Tópico 6
Autovalores e Autovetores

Pedro Aladar Tonelli

Definição auto valores de matrizes e operadores lineares

Se $A$ é uma matriz quadrada $n \times n$ dizemos que um número $\lambda \in \mathbb{C}$ é um autovalor de $A$ quando existir um vetor $\vec{x} \neq \vec{0}$ tal que $$ A\vec{x}= \lambda\vec{x} $$ Neste caso, os vetores que satisfazem a condição acima serão chamados de autovetores associados a $\lambda$.
  • $\lambda=0$ é um autovalor $\iff$ $A$ tem um núcleo não trivial.
  • Mesmo uma matriz real pode ter autovalor complexo, e neste caso os autovetores também terão coordenadas complexas.
  • O problema $Ax=\lambda x$ é não linear e difícil de resolver na maioria dos casos.

Como calcular $\lambda$

O primeiro resultado importante é que os autovalores são as raízes do polinômio característico. $$ p(\lambda) = \operatorname{det}(A-\lambda I) $$
Conhecendo um autovalor $\lambda$ os autovetores associados, ou o autoespaço associado a ele é $$\operatorname{Ker}(A-\lambda I)$$

Exemplos

\begin{gather} \begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\quad\begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}\quad\begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \\ \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 3 \end{pmatrix}\quad\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix} \end{gather}
Se $\lambda_1, \dots , \lambda_n$ são os autovalores de uma matriz $A$ de dimensão $n\times n$ então \begin{gather} \lambda_1\cdot\lambda_2\cdots\lambda_n = \operatorname{det}A \\ \lambda_1 + \lambda_2 + \cdots + \lambda_n = \operatorname{tr}A \end{gather}
Lema: Se $A_n$ é uma matriz de dimensão $n\times n$ então $$ \operatorname{det}(A_n-\lambda I)= (-\lambda)^n + (-1)^{(n-1)}\operatorname{tr}A_n \lambda^{n-1} + q(\lambda)$$ onde $q(\lambda)$ é um polinômio de grau $n-2$
Prova-se por indução em $n$: Para $n=2$ temos $$ \operatorname{det}\begin{bmatrix}a_{11} -\lambda & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} - \lambda\end{bmatrix} = \lambda^2 -(a_{11}+a_{22})\lambda + \operatorname{det}A$$
$$ \operatorname{det}\begin{bmatrix} a_{11}-\lambda & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22}-\lambda & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn}-\lambda \end{bmatrix} = (a_{11}-\lambda)\operatorname{det}(A-\lambda I)_{11} + q_1(\lambda) $$
usando a hipótese de indução na matriz $(A-\lambda I)_{11}$ temos o resultado.
$$ \operatorname{det}(A-\lambda I)_{11}= \operatorname{det}\begin{bmatrix} a_{22}-\lambda & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n2} & \cdots & a_{nn}-\lambda \end{bmatrix}$$ $ q_1(\lambda)$ é um polinômio de grau $n-2$
Se $A$ tem só autovalores reais, e $n$ autovetores linearmente independentes então $$ P^{-1}AP = \begin{bmatrix} \lambda_1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & \lambda_2 & \cdots & 0 \\ \vdots & & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & \lambda_n\end{bmatrix}$$ e dizemos que $A$ é diagonalizável
Faça $P=[\vec{x}_1| \cdots | \vec{x}_n]$, com $\vec{x}_i$ o autovetor associado a $\lambda_i$. Como os autovetores são LI, $P$ é invertível e denotamos $$ P^{-1} = \begin{bmatrix} \vec{y}_1^T \\ \vdots \\ \vec{y}_n^T \end{bmatrix}$$ com $\langle \vec{y_i}, \vec{x_j}\rangle = \delta_{ij}$