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Autovalori e autovettori

Esercizi · Vettori e matrici · con le soluzioni svolte · Dispensa (PDF) · Capitolo 4.5: Autovalori e autovettori

Esercizio 1

Calcolare gli autovalori della matrice

\[ \boldsymbol A= \begin{pmatrix} 4 & 1\\[0.5ex] 2 & 3 \end{pmatrix} \]

e un autovettore associato a ciascun autovalore.

Soluzione

L'equazione caratteristica è

\[ \det(\boldsymbol A-\lambda\boldsymbol I) = \det\begin{pmatrix} 4-\lambda & 1\\[0.5ex] 2 & 3-\lambda \end{pmatrix} =(4-\lambda)(3-\lambda)-2 =\lambda^2-7\lambda+10 =(\lambda-2)(\lambda-5)=0, \]

quindi \(\lambda_1=2\) e \(\lambda_2=5\).

Per \(\lambda_1=2\):

\[ (\boldsymbol A-2\boldsymbol I)\boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longleftrightarrow \begin{pmatrix} 2 & 1\\[0.5ex] 2 & 1 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longleftrightarrow 2v_1+v_2=0, \qquad \boldsymbol v_1=\begin{pmatrix}1\\[0.5ex]-2\end{pmatrix}. \]

Per \(\lambda_2=5\):

\[ (\boldsymbol A-5\boldsymbol I)\boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longleftrightarrow \begin{pmatrix} -1 & 1\\[0.5ex] 2 & -2 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longleftrightarrow v_1=v_2, \qquad \boldsymbol v_2=\begin{pmatrix}1\\[0.5ex]1\end{pmatrix}. \]

Controllo: \(\boldsymbol A\boldsymbol v_1=(4-2,\;2-6)'=(2,-4)'=2\,\boldsymbol v_1\) e \(\boldsymbol A\boldsymbol v_2=(5,5)'=5\,\boldsymbol v_2\).

Esercizio 2

Calcolare gli autovalori e un autovettore per ciascun autovalore della matrice simmetrica

\[ \boldsymbol Q= \begin{pmatrix} 5 & 2\\[0.5ex] 2 & 2 \end{pmatrix}. \]

\(\boldsymbol Q\) è definita positiva?

Soluzione

L'equazione caratteristica è

\[ \det(\boldsymbol Q-\lambda\boldsymbol I) =(5-\lambda)(2-\lambda)-4 =\lambda^2-7\lambda+6 =(\lambda-1)(\lambda-6)=0, \]

quindi \(\lambda_1=1\) e \(\lambda_2=6\).

Per \(\lambda_1=1\):

\[ \begin{pmatrix} 4 & 2\\[0.5ex] 2 & 1 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longleftrightarrow 2v_1+v_2=0, \qquad \boldsymbol v_1=\begin{pmatrix}1\\[0.5ex]-2\end{pmatrix}. \]

Per \(\lambda_2=6\):

\[ \begin{pmatrix} -1 & 2\\[0.5ex] 2 & -4 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longleftrightarrow v_1=2v_2, \qquad \boldsymbol v_2=\begin{pmatrix}2\\[0.5ex]1\end{pmatrix}. \]

Poiché \(\boldsymbol Q\) è simmetrica ed entrambi gli autovalori sono strettamente positivi, \(\boldsymbol Q\) è definita positiva. (Si osservi anche che \(\boldsymbol v_1'\boldsymbol v_2=2-2=0\).)

Esercizio 3

Senza calcolare alcun determinante, trovare gli autovalori di

\[ \boldsymbol U= \begin{pmatrix} 3 & 1 & -2\\[0.5ex] 0 & -1 & 4\\[0.5ex] 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}. \]

Trovare poi un autovettore per ciascun autovalore e controllare traccia e determinante.

Soluzione

\(\boldsymbol U\) è triangolare superiore, quindi i suoi autovalori sono i suoi elementi diagonali:

\[ \lambda_1=3,\qquad \lambda_2=-1,\qquad \lambda_3=2. \]
  • \(\lambda_1=3\): \((\boldsymbol U-3\boldsymbol I)\boldsymbol v=\boldsymbol 0\) dà \(v_2-2v_3=0\), \(-4v_2+4v_3=0\), \(-v_3=0\), quindi \(v_2=v_3=0\) e \(\boldsymbol v_1=(1,0,0)'\).

