Uppgift 11

Låt \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 1 & 0 \end{pmatrix}\)

  1. Finn alla matriser X som kommunterar med A, det vill säga sådant att \(AX = XA\)
  2. Diagonalisera A om det är möjligt. Visa annars att det inte går.

För att \(AX\) och \(XA\) ska vara definierade måste \(X\) vara en \(2 \times 2\)-matris. Vi låter

$$X = \begin{pmatrix} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{pmatrix}$$

så ekvationen \(AX = XA\) blir:

$$\begin{pmatrix} x_1+2x_3 & x_2+2x_4 \\ x_1 & x_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} x_1 + x_2 & 2x_1 \\ x_3+x_4 & 2x_3 \end{pmatrix}$$

vilket kan skrivas om som ekvationssystemet

$$\begin{pmatrix}0 & -1 & 2 & 0 \\ -2 & 1 & 0 & 2 \\ 1 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & -2 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \\ x_4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}$$

som har lösningarna \(x_1 = s+t\), \(x_2 = 2s\), \(x_3 = s\), \(x_4 = t\). Därmed har vi svaret:

$$X = \begin{pmatrix} s+t & 2s \\ s & t \end{pmatrix}$$

Matrisen \(A\) är diagonaliserbar om båda egenvärden är unika. Vi löser den karakteristiska ekvationen:

$$ 0 = \det(\lambda I - A) = \left| \begin{matrix} \lambda -1 & -2 \\ -1 & \lambda \end{matrix} \right| = \lambda^2 - \lambda - 2$$

Med lösningarna \(\lambda_1 = -1\) och \(\lambda_2 = 2\). De är olika och därmed är \(A\) diagonaliserbar. Genom att lösa systemet

$$(\lambda_i I - A)v_i = 0$$

får vi respektive egenvektor \(v_i\) till varje egenvärde \(\lambda_i\), med lösningarna \(v_1 = (1, -1)\) och \(v_2 = (2,1)\). Se videon för en utförlig beräkning.

Dessa bildar kolonnerna i matrisen \(S\), och matrisen \(D\) består av egenvärden längs diagonalen.

$$S = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -1 & 1 \end{pmatrix}$$

$$D = \begin{pmatrix} -1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$$

Dessa två matriser uppfyller:

$$S^{-1}AS = D$$


Har du kommit så här långt i mattestudierna passar du kanske utmärkt som volontär i Mattecentrums räknestugor. Läs mer här om hur du blir volontär.

Har du en fråga du vill ställa om Uppgift 11? Ställ den på Pluggakuten.se
Har du hittat ett fel, eller har du kommentarer till materialet på den här sidan? Mejla matteboken@mattecentrum.se