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3.10 Eigenwerte ​

1. Definition: Eigenwert und Eigenvektor ​

1.1 Lineare Abbildung Φ:V→V ​

Sei V ein K-Vektorraum und Φ:V→V eine lineare Abbildung.

  • Ein Skalar λ∈K heißt Eigenwert von Φ,
    falls es mindestens einen von Null verschiedenen Vektor v∈V gibt,sodass Φ(v)=λv.

  • In diesem Fall nennt man v einen Eigenvektor (zugehörig zu λ).

1.2 Matrizendarstellung ​

Für den Fall einer Matrix A∈Kn×n (also einer linearen Abbildung ΦA in Kn) bedeutet das:

  • λ ist Eigenwert von A, falls es ein x≠0 in Kn gibt mit Ax=λx.
  • Ein solcher x heißt Eigenvektor (bzgl. λ).

Beispiel
Betrachte A=(32−2−10200−1) in K3×3.

Man kann nachrechnen, dass A(121)=(121).

Daraus folgt λ=1 als Eigenwert, und (1,2,1)T ist der zugehörige Eigenvektor.

2. Charakteristisches Polynom ​

Um Eigenwerte zu finden, betrachtet man die charakteristische Gleichung: det(A−λIn)=0.

Dieses Polynom in λ, pA(λ)=det(A−λIn), heißt charakteristisches Polynom von A.

Jeder λ∈K, der diese Gleichung löst, ist Eigenwert von A.

Beispiel

Für A=(3001)⟹det(A−λI2)=det(3−λ001−λ)=(3−λ)(1−λ).

Die Nullstellen sind λ=3 und λ=1.
Das bedeutet, A hat zwei Eigenwerte: 3 und 1.

3. Eigenräume ​

Für einen Eigenwert λ nennt man Eλ={x∈Kn:x≠0,Ax=λx}∪{0} den zugehörigen Eigenraum.

Formal lässt sich das auch als ker⁡(A−λI) schreiben, d. h. die Nullstelle der linearen Abbildung (A−λI).

4. Beispiel: 2×2-Matrix mit Lösungsweg ​

Wir möchten die Eigenwerte und Eigenvektoren bestimmen.

Nehmen wir A=(144−5).

4.1 Charakteristisches Polynom ​

det(A−λI)=det(1−λ44−5−λ)=(1−λ)(−5−λ)−(4⋅4).

Rechnen wir das aus:

=(1−λ)(−5−λ)−16=(−5−λ+5λ+λ2)−16=λ2+(5λ−λ)+(−5−16+1)

Vorsichtig zusammenfassen:

=λ2+(4λ)+(−5+1−16)=λ2+4λ−20.


Also det(A−λI)=λ2+4λ−20.

Wir setzen dies gleich 0: λ2+4λ−20=0.

4.2 Lösen der Quadratischen Gleichung (p-q-Formel) ​

  • Manchmal sagt man pq-Formel.
  • Übliche „Mitternachtsformel“ ist: λ=−b±b2−4ac2a, wenn λ2+bλ+c=0.

In unserem Fall: a=1, b=4, c=−20.

Also:

λ=−4±42−4⋅1⋅(−20)2⋅1=−4±16+802=−4±962=−4±16⋅62=−4±462.⟹λ1=−4+462=−2+26,λ2=−4−462=−2−26.

4.3 Eigenvektoren bestimmen (via LGS) ​

Zu λ1=−2+26 lösen wir (A−λ1I)x=0:

A−λ1I=(1−λ144−5−λ1).

Setze

(1−λ144−5−λ1)(x1x2)=(00).

Meist führt eine Zeile schon zur linearen Beziehung zwischen x1 und x2. Man wählt x1=1 (oder eine andere Konstante), um x2 daraus abzuleiten.
Auf diese Weise erhält man einen Eigenvektor (x1x2).

Analoger Ablauf für λ2. Man setzt λ2=−2−26 und löst wieder (A−λ2I)x=0.