06

הכיוונים שלא מסתובבים

ערכים עצמיים ווקטורים עצמיים

Eigenvalues and Eigenvectors

ערך עצמי אינו רק מספר שמוצאים מדטרמיננטה: הוא קצב המתיחה של כיוון שהמטריצה אינה מסובבת. בפרק נלמד לעבור מן המשוואה Av=λv אל בסיס עצמי, חזקות, מערכות y′=Ay, אקספוננט מטריצי ואופני תנודה — כך שכל רעיון נבנה מן הקודם ואפשר ללמוד אותו בלי חומר עזר חיצוני.

מפת הפרק

5 תחנות בדרך

5 יחידות לימוד עצמאיות · כ־5 שעות ו־40 דקות לשיעורים ולתרגול

  1. 6.1
    יחידת לימוד65 דקות

    ערכים עצמיים: הכיוונים שאינם מסתובבים

    שאלה 1: מה ננסה להבין?

    מתרגמים את Av=λv למערכת הומוגנית, מוצאים את λ מן הפולינום האופייני, בונים את המרחב העצמי ובודקים את התוצאה בהצבה.

    לשיעור
  2. 6.2
    יחידת לימוד70 דקות

    לכסון, חזקות ומה עלול להיכשל

    שאלה 2: מה ננסה להבין?

    אוספים בסיס של וקטורים עצמיים בעמודות V. בבסיס הזה A היא Λ, ולכן חזקות נעשות קלות; ערך עצמי כפול בלי מספיק כיוונים עצמיים מסביר מתי הלכסון נכשל.

    לשיעור
  3. 6.3
    יחידת לימוד70 דקות

    מערכות לינאריות y′=Ay

    שאלה 3: מה ננסה להבין?

    מפרקים את תנאי ההתחלה לאופנים עצמיים. כל אופן מקבל גורם e^(λt), וסימן החלק הממשי של λ קובע גדילה, דעיכה או סיבוב.

    לשיעור
  4. 6.4
    יחידת לימוד65 דקות

    האקספוננט של מטריצה

    שאלה 4: מה ננסה להבין?

    מגדירים e^(At) בעזרת טור החזקות כך שהוא פותר את בעיית ההתחלה גם כשאין בסיס עצמי מלא; לאחר מכן משווים בין הטור, הלכסון והמקרה החסר.

    לשיעור
  5. 6.5
    יחידת לימוד70 דקות

    מטריצות סימטריות ואופני תנודה

    שאלה 5: מה ננסה להבין?

    משפט הספקטרום מבטיח בסיס עצמי אורתונורמלי למטריצה סימטרית. כך מערכת מצומדת Mq″+Kq=0 מתפרקת לתנודות עצמאיות בתדרים √λ.

    לשיעור

ביד, שלב אחר שלב

דוגמת עוגן: מאותה מטריצה אל פתרון דינמי

עבור A=[[3,1],[3,5]] מצאו ערכים ווקטורים עצמיים, לכסנו את A ופתרו y′=Ay עם y(0)=(2,2).

  1. 1

    בונים את המשוואה האופיינית det(A−λI)=(3−λ)(5−λ)−3=λ²−8λ+12.

  2. 2

    פותרים λ²−8λ+12=(λ−2)(λ−6)=0, ולכן הערכים העצמיים הם 2 ו־6.

  3. 3

    עבור λ=2 פותרים (A−2I)v=0 ומקבלים v₁=(1,−1).

  4. 4

    עבור λ=6 פותרים (A−6I)v=0 ומקבלים v₂=(1,3).

  5. 5

    שני הווקטורים בלתי תלויים, לכן V=[[1,1],[-1,3]],‏ Λ=diag(2,6), ומתקיים A=VΛV⁻¹.

  6. 6

    מפרקים את תנאי ההתחלה: (2,2)=1·v₁+1·v₂. אלה מקדמי האופנים בזמן t=0.

  7. 7

    כל אופן מתפתח בקצב שלו: האופן הראשון מוכפל ב־e^(2t), והשני ב־e^(6t). הצבה ב־t=0 מחזירה (2,2), וגזירה מאמתת y′=Ay.

