6.1

ערכים עצמיים ווקטורים עצמיים

ערכים עצמיים: הכיוונים שאינם מסתובבים

Introduction to Eigenvalues

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

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 1 מתוך 5כ־65 דקות כולל תרגול3 מטרות למידה
  1. 1
    נקודת פתיחהמה כבר ידוע ומה השאלה?
  2. 2
    ניבוימה יקרה במקרה הפשוט?
  3. 3
    המחשהמה באמת משתנה בתמונה?
  4. 4
    ניסוח והצדקהשם, נוסחה ולמה היא נכונה
  5. 5
    בדיקהדוגמה, תרגול ומשוב
  6. 6
    העברהמקרה חדש והמשך המסלול

שאלה לפני נוסחה

מה אנחנו מנסים לראות?

למצוא ערכים עצמיים ומרחבים עצמיים, לפרש אותם גאומטרית, ולאמת כל תשובה באמצעות Av=λv במקום להסתפק בשורשי פולינום.

מטריצה בדרך כלל גם מותחת וגם מסובבת. וקטור עצמי מצביע לאורך מסילה מיוחדת: אחרי הכפל קצה החץ אולי מתרחק, מתקרב או עובר לצד הנגדי, אך החץ נשאר על אותו ישר. λ הוא גורם המתיחה החתום של המסילה הזאת.

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “לחפש ישר שנשמר”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

לחפש ישר שנשמר

וקטור עצמי נשאר על אותו ישר לאחר הכפל במטריצה, בעוד וקטור כללי משנה כיווןv₁Av₁=2v₁u כלליAu משנה זוויתdet(A−λI)=0 מוצא את λ · N(A−λI) מוצא את הישר
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

האיור משווה וקטור כללי לוקטורים לאורך שני הישרים העצמיים של מטריצה סימטרית.

מה כדאי לגלות: וקטור כללי משנה זווית. לאורך הישר העצמי, Av נשאר מקביל ל־v; λ שלילי היה הופך את כיוון החץ אך לא את הישר.

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • להסביר מדוע וקטור עצמי הוא כיוון ולא נקודה יחידה, ומדוע v=0 אינו מותר.
  • לגזור את המשוואה האופיינית det(A−λI)=0 ולפתור אותה במטריצה 2×2.
  • למצוא בסיס לכל מרחב עצמי ולבדוק trace, determinant והצבה ישירה.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

וקטור עצמי v
וקטור לא־אפס שעבורו Av הוא כפולה של v.
ערך עצמי λ
הסקלר במשוואה Av=λv; הוא מודד מתיחה, כיווץ או היפוך לאורך הכיוון העצמי.
פולינום אופייני
הפולינום p(λ)=det(A−λI), ששורשיו הם הערכים העצמיים.
מרחב עצמי Eλ
מרחב האפס N(A−λI); הוא כולל את 0 ואת כל הווקטורים העצמיים של λ.
ריבוי אלגברי
מספר הפעמים ש־λ מופיע כשורש של הפולינום האופייני.
ריבוי גאומטרי
הממד של Eλ, כלומר מספר הכיוונים העצמיים הבלתי תלויים של λ.

מהמילים אל הסימנים

כותבים את הפעולה שכבר ראינו

פתחו את הנוסחה רק אחרי שאתם יכולים לומר במילים מה כל פעולה אמורה לעשות. בשלב הבא נצדיק אותה צעד אחר צעד.

להצגת נוסחת המפתחקראו כל סימן כפעולה, לא כמשהו שצריך לשנןdet(A−λI)=0; E_λ=N(A−λI)

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. מתחילים מן ההגדרה

    אנחנו מחפשים זוג: מספר λ ווקטור v שאינו אפס. העברת אגפים מרכזת את כל הלא־ידוע הווקטורי במערכת הומוגנית אחת.

    Av=λv ⇔ (A−λI)v=0, v≠0
  2. מכריחים פתרון לא־אפס

    מערכת הומוגנית ריבועית מחזיקה פתרון לא־אפס רק אם המטריצה שלה אינה הפיכה. לכן הערכים העצמיים הם בדיוק ערכי λ שמאפסים את הדטרמיננטה.

    det(A−λI)=0

    עוצרים לחשוב: הדטרמיננטה מוצאת את λ בלבד. לאחר מכן עדיין חייבים לפתור עבור v.

  3. נוסחת 2×2

    אם A=[[a,b],[c,d]], פתיחת הדטרמיננטה נותנת פולינום ריבועי. סכום השורשים הוא trace(A) ומכפלתם det(A), ולכן שתי הזהויות הן בדיקת שפיות מהירה.

    p(λ)=λ²−tr(A)λ+det(A)
  4. בונים את המרחב העצמי

    לכל שורש מציבים את λ במטריצה A−λI ומוצאים את מרחב האפס שלה. כל כפולה לא־אפס של וקטור בסיס היא וקטור עצמי של אותו λ.

    Eλ=N(A−λI)
  5. מפרשים את הסימן

    λ>1 מותח, 0<λ<1 מכווץ, λ<0 מוסיף היפוך, ו־λ=0 מוחק את הכיוון אל הראשית. אם אין שורשים ממשיים, ייתכן שהפעולה היא סיבוב שאין לו ישר ממשי שמור.

    Av=λv ⇒ ‖Av‖=|λ|‖v‖
  6. מאמתים בשלוש דרכים

    בודקים Av=λv לכל זוג, את סכום הערכים מול העקבה ואת המכפלה מול הדטרמיננטה. שלוש הבדיקות תופסות טעויות סימן נפוצות.