  • \(\lambda_2=-1\):

    \[ (\boldsymbol U+\boldsymbol I)\boldsymbol v= \begin{pmatrix} 4 & 1 & -2\\[0.5ex] 0 & 0 & 4\\[0.5ex] 0 & 0 & 3 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longrightarrow v_3=0,\ \ 4v_1+v_2=0, \qquad \boldsymbol v_2=\begin{pmatrix}1\\[0.5ex]-4\\[0.5ex]0\end{pmatrix}. \]
  • \(\lambda_3=2\):

    \[ (\boldsymbol U-2\boldsymbol I)\boldsymbol v= \begin{pmatrix} 1 & 1 & -2\\[0.5ex] 0 & -3 & 4\\[0.5ex] 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0 \Longrightarrow v_2=\tfrac{4}{3}v_3,\ \ v_1=-v_2+2v_3=\tfrac{2}{3}v_3. \]

    Scegliendo \(v_3=3\): \(\boldsymbol v_3=(2,4,3)'\).

Controllo: \(\operatorname{tr}(\boldsymbol U)=3-1+2=4=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3\) e \(\det(\boldsymbol U)=3\cdot(-1)\cdot 2=-6=\lambda_1\,\lambda_2\,\lambda_3\).

Esercizio 4

Calcolare il polinomio caratteristico, gli autovalori e un autovettore per ciascun autovalore di

\[ \boldsymbol Q= \begin{pmatrix} -1 & 1 & 0\\[0.5ex] 1 & 2 & 3\\[0.5ex] 0 & 3 & -1 \end{pmatrix}. \]

Classificare \(\boldsymbol Q\) (definita, semidefinita o indefinita).

Soluzione

Sviluppando lungo la prima riga:

\[\begin{align*} \det(\boldsymbol Q-\lambda\boldsymbol I) &= \det\begin{pmatrix} -1-\lambda & 1 & 0\\[0.5ex] 1 & 2-\lambda & 3\\[0.5ex] 0 & 3 & -1-\lambda \end{pmatrix}\\[1ex] &=(-1-\lambda)\big[(2-\lambda)(-1-\lambda)-9\big]-1\cdot\big[1\cdot(-1-\lambda)-3\cdot 0\big]\\[1ex] &=(-1-\lambda)\big[(2-\lambda)(-1-\lambda)-9-1\big] =(-1-\lambda)(\lambda^2-\lambda-12)\\[1ex] &=(-1-\lambda)(\lambda-4)(\lambda+3). \end{align*}\]

Gli autovalori sono \(\lambda_1=-1\), \(\lambda_2=4\), \(\lambda_3=-3\).

  • \(\lambda_1=-1\): \((\boldsymbol Q+\boldsymbol I)\boldsymbol v=\boldsymbol 0\) con \(\boldsymbol Q+\boldsymbol I=\begin{pmatrix}0 & 1 & 0\\ 1 & 3 & 3\\ 0 & 3 & 0\end{pmatrix}\) dà \(v_2=0\) e \(v_1+3v_3=0\): \(\boldsymbol v_1=(3,0,-1)'\).

  • \(\lambda_2=4\): \(\boldsymbol Q-4\boldsymbol I=\begin{pmatrix}-5 & 1 & 0\\ 1 & -2 & 3\\ 0 & 3 & -5\end{pmatrix}\) dà \(v_2=5v_1\), \(v_3=\frac{3}{5}v_2=3v_1\) (e \(v_1-10v_1+9v_1=0\)): \(\boldsymbol v_2=(1,5,3)'\).

  • \(\lambda_3=-3\): \(\boldsymbol Q+3\boldsymbol I=\begin{pmatrix}2 & 1 & 0\\ 1 & 5 & 3\\ 0 & 3 & 2\end{pmatrix}\) dà \(v_2=-2v_1\), \(v_3=-\frac{3}{2}v_2=3v_1\) (e \(v_1-10v_1+9v_1=0\)): \(\boldsymbol v_3=(1,-2,3)'\).

Controllo: \(\operatorname{tr}(\boldsymbol Q)=-1+2-1=0=-1+4-3\) e \(\det(\boldsymbol Q)=-1\cdot(-2-9)-1\cdot(-1-0)=12=(-1)\cdot 4\cdot(-3)\).

\(\boldsymbol Q\) è simmetrica con un autovalore positivo e uno negativo, quindi è indefinita.

Esercizio 5

La matrice

\[ \boldsymbol Q= \begin{pmatrix} 4 & -1 & 1\\[0.5ex] -1 & 4 & -1\\[0.5ex] 1 & -1 & 4 \end{pmatrix} \]

ha l'autovalore \(\lambda=3\) con molteplicità \(2\). Usando la traccia, trovare il terzo autovalore; poi controllare il risultato con il determinante e trovare un autovettore associato.

