Teoria: auto-vetores e auto-valores
Uma característica de matrizes é a existência de vetores e valores chamados de auto-valores e auto-vetores. Quando um auto-vetor de uma matriz é multiplicado pela própria matriz, o resultado é um múltiplo do próprio vetor, isto é:
- \(A \in \mathbb{R}^{n \times n}\) é a matriz,
- \(v \in \mathbb{R}^{n \times 1}\) é o auto-vetor, e
- \(\lambda \in \mathbb{R}\) é o auto-valor associado.
Exemplo de auto-vetores e auto-valores
Infinitos auto-vetores?
Veja que, se \(v\) é um auto-vetor de \(A\), então:
e, multiplicando ambos os lados da equação por um valor \(\alpha \in \mathbb{R}\), temos:
Se fizermos \(w=\alpha v\), então temos que:
e, portanto, \(w = \alpha v\) também é um auto-vetor de \(A\) com o mesmo auto-valor associado!
Então, tecnicamente, temos infinitos auto-vetores de \(A\) na direção de \(v\). Porém, usualmente usamos como auto-vetor o vetor que tem norma \(1\) nessa direção (embora isso seja somente uma convenção ligada aos pacotes numéricos para cálculo de auto-vetores e auto-valores).
Encontrando matrizes à partir de seus auto-valores e auto-vetores
Considere \(A \in \mathbb{R}^{2 \times 2}\). e tivermos dois auto-vetores (\(v_1, v_2 \in \mathbb{R}^{2 \times 1}\)), e seus auto-valores correspondentes (\(\lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{R}\)), temos na verdade um sistema:
Esse sistema pode ser escrito na forma de uma multiplicação matricial, se assumirmos que nossos auto-vetores são vetores-coluna:
Multiplicando os dois lados da equação por \(\begin{bmatrix} \vert & \vert \\ v_1 & v_2 \\ \vert & \vert \end{bmatrix}^{-1}\), ficamos com:
e, portanto:
Encontre a matriz cujos auto-vetores são \(v_1 = \begin{bmatrix} \cos \frac{\pi}{4} \\ \sin \frac{\pi}{4} \end{bmatrix}\) e \(v_2 = \begin{bmatrix} -\sin \frac{\pi}{4} \\ \cos \frac{\pi}{4} \end{bmatrix}\), e os seus auto-valores associados são \(\lambda_1=2\) e \(\lambda_2=1\)
Para isso, temos que resolver:
Após realizar a operação, confirme que \(Av_1 = v_1 \lambda_1\) e que \(A v_2 = v_2 \lambda_2\).
Uma nova interpretação para a multiplicação matricial
Vamos nos recordar agora sobre como fazíamos mudanças de base. Para fazer uma mudança de base, escrevemos um vetor \(x\) qualquer como a soma ponderada (ou: a combinação linear) de vetores-base \(b_j\), isto é:
Na forma matricial, encontrávamos que:
e, portanto, poderíamos encontrar esse vetor \(s=\begin{bmatrix} s_1 \\ s_2 \\ \vdots \\ s_n \end{bmatrix}\) com a operação:
Por simplicidade, vamos chamar a matriz com vetores-base de \(B = \begin{bmatrix} \vert & \vert & & \vert \\ b_1 & b_2 & \cdots & b_n \\ \vert & \vert & & \vert \end{bmatrix}\), isto é:
Memória importante!
A consequência disso é que multiplicar um vetor por \(B^{-1}\) significa mudar de base para a base definida nas colunas de \(B\).
Outra coisa que fizemos com a mudança de bases foi a operação de levar um vetor para outra base, realizar alguma operação nessa base, e então retornar. Para isso, fazíamos:
onde \(B\) é a matriz com vetores-base e \(T\) define alguma transformação ou operação matricial. O que era relevante nisso é que podemos usar a propriedade da associatividade para definir \(A = B T B^{-1}\) e realizar a operação \(y = Ax\) com uma única operação.
Ok, se você não se recorda disso tudo, é interessante voltar nas aulas anteriores e entender por que essas operações são válidas.
Seguindo adiante...
Agora há pouco vimos a equação:
Vamos passar para o caso de \(n\) dimensões. Nesse caso, teríamos \(n\) auto-vetores e \(n\) auto-valores associados, e, portanto:
Por simplicidade, vamos chamar a matriz com auto-vetores de \(P\) e a matriz com auto-valores de \(Q\). Daí, ficamos com:
Portanto, quando fazemos uma multiplicação matricial \(y=Ax\), podemos expandir a multiplicação para:
Fazendo um paralelo com a mudança de bases, podemos interpretar a operação como mudar \(x\) para a base definida pelos auto-vetores de \(A\), realizar a transformação \(Q\) e então retornar à base original. Só que veja uma coisa super importante: a transformação \(Q\) é uma escala.
Mostre que, se todos os \(n\) auto-valores de \(A\) forem iguais a \(1\), então \(A\) é uma matriz identidade.
Se \(\lambda_i=1 \forall i\), então \(Q\) é uma matriz identidade e portanto:
Então, algum tipo de escala é inevitável...
Uma nova interpretação para a inversão de matrizes
Vamos nos recordar da distributividade da inversa:
isto é, aplicamos a inversa a cada uma das matrizes de "dentro dos parênteses" invertendo a ordem.
Aplicando a mesma regra para \(A\), temos:
Veja que isso significa que multiplicar um vetor \(x\) por \(A^{-1}\) equivale a, sequencialmente:
- Levar \(x\) para a base de auto-vetores de \(A\)
- Realizar a escala inversa \(Q^{-1}\) nesse domínio
- Voltar para a base original
Uma interpretação geométrica!
Já vimos que a multiplicação matricial é uma escala em uma base definida pelos auto-vetores de \(A\). A consequência disso é que a multiplicação pela inversa é a escala inversa nessa mesma base!