MAT1041 · 14. hafta · - Symmetric Matrices and Orthogonal Diagonalization
Simetrik matrisler ve ortogonal köşegenleştirme
Ortogonal matrisleri (Pᵀ = P⁻¹), simetrik matrislerin özel özelliklerini (reel özdeğerler, dik özuzaylar, her zaman köşegenleşme) ve bir simetrik matrisi PᵀAP = D olacak şekilde ortogonal bir P ile köşegenleştirmeyi, tekrarlı özdeğerde Gram-Schmidt kullanmayı öğrenirsin.
Dönemin son konusu, simetrik matrislerin ne kadar “iyi huylu” olduğunu gösteriyor. Genel bir matris köşegenleşmeyebilir, reel özdeğeri olmayabilir, özvektörleri birbirine eğik durabilir. Simetrik matriste bunların hiçbiri olmaz: özdeğerler reel, farklı özdeğerlerin özvektörleri dik, ve matris her zaman köşegenleşir. Üstelik P öyle seçilebilir ki sütunları birbirine dik birim vektörler olur; o zaman P−1 hesaplamaya bile gerek kalmaz, P−1=PT. Bu sonuca spektral teorem denir ve istatistikten (PCA) fiziğe kadar her yerde kullanılır.
En sonda her vektörü normalize et. Unutulan adım bu.
Ortogonal vektörler ve ortogonal matrisler
haftadan: u⋅v=0 ise u ve vdiktir (orthogonal). Bir küme ikişer ikişer dik vektörlerden oluşuyorsa ortogonal küme, ayrıca hepsi birim uzunluktaysa ortonormal kümedir. Sıfır içermeyen ortogonal küme her zaman lineer bağımsızdır.
Kare Q matrisi QTQ=I sağlıyorsa ortogonal matristir (orthogonal matrix). QTQ‘nun (i,j) elemanı i. sütun ile j. sütunun iç çarpımı olduğu için:
QTQ=I⟺su¨tunlar ortonormal⟺Q−1=QT.
Örnek
Ortogonal mi?
[cosθsinθ−sinθcosθ] (dönme)
evet, det=1
[100−1] (yansıma)
evet, det=−1
[3/54/5−4/53/5]
evet (Q5)
[111−1]
hayır: sütunlar dik ama uzunluk 2
Son satır klasik tuzak: dik sütunlar yetmez, birim de olmalı. 21[111−1] ortogonaldir.
Ortogonal matrisler uzunluğu ve açıyı korur: ∥Qx∥=∥x∥, çünkü ∥Qx∥2=xTQTQx=xTx. Geometrik olarak sadece dönmeler ve yansımalar.
Simetrik matrislerin üç özelliği
A reel ve simetrik (AT=A) ise:
Bütün özdeğerleri reeldir.
Farklı özdeğerlere ait özvektörler diktir. İspat: Au=λu, Av=μv, λ=μ. λ(u⋅v)=(Au)Tv=uTATv=uTAv=μ(u⋅v). (λ−μ)(u⋅v)=0, yani u⋅v=0. (AT=A tam olarak burada kullanıldı.)
Her özdeğer için geometrik katlılık = cebirsel katlılık. Sonuç: her zaman köşegenleşir.
Spektral teorem.An×n reel bir matris olsun. Şu iki ifade denktir:
A simetrik.
PTAP=D olacak şekilde ortogonal bir P ve köşegen bir D vardır (ortogonal köşegenleşme).
Yani “ortogonal köşegenleşir mi?” sorusunun cevabı tek bakışta: matris simetrik mi?
Ortogonal köşegenleştirme tarifi
Karakteristik denklemi çöz.
Her özdeğer için özuzayın bir bazını bul.
Bir özuzay 2 veya daha fazla boyutluysa, bazına Gram-Schmidt uygulayıp ortogonal yap. (Tek boyutlu özuzaylar ve farklı özuzaylar arası diklik zaten bedava.)
Her vektörü normalize et: v/∥v∥.
P‘nin sütunları bu ortonormal vektörler, D‘de aynı sırayla özdeğerler. A=PDPT.
Gram-Schmidt (iki vektör).{v1,v2} bağımsızsa
u1=v1,u2=v2−u1⋅u1v2⋅u1u1.
u2, v2‘den u1 yönündeki bileşeni çıkarır; kalan dik parça. Üç vektörde u3‘ten hem u1 hem u2 bileşenleri çıkarılır.