Soluzione

Gli autovalori, contati con la loro molteplicità, sono \(\lambda_1=\lambda_2=3\) e \(\lambda_3\). Poiché la traccia è la somma degli autovalori:

\[ \operatorname{tr}(\boldsymbol Q)=4+4+4=12=3+3+\lambda_3 \quad\Longrightarrow\quad \lambda_3=6. \]

Controllo con il determinante (sviluppo di Laplace lungo la prima riga):

\[ \det(\boldsymbol Q)=4\,(16-1)-(-1)\,(-4+1)+1\,(1-4)=60-3-3=54=3\cdot 3\cdot 6. \quad\checkmark \]

Autovettore per \(\lambda_3=6\):

\[ (\boldsymbol Q-6\boldsymbol I)\boldsymbol v= \begin{pmatrix} -2 & -1 & 1\\[0.5ex] -1 & -2 & -1\\[0.5ex] 1 & -1 & -2 \end{pmatrix} \boldsymbol v=\boldsymbol 0. \]

Sommando le prime due equazioni: \(-3v_1-3v_2=0\), cioè \(v_2=-v_1\); poi dalla prima equazione \(v_3=2v_1+v_2=v_1\). Quindi \(\boldsymbol v=(1,-1,1)'\); infatti \(\boldsymbol Q\boldsymbol v=(4+1+1,\,-1-4-1,\,1+1+4)'=(6,-6,6)'=6\,\boldsymbol v\).

Esercizio 6

Usando gli autovalori, classificare le seguenti matrici simmetriche:

\[ {\rm a)}~\boldsymbol Q_1= \begin{pmatrix} -3 & 1\\[0.5ex] 1 & -3 \end{pmatrix}, \qquad {\rm b)}~\boldsymbol Q_2= \begin{pmatrix} 1 & 3\\[0.5ex] 3 & 1 \end{pmatrix}, \qquad {\rm c)}~\boldsymbol Q_3= \begin{pmatrix} 2 & 2\\[0.5ex] 2 & 2 \end{pmatrix}. \]
Soluzione
  • a) \((-3-\lambda)^2-1=\lambda^2+6\lambda+8=(\lambda+2)(\lambda+4)\): gli autovalori sono \(-2\) e \(-4\), entrambi strettamente negativi, quindi \(\boldsymbol Q_1\) è definita negativa.

  • b) \((1-\lambda)^2-9=\lambda^2-2\lambda-8=(\lambda-4)(\lambda+2)\): gli autovalori sono \(4\) e \(-2\), quindi \(\boldsymbol Q_2\) è indefinita.

  • c) \((2-\lambda)^2-4=\lambda^2-4\lambda=\lambda(\lambda-4)\): gli autovalori sono \(0\) e \(4\), entrambi non negativi, quindi \(\boldsymbol Q_3\) è semidefinita positiva (ma non definita positiva, poiché \(0\) è un autovalore).

Esercizio 7

Usando il criterio di Sylvester, dimostrare che la matrice

\[ \boldsymbol Q= \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0\\[0.5ex] -1 & 2 & -1\\[0.5ex] 0 & -1 & 2 \end{pmatrix} \]

è definita positiva.

Soluzione

\(\boldsymbol Q\) è simmetrica e i suoi minori principali di guida sono

\[ \Delta_1=2>0, \qquad \Delta_2=\det\begin{pmatrix}2 & -1\\ -1 & 2\end{pmatrix}=4-1=3>0, \]
\[ \Delta_3=\det(\boldsymbol Q)=2\,(4-1)-(-1)\,(-2-0)+0=6-2=4>0. \]

Tutti i minori principali di guida sono strettamente positivi, quindi \(\boldsymbol Q\) è definita positiva. (Qui il criterio di Sylvester è conveniente: gli autovalori di \(\boldsymbol Q\) sono \(2\) e \(2\pm\sqrt 2\), che non sono interi.)