תוצאהy(t)=e^(2t)(1,−1)+e^(6t)(1,3); A=V diag(2,6)V⁻¹

ניבוי, ניסוי והסבר

מעבדת חקר: מכיוונים עצמיים לחזקות, דינמיקה ואופני תנודה

התחילו מתחנה אחת, נבאו את התוצאה ורק אז שנו פרמטר. בכל תחנה תקבלו משוב וקישור לשיעור שעליו היא בנויה.

פרק 6 · ארבע תחנות חקר

מכיוונים עצמיים לחזקות, זמן ותנודות

נבאו, בדקו והסבירו: כיוונים עצמיים, לכסון וחזקות, דינמיקה דרך e^(At), ומצבי תנודה של מערכת סימטרית.

מעבדת פרק 6 מוכנה. תחנה 1 פעילה.

ארבע התחנות עוקבות אחרי רעיון אחד: קודם מוצאים כיוון שנשמר, אחר כך משתמשים בו לחזקות, מעבירים אותו לזמן רציף, ולבסוף מפרידים בעזרתו תנודות מצומדות. בכל תחנה מנבאים לפני שמשנים פרמטר.

תחנה 1 מתוך 4

באילו כיוונים המטריצה מפסיקה לסובב?

המטרה
לקשור בין Av=λv לבין ישר שנשמר, ולהבחין בין שני כיוונים, כיוון יחיד ואף כיוון ממשי.
המשימה
נבאו, בחרו מטריצה וסובבו את v. חפשו זוויות שבהן שני החצים מקבילים ובדקו את λ.

ניבוי לפני הסיבוב

אם λ שלילי, מה יקרה ל־Av ביחס ל־v?
45°
Av=λv ⇔ det(A−λI)=0
A=[[3, 1], [1, 3]]
סוג הספקטרום
ממשי
גורם אורך ‖Av‖
4
v ו־Av מקבילים
כן
אומדן λ
4

v=(0.707, 0.707); Av=(2.828, 2.828)

וקטור והדמות שלו תחת המטריצהבזווית 45 מעלות, v ו־Av מקבילים וגורם המתיחה הוא 4.λ=4λ=2vAv
בזווית 45 מעלות, v ו־Av מקבילים וגורם המתיחה הוא 4.

בדיקת הבנה

למטריצת סיבוב של 90° אין וקטור עצמי ממשי. מה מסביר זאת?

עכשיו בקוד

אותו רעיון, כאלגוריתם

הקוד קצר בכוונה: כל שורה מקבילה לצעד בחישוב הידני.

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function eigenvalues2x2(A) {
  const trace = A[0][0] + A[1][1];
  const determinant = A[0][0] * A[1][1] - A[0][1] * A[1][0];
  const discriminant = trace ** 2 - 4 * determinant;
  if (discriminant < 0) {
    const real = trace / 2;
    const imaginary = Math.sqrt(-discriminant) / 2;
    return [{ real, imaginary }, { real, imaginary: -imaginary }];
  }
  const root = Math.sqrt(discriminant);
  return [(trace - root) / 2, (trace + root) / 2];
}

function anchorSolution(t) {
  const slow = Math.exp(2 * t);
  const fast = Math.exp(6 * t);
  return [slow + fast, -slow + 3 * fast];
}

const A = [[3, 1], [3, 5]];
console.log("eigenvalues =", eigenvalues2x2(A));
for (const t of [0, 0.25, 0.5]) {
  console.log({ t, y: anchorSolution(t) });
}

בדיקת שליטה מצטברת

האם כל פרק 6 יושב במקום?

חמש שאלות קצרות בודקות את המסלול כולו — מן המשוואה האופיינית ועד אופני תנודה. לאחר הבדיקה תקבלו הסבר וקישור מדויק לשיעור שכדאי לחזור אליו.

0 מתוך 5 נענו0/5
  1. מדוע דורשים det(A−λI)=0 בחיפוש ערך עצמי?
  2. ל־A יש ערך עצמי יחיד λ, אך רק כיוון עצמי בלתי תלוי אחד ב־ℝ². מה נכון?
  3. במערכת y′=Ay, מה קובע אם אופן עצמי דועך כאשר t גדל?
  4. איזו זהות נכונה תמיד, גם כאשר A אינה לכסינה?
  5. מדוע מטריצה סימטרית ממשית מפשטת מערכת תנודות?

יש לענות על כל השאלות לפני הבדיקה.

מקורות להעמקה בלבד — הפרק באתר עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 162–190. הפניות מדויקות לספר מופיעות בתחתית כל שיעור.