Örnek 1 (2×2).A=[3113]. İz 6, det 8: λ2−6λ+8=(λ−4)(λ−2).
λ=4:(1,1),λ=2:(1,−1),P=21[111−1],D=[4002].
Özvektörler kendiliğinden dik çıktı; tek iş normalize etmekti.
Örnek 2 (3×3, tekrarlı özdeğer).A=211121112.
Karakteristik polinom λ3−6λ2+9λ−4=(λ−1)2(λ−4). Kontrol: iz 6=1+1+4.
TUZAK · tekrarlı özdeğerde Gram-Schmidt’i atlamak. Aynı özuzaydan gelen iki özvektör dik olmak zorunda değil. Örnek 2’de (−1,1,0) ve (−1,0,1) ikisi de doğru özvektör ama aralarındaki açı 60∘. Bunları direkt normalize edip P‘ye koyarsan PTP=I olur.
İPUCU · kontrol.PTP=I‘yı kontrol etmek için her sütun çiftinin iç çarpımına bak (0 olmalı) ve her sütunun uzunluğuna (1 olmalı). PTAP‘yi tamamen çarpmaktan çok daha kısa.
Uygulama: kuadratik formlar
Q(x,y)=ax2+bxy+cy2 ifadesi bir kuadratik formdur ve simetrik bir matrisle yazılır:
Q(x)=xTAx,A=[ab/2b/2c].
A=PDPT ise x=Py değişkeniyle Q=λ1y12+λ2y22 olur: çapraz terim yok. P‘nin sütunları asal eksenlerdir (principal axes). Q11’de 3x2+4xy+3y2=5x′2+y′2; (1,1) ve (−1,1) doğrultuları elipsin eksenleri. Özdeğerlerin işaretleri formun hep pozitif olup olmadığını (pozitif tanımlı) söyler.
Dönem özeti: köşegenleşme hiyerarşisi
Matris türü
Köşegenleşir mi?
P
Genel kare matris
bazen (n bağımsız özvektör varsa)
tersinir
n farklı özdeğer
her zaman
tersinir
Simetrik
her zaman
ortogonal (P−1=PT)
Sık yapılan hatalar
Yanlış
Doğrusu
Dik sütunlu matrisi ortogonal saymak
Sütunlar birim de olmalı
Normalize etmeyi unutmak
Her sütunu kendi uzunluğuna böl
Tekrarlı özdeğerin özvektörlerini olduğu gibi kullanmak
Önce Gram-Schmidt
Farklı özuzaylar arasında Gram-Schmidt yapmak
Gerek yok, zaten dikler
A=PDP−1 yazıp P−1 hesaplamak
P−1=PT
Kuadratik formda xy katsayısını köşegen dışına aynen yazmak
Yarısı: b/2
Simetrik olmayan matrisi ortogonal köşegenleştirmeye çalışmak
Sadece simetrikler
detQ her zaman 1
±1
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Soru 1kolay
Which of the matrices A=[1221] and Q=21[1−111] is orthogonal?
Cevabı göster
Only Q
Ortogonal: QTQ=I, yani sütunlar birim uzunlukta ve birbirine dik.Q: sütunlar 21(1,−1) ve 21(1,1), iç çarpım 21(1−1)=0, uzunluklar 1.A: ATA=[5445]=I. Simetrik olmak ortogonal olmak değil.
Soru 2kolay
Find the eigenvalues of the symmetric matrix A=[5222].
Cevabı göster
6 and 1
İz 7, det 10−4=6: λ2−7λ+6=(λ−6)(λ−1). Simetrik olduğu için reel olacakları baştan belliydi.
Soru 3orta
Orthogonally diagonalize A=[5222]: find an orthogonal P and diagonal D with PTAP=D.
Cevabı göster
P=51[211−2],D=[6001]
λ=6: A−6I=[−122−4], x=2y: (2,1).λ=1: A−I=[4221], 2x+y=0: (1,−2). İkisi dik: 2−2=0. İkisinin de uzunluğu 5; normalize edip sütun yap.
Soru 4kolay
Find k such that (1,k,2) and (3,1,−1) are orthogonal.
Cevabı göster
k=−1
Dik ⟺ iç çarpım 0: 3+k−2=0, k=−1.
Soru 5orta
Find the inverse of Q=[3/54/5−4/53/5].
Cevabı göster
[3/5−4/54/53/5]
Sütunlar (3/5,4/5) ve (−4/5,3/5): uzunluklar 259+16=1, iç çarpım −2512+2512=0. Q ortogonal. Ortogonal matrisin tersi transpozudur: Q−1=QT. Hesap yok.
