L'operatore lineare diagonalizzabile

Un operatore lineare f è detto diagonalizzabile, se la sua matrice rappresentativa rispetto a una qualunque base dello spazio vettoriale V è una matrice diagonalizzabile.

Cos'è una matrice diagonalizzabile

Una matrice diagonalizzabile è una matrice quadrata M simile a una matrice diagonale D.

$$ M^{-1}AM = D $$

Una matrice è simile a un'altra se M-1AM è uguale alla matrice D.

Per un approfondimento sul concetto di matrici simili.

Come riconoscere le matrici diagonalizzabili

Le matrici diagonalizzabili hanno lo stesso polinomio caratteristico pf. $$ p_f(λ) := det(A-λI_{(n)})$$

Dove A è la matrice rappresentativa dell'operatore lineare f:V→V rispetto a una qualunque base dello spazio vettoriale V.

Il polinomio caratteristico delle due matrici è uguale, qualunque sia la base prescelta.

Dimostrazione

Il polinomio caratteristico della matrice B è il seguente

$$ p_B(λ) = det(B - λ·I) $$

Ipotizzo che A e B siano matrici simili

$$ B = M^{-1}AM $$

Posso riscrivere la prima formula nella seguente forma

$$ p_B(λ) = det(B-λ I) \\
p_B(λ) = det(M^{-1}AM-λ(M^{-1}IM)) \\
p_B(λ) = det(M^{-1}(A-λI)M) \\
p_B(λ) = det(M^{-1}) \cdot det(A-λI) \cdot det(M) \\
p_B(λ) = \frac{1}{det(M)} \cdot det(A-λI) \cdot det(M) \\
p_B(λ) = det(A-λI) \\
p_B(λ) = p_A(λ) $$

Ho così dimostrato l'uguaglianza dei due polinomi caratteristici.

Come verificare se una matrice o un operatore lineare diagonalizzabile

La diagonalizzabilità di una matrice e dell'operatore lineare (a cui è associata la matrice) può essere riconosciuta anche da alcune caratteristiche.

  • Un operatore lineare è diagonalizzabile se la somma delle molteplicità algebriche (ma) degli autovalori è uguale alla dimensione n dello spazio vettoriale V.
    $$ \sum_{λ \in σ_f } { m_a(λ) = n} $$
  • Un operatore lineare è diagonalizzabile se la somma delle molteplicità geometriche (mg) degli autovalori è uguale alla dimensione n dello spazio vettoriale V.
    $$ \sum_{λ \in σ_f } { m_g(λ) = n} $$
  • Un operatore lineare è diagonalizzabile se la molteplicità geometrica di ogni autovalore è uguale alla molteplicità algebrica dello stesso.
    $$ m_a(λ) = m_b(λ) \:\:\:\: \forall \:\: λ \in σ_f $$
  • Un operatore lineare è diagonalizzabile se esiste una base dello spazio vettoriale V composto dagli autovettori dell'operatore lineare.

Le precedenti condizioni sono equivalenti.

Se l'operatore lineare è diagonalizzabile, allora la matrice diagonale D ha la diagonale principale composta dagli autovalori λ.

$$ M^{-1}AM = D $$

La matrice invertibile M è invece composta dagli autovettori linearmente indipendenti posti in colonna.

Nota. Spesso si utilizzano gli autovettori linearmente indipendenti che compongono le basi degli autospazi E(λ). In ogni caso, la matrice invertibile M e la matrice diagonale D non sono uniche. Dipendono dalla base considerata e dall'ordine di presentazione degli elementi.

Un esempio pratico

Ho un operatore lineare nello spazio vettoriale V=R3.

Quindi, la dimensione dello spazio vettoriale è n=3

$$ f = \begin{cases} x_1+2x+x_3 \\ 2x_2 \\ x_1-2x_2+x_3 \end{cases} $$

Usando la base canonica come riferimento, l'applicazione lineare ha la seguente matrice associata.

$$ A_{fBB} = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & -2 & 1 \end{pmatrix} $$

Per capire se l'operatore lineare f è diagonalizzabile, devo capire se la matrice associata A è diagonalizzabile.

$$ M^{-1}AM = D $$

Quindi, calcolo il polinomio caratteristico pf(λ) della matrice A.

