ2,λ3) jest diagonalna z wartościami własnymi A na przekątnej.

11.4 Twierdzenie Cayleya–Hamiltona w wymiarze 3

Twierdzenie 11.7 (Twierdzenie Cayleya–Hamiltona).

Niech λ1,λ2,λ3C będą wartościami własnymi macierzy AM3×3(C). Wtedy

(A-λ1I)(A-λ2I)(A-λ3I)=0.
Dowód.

Z Lematu 11.5 istnieje taka macierz nieosobliwa SM3×3(), że S-1AS jest górnie trójkątna. Zauważmy, że

(S-1AS-λ1I) (S-1AS-λ2I)(S-1AS-λ3I)=
(S-1AS-λ1S-1S)(S-1AS-λ2S-1S)(S-1AS-λ3S-1S)=
S-1(A-λ1I)SS-1(A-λ2I)SS-1(A-λ3I)S=
S-1(A-λ1I)(A-λ2I)(A-λ3I)S.

Wynika stąd, że teza zachodzi dla A wtedy i tylko wtedy, gdy zachodzi dla S-1AS. Możemy więc założyć, że A jest górnie trójkątna postaci

A=[λ1ab0λ2c00λ3]

Niech v=[x,y,z]T3 będzie dowolnym wektorem. Zauważmy, że

(A-λ3I)v=[x1,y1,0]T,

dla pewnych x1,y1. Następnie,

(A-λ2I)[x1,y1,0]T=[x2,0,0]T,

dla pewnego x2. Ostatecznie,

(A-λ1I)[x2,0,0]T=[0,0,0]T,

czyli

(A-λ1I)(A-λ2I)(A-λ3I)v=0.

  • U

    Z pewnością zauważyliście, że dokładnie te same argumenty pokazują, że dla macierzy górnie trójkątnej AMn×n() zachodzi

    pA(A)=0.

    Dowód opiera się na obserwacji, że dla macierzy górnie trójkątnej A podprzestrzenie span{e1,,ek} są niezmiennicze dla A. Pokażemy później, że każda macierz AMn×n() jest podobna do macierzy górnie trójkątnej, więc Twierdzenie Cayleya–Hamiltona zachodzi dla dowolnej macierzy AMn×n().

  • 𝗧𝗘𝗦𝗧

    Niech A=[abcd]M2×2(). Oceń prawdziwość poniższych zdań:

    • Jeśli a+b=c+d=1, to [1,1]T jest wektorem własnym A.

    • Jeśli A ma prostą niezmienniczą, to A ma rzeczywiste wartości własne.

    • A ma rzeczywisty wektor własny.

    • Jeśli A jest górnie trójkątna tzn. c=0, to A jest diagonalizowalna.

    • Jeśli detA<0, to A jest diagonalizowalna.

    • Jeśli detA<0, to A jest ortogonalnie diagonalizowalna.

    • Jeśli A3=0, to A2=0.

    • Jeśli 2 ma bazę złożoną z wektorów własnych A, to A jest nieosobliwa.

    • 0 jest jedyną wartością własną A wtedy i tylko wtedy, gdy A2=0.

    • Jeśli trA=0, to A jest diagonalizowalna lub A2=0.

    • Jeśli detA=0, to A ma prostą niezmienniczą.

    • A i A2 mają takie same wartości własne.

    • A i A2 mają takie same wektory własne.

    • Jeśli A jest nieosobliwa, to A i A-1 mają takie same wartości własne.

    • Jeśli A jest nieosobliwa, to A i A-1 mają takie same wektory własne.

    • A i AT mają takie same wartości własne.

    • A i AT mają takie same wektory własne.

    • Jeśli SM2×2() jest nieosobliwa, to A i S-1AS mają takie same wartości własne.

    • Jeśli SM2×2() jest nieosobliwa, to A i S-1AS mają takie same wektory własne.

    • Jeśli A jest nieosobliwa i diagonalizowalna, to A-1 jest diagonalizowalna.

    • Jeśli macierz kwadratowa A jest diagonalizowalna, to AT jest również diagonalizowalna.

    • Jeśli macierz kwadratowa ma dwa identyczne wiersze (kolumny), to 0 jest jej wartością własną.