Esercizio 8

Usando il criterio di Sylvester, classificare

\[ \boldsymbol Q= \begin{pmatrix} -2 & 1 & 0\\[0.5ex] 1 & -3 & 1\\[0.5ex] 0 & 1 & -2 \end{pmatrix}. \]
Soluzione

\(\boldsymbol Q\) è simmetrica e i suoi minori principali di guida sono

\[ \Delta_1=-2<0, \qquad \Delta_2=\det\begin{pmatrix}-2 & 1\\ 1 & -3\end{pmatrix}=6-1=5>0, \]
\[ \Delta_3=\det(\boldsymbol Q)=-2\,(6-1)-1\,(-2-0)=-10+2=-8<0. \]

I minori principali di guida hanno segni alterni a partire da uno negativo, quindi \(\boldsymbol Q\) è definita negativa. (Infatti, i suoi autovalori sono \(-1\), \(-2\) e \(-4\).)

Esercizio 9

Usando i minori principali, stabilire se le seguenti matrici simmetriche sono semidefinite positive:

\[ {\rm a)}~\boldsymbol Q_a= \begin{pmatrix} 2 & -2 & 0\\[0.5ex] -2 & 2 & 0\\[0.5ex] 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}, \qquad {\rm b)}~\boldsymbol Q_b= \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0\\[0.5ex] 1 & 1 & 0\\[0.5ex] 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}. \]
Soluzione
  • a) I minori principali di guida sono \(\Delta_1=2\), \(\Delta_2=4-4=0\), \(\Delta_3=\det(\boldsymbol Q_a)=0\): \(\boldsymbol Q_a\) non è definita positiva. Controlliamo tutti i minori principali:

    • ordine 1: \(2,\ 2,\ 1\);

    • ordine 2: \(\det\begin{pmatrix}2 & -2\\ -2 & 2\end{pmatrix}=0\), \(\det\begin{pmatrix}2 & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix}=2\), \(\det\begin{pmatrix}2 & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix}=2\);

    • ordine 3: \(\det(\boldsymbol Q_a)=0\).

    Sono tutti \(\ge 0\): \(\boldsymbol Q_a\) è semidefinita positiva. Infatti \(\boldsymbol x'\boldsymbol Q_a\boldsymbol x=2(x_1-x_2)^2+x_3^2\ge 0\), e gli autovalori sono \(0,1,4\).

  • b) I minori principali di guida sono \(\Delta_1=1\), \(\Delta_2=1-1=0\), \(\Delta_3=\det(\boldsymbol Q_b)=-1\cdot 0=0\): sono tutti \(\ge 0\), ma questo non basta. Il minore principale di ordine 1 dato dall'elemento \(q_{33}=-1\) è negativo, quindi \(\boldsymbol Q_b\) non è semidefinita positiva: per \(\boldsymbol x=(0,0,1)'\) si ha \(\boldsymbol x'\boldsymbol Q_b\boldsymbol x=-1<0\). Poiché per \(\boldsymbol x=(1,0,0)'\) si ha \(\boldsymbol x'\boldsymbol Q_b\boldsymbol x=1>0\), la matrice è indefinita (i suoi autovalori sono \(2,0,-1\)).

Esercizio 10

Sia \(k\in\R\) e

\[ \boldsymbol Q(k)= \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0\\[0.5ex] 1 & k & 1\\[0.5ex] 0 & 1 & 2 \end{pmatrix}. \]

Per quali valori di \(k\) la matrice \(\boldsymbol Q(k)\) è definita positiva? Per quali valori è semidefinita positiva?

Soluzione

\(\boldsymbol Q(k)\) è simmetrica per ogni \(k\). I suoi minori principali di guida sono

\[ \Delta_1=2, \qquad \Delta_2=\det\begin{pmatrix}2 & 1\\ 1 & k\end{pmatrix}=2k-1, \qquad \Delta_3=2\,(2k-1)-1\cdot(2-0)=4k-4. \]

Per il criterio di Sylvester, \(\boldsymbol Q(k)\) è definita positiva se e solo se

\[ 2>0,\qquad 2k-1>0 \Leftrightarrow k>\tfrac{1}{2},\qquad 4k-4>0 \Leftrightarrow k>1, \]

cioè se e solo se \(\boldsymbol{k>1}\).

Per la semidefinitezza positiva servono tutti i minori principali \(\ge 0\): ordine 1: \(2,\ k,\ 2\); ordine 2: \(2k-1\), \(\det\begin{pmatrix}2 & 0\\ 0 & 2\end{pmatrix}=4\), \(2k-1\); ordine 3: \(4k-4\). Sono tutti \(\ge 0\) se e solo se \(k\ge 0\), \(k\ge\frac{1}{2}\) e \(k\ge 1\), cioè se e solo se \(\boldsymbol{k\ge 1}\). Per \(k=1\) la matrice è semidefinita positiva ma non definita positiva: i suoi autovalori sono \(0,2,3\).