    Σλᵢ=tr(A), ∏λᵢ=det(A)

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמאות פתורות, צעד אחר צעד

דוגמה 1

דוגמת העוגן הלא־סימטרית

מצאו את הערכים והווקטורים העצמיים של A=[[3,1],[3,5]].

  1. מחשבים det(A−λI)=(3−λ)(5−λ)−3=λ²−8λ+12.

  2. מפרקים: (λ−2)(λ−6)=0, ולכן λ=2,6. הבדיקה נותנת 2+6=8=trace(A), ו־2·6=12=det(A).

  3. ל־λ=2 מתקבלת המשוואה x+y=0, ולכן E₂=span{(1,−1)}.

  4. ל־λ=6 מתקבלת −3x+y=0, ולכן E₆=span{(1,3)}.

  5. בודקים: A(1,−1)=(2,−2)=2(1,−1), ו־A(1,3)=(6,18)=6(1,3).

התוצאה ומה היא אומרת

λ₁=2 עם E₂=span{(1,−1)}; λ₂=6 עם E₆=span{(1,3)}.

spec(A)={2,6}
דוגמה 2

סיבוב בלי כיוון עצמי ממשי

מה קורה עבור R=[[0,−1],[1,0]], סיבוב של 90°?

  1. הפולינום הוא det(R−λI)=λ²+1.

  2. אין למשוואה λ²+1=0 שורשים ממשיים.

  3. גאומטרית, כל וקטור ממשי לא־אפס מסתובב ב־90°, ולכן אינו נשאר על אותו ישר.

  4. מעל המספרים המרוכבים מתקבלים λ=±i; את השפה המרוכבת נשתמש בה בהמשך לתיאור סיבוב ותנודה.

התוצאה ומה היא אומרת

אין וקטורים עצמיים ממשיים; מעל ℂ הערכים העצמיים הם i ו־−i.

איפה זה פוגש את העולם

יישום

במערכת דינמית, כיוון עצמי הוא מצב ששומר על צורתו ורק משנה עוצמה. בעיבוד תמונה, מכניקה, רשתות ומודלים של אוכלוסיות, הכיוונים האלה מבודדים דפוסים שמתקדמים בקצב יחיד.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

להציב v=0 ולטעון שהוא וקטור עצמי לכל λ. האפס אכן מקיים Av=λv, אך הוא אינו מגדיר כיוון ולכן מוחרג במפורש. מרחב עצמי כולל את 0 כדי להיות תת־מרחב, אבל הווקטורים העצמיים עצמם הם האיברים הלא־אפסיים בו.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

למטריצה A יש λ=0. מה חייב להיות נכון?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

מצאו את כל הערכים והמרחבים העצמיים של A=[[4,2],[0,4]]. כמה כיוונים עצמיים בלתי תלויים קיבלתם, ומה ההבדל בין הריבוי האלגברי לגאומטרי?

רמז ראשון

הדטרמיננטה משולשת: (4−λ)². לאחר שמצאתם λ=4, פתרו (A−4I)v=0 ואל תספרו את אותו ישר פעמיים.

הצגת דרך הפתרון
  1. p(λ)=(4−λ)², ולכן λ=4 בריבוי אלגברי 2.
  2. A−4I=[[0,2],[0,0]], ולכן y=0 ו־x חופשי.
  3. E₄=span{(1,0)}, ולכן הריבוי הגאומטרי הוא 1 בלבד.
  4. יש ערך עצמי כפול אך רק כיוון עצמי אחד; בשיעור הבא נראה שזו בדיוק הסיבה שהמטריצה אינה לכסינה.

מימוש הנושא

קוד שאפשר לקחת לניסוי

הקוד מיישם את אותו רעיון מתמטי. ב־JavaScript אפשר להריץ אותו כאן; גרסת Python זמינה להשוואה ולהעתקה.

הקשר למתמטיקה

הקוד מחשב את שני שורשי הפולינום האופייני של מטריצה 2×2, ואז בודק שארית Av−λv עבור הווקטורים שמצאנו ידנית.

פלט צפוי

יתקבלו הערכים 2 ו־6, ושתי שאריות הבדיקה יהיו (0,0) עד כדי עיגול מספרי.

ניסוי המשך

החליפו את A במטריצת הסיבוב [[0,−1],[1,0]]. עקבו אחרי המעבר משורשים ממשיים לזוג 0±i.

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 matVec(A, v) {
  return A.map(row => row[0]*v[0] + row[1]*v[1]);
}

function residual(A, value, vector) {
  const image = matVec(A, vector);
  return image.map((entry, index) => entry-value*vector[index]);
}

const A = [[3, 1], [3, 5]];
console.log("eigenvalues", eigenvalues2x2(A));
console.log("λ=2 residual", residual(A, 2, [1, -1]));
console.log("λ=6 residual", residual(A, 6, [1, 3]));

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • המשוואה האופיינית מוצאת ערכים עצמיים; מרחב האפס של A−λI מוצא את הכיוונים.
  • וקטור עצמי אינו יחיד: כל כפולה לא־אפס שלו מתארת אותו כיוון עצמי.
  • trace ודטרמיננטה הן בדיקות מהירות, אך אינן מחליפות את בדיקת Av=λv.
  • מספר השורשים אינו בהכרח מספר הכיוונים העצמיים הבלתי תלויים.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 1 — למצוא את הישרים שנשמרים

סובבו וקטור יחידה ובדקו באילו זוויות v ו־Av נעשים מקבילים; אחר כך עברו למטריצה חסרה ולסיבוב.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 162–164

ספר הלימוד: עמ׳ 325–336