Soru 6orta
True or false: Every real symmetric matrix is diagonalizable.
Cevabı göster
True
Spektral teorem: reel simetrik matrisin özdeğerleri reeldir ve her özdeğer için geometrik katlılık cebirsel katlılığa eşittir. Hatta ortogonal bir P ile köşegenleşir. Simetrik olmayan [2012] köşegenleşmiyordu; simetrikte bu olamaz.
Soru 7zor
A is a 3×3 symmetric matrix. (1,2,−1) is an eigenvector for λ=3 and (2,a,4) is an eigenvector for λ=−1. Find a.
Cevabı göster
a=1
Simetrik matriste farklı özdeğerlerin özvektörleri diktir.(1,2,−1)⋅(2,a,4)=2+2a−4=0⇒a=1.
Soru 8zor
Orthogonally diagonalize A=102030201.
Cevabı göster
P=1/201/20101/20−1/2,D=diag(3,3,−1)
Özdeğerler 3,3,−1 ((λ−3)2(λ+1)).λ=3: A−3I=−20200020−2, x=z, y serbest: (1,0,1) ve (0,1,0). Bunlar zaten dik, Gram-Schmidt gerekmez.λ=−1: A+I=202040202, y=0, x=−z: (1,0,−1). Normalize: (1,0,1)/2, (0,1,0), (1,0,−1)/2.
Soru 9orta
What are the possible values of detQ for an orthogonal matrix Q?
Apply the Gram-Schmidt process to {(1,1,0),(1,0,1)} to get an orthogonal basis of their span.
Cevabı göster
{(1,1,0),(1,−1,2)}
u1=(1,1,0). u2=(1,0,1)−u1⋅u1(1,0,1)⋅u1u1=(1,0,1)−21(1,1,0)=(21,−21,1). 2 ile çarp (diklik bozulmaz): (1,−1,2). Kontrol: 1−1+0=0.
Soru 11zor
Write the quadratic form Q(x,y)=3x2+4xy+3y2 as xTAx with A symmetric, and find the eigenvalues of A.
Cevabı göster
A=[3223]; eigenvalues 5 and 1
Köşegen: x2 ve y2 katsayıları. xy katsayısı 4, iki köşegen dışı elemana yarı yarıya: 2 ve 2. Özdeğerler: iz 6, det 5, λ2−6λ+5: 5 ((1,1) yönü) ve 1 ((−1,1) yönü). Yeni eksenlerde Q=5x′2+y′2: çapraz terim yok olur.
Doğrulama: Özdeğerler ve özuzaylar node'da BigInt kesirlerle karakteristik polinom kökleri ve tam null space ile bulundu; karekök içeren normalizasyonlardan kaçınmak için ölçeksiz sütun matrisi S ile SᵀS = diag(‖vᵢ‖²) (diklik) ve SᵀAS = diag(‖vᵢ‖²λᵢ) (köşegenleşme) tam olarak kontrol edildi; Gram-Schmidt adımları ve iç çarpımlar tam kesirlerle hesaplandı (verify/MAT1041/14.mjs).
Deftere not kartı
Simetrik: A^T = A.
ORTOGONAL MATRİS: Q^T Q = I ⇔ Q⁻¹ = Q^T ⇔ sütunlar ORTONORMAL (birim + dik).
det Q = ±1. Uzunluk ve açıyı korur: ||Qx|| = ||x||.
SİMETRİK MATRİS (spektral teorem):
(1) özdeğerler REEL (2) farklı özdeğerlerin özvektörleri DİK
(3) HER ZAMAN köşegenleşir, hem de ORTOGONAL P ile: P^T A P = D.
Tersi de doğru: ortogonal köşegenleşen matris simetriktir.
TARİF: özdeğerler → her E_λ bazı → (tekrarlı λ'da) Gram-Schmidt → NORMALİZE → P'nin sütunları.
Gram-Schmidt: u1 = v1; u2 = v2 - (v2·u1)/(u1·u1) u1. Ölçeklemek serbest.
Farklı özuzaylardaki vektörler zaten dik; GS sadece AYNI özuzay içinde.
Normalize: v/||v||. UNUTMA: normalize edilmemiş P ortogonal değil.
A = PDP^T (P⁻¹ yerine P^T).
Kuadratik form ax² + bxy + cy² → A = [a b/2; b/2 c]; özvektörler = asal eksenler.