$$ p_f(λ) = det [ A - λ \cdot Id ] $$

$$ p_f(λ) = det [ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & -2 & 1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} λ & 0 & 0 \\ 0 & λ & 0 \\ 0 & 0 & λ \end{pmatrix} ] $$

$$ p_f(λ) = det [ \begin{pmatrix} 1-λ & 2 & 1 \\ 0 & 2-λ & 0 \\ 1 & -2 & 1-λ \end{pmatrix} ] $$

$$ p_f(λ) = ( 1-λ ) ( 2-λ ) ( 1-λ ) - (2-λ) $$

$$ p_f(λ) = ( 1-λ )^2 ( 2-λ ) - (2-λ) $$

$$ p_f(λ) = (2-λ) [ ( 1-λ )^2 - 1] $$

$$ p_f(λ) = (2-λ) [ 1-2λ+λ^2 - 1] $$

$$ p_f(λ) = (2-λ) [ -2λ+λ^2 ] $$

$$ p_f(λ) = (2-λ) [ λ (λ-2) ] $$

Il polinomio caratteristico si annulla Pf=0 in due circostanze

$$ p_f(λ) = (2-λ) [ λ (λ-2) ] =0 \:\:\: con \:\:\: \begin{cases} λ = 0 \\ λ = 2 \end{cases} $$

Quindi, la matrice A ha due autovalori.

$$ λ_1 = 0 \\ λ_2 = 2 $$

Le molteplicità algebriche degli autovalori sono le seguenti:

$$ m_a(λ_1) = 1 \\ m_a(λ_2) = 2 $$

Perché λ1 annulla il polinomio caratteristico in una sola circostanza mentre λ2 lo annulla in due casi.

Poi calcolo la molteplicità geometrica degli autovalori.

$$ m_g(λ_1) = n - r [ A - λ_1] = 3 - r [ A - 0] = 3 - r [ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & -2 & 1 \end{pmatrix} ] = 3-2 = 1 $$

$$ m_g(λ_2) = n - r [ A - λ_2] = 3 - r [ A - 2] = 3 - r [ \begin{pmatrix} 1-2 & 2 & 1 \\ 0 & 2-2 & 0 \\ 1 & -2 & 1-2 \end{pmatrix} ] =$$

$$ m_g(λ_2) = 3 - r [ \begin{pmatrix} -1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & -2 & -1 \end{pmatrix} ] = 3-1 = 2 $$

La matrice A è diagonalizzabile perché

$$ m_a(λ_1)+m_a(λ_2) = 1+2 = 3 = n $$

$$ m_g(λ_1)+m_g(λ_2) = 1+2 = 3 = n $$

$$ m_a(λ_1) = m_g(λ_1) = 1 $$

$$ m_a(λ_2) = m_g(λ_2) = 2 $$

Viene rispettata anche la condizione seguente:

$$ 1 \le m_g(λ) \le m_a(λ) \le n$$

Pertanto, anche l'operatore lineare f è diagonalizzabile.

Come trovare la matrice diagonale

Ogni autovalore genera un autospazio E(λ)

$$ E(λ_1) = \{ v_1 \} \\ E(λ_2) = \{ v_2, v_3 \} $$

dove i vettori del nucleo dell'autospazio formano una base e sono i seguenti

$$ v_1 = ( 1, 0, -1 ) \\
v_2 = ( 1, 0, 1 ) \\
v_3 = ( 2, 1, 0 ) $$

Usando i vettori degli autospazi come colonne della matrice ottengo la matrice diagonale.

$$ M = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \\ -1 & 1 & 0 \end{pmatrix} $$

Verifica

Per una verifica provo a calcolare se M-1AM = D.

$$ M^{-1}AM = \begin{pmatrix} \frac{1}{2} & -1 & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & -1 & \frac{1}{2} \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & -2 & 1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \\ -1 & 1 & 0 \end{pmatrix} $$

$$ M^{-1}AM = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 1 & -2 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \\ -1 & 1 & 0 \end{pmatrix} $$

$$ M^{-1}AM = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} $$

$$ M^{-1}AM = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} = D $$

Il prodotto è uguale a una matrice diagonale.

Inoltre, come si può notare, la diagonale principale della matrice è composta dagli autovalori (λ).

La verifica conferma il risultato dell'esercizio.

Corollari e altre proprietà utili

Se lo spazio vettoriale ha dimensione finita n e l'operatore lineare f ha n autovalori distinti tra loro, allora l'operatore lineare è diagonalizzabile.

In questo caso non c'è bisogno di svolgere nessun calcolo.

Dimostrazione

Se ci sono n autovalori, allora ogni autovalore deve avere una molteplicità algebrica uguale a 1. Non superiore.

$$ m_a(λ)=1 \:\:\: \forall \:\: λ $$

Essendo n autovalori λ, la loro somma eguaglia la dimensione n dello spazio vettoriale V

$$ \sum_{λ} m_a(λ) = n $$

Anche le molteplicità geometriche devono necessariamente essere uguale a uno perché non possono essere inferiori a 1, né superiori alle relative molteplicità algebriche.

$$ m_g(λ)=1 \:\:\: \forall \:\: λ $$

La somma delle n molteplicità geometriche eguaglia la dimensione n dello spazio vettoriale V.

$$ \sum_{λ} m_g(λ) = n $$

Le condizioni della diagonalizzabilità sono soddisfatte.

 


 

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