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DCC639 · Álgebra Linear Computacional · 2026/2

Autovalorese autovetores

Quase todo vetor muda de direção quando multiplicado por \(A\). Uns poucos não mudam — só esticam. Esses são os autovetores, e é sobre eles que se apoiam a diagonalização e a potenciação rápida de matrizes.

Aula: A6 Tópicos: 17 + 1 exercício P2 · aulas 1–28 Atualizado: 25/08/2026
A6 · 01

Exemplo 1 — o vetor muda de direção

Antes de definir o que são autovetores e autovalores, a aula analisa geometricamente uma multiplicação \(A\mathbf{x}\) qualquer.

Exemplo · slide $$\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}2\\3\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}7\\8\end{bmatrix}$$

Lendo pela combinação linear das colunas — a leitura da A1 — as colunas são \(\mathbf{u}=[2,1]\) e \(\mathbf{v}=[1,2]\), e os pesos são as componentes de \(\mathbf{x}\):

$$2\begin{bmatrix}2\\1\end{bmatrix}+3\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}7\\8\end{bmatrix}$$

O que essa combinação linear significa geometricamente?

u v 2u 3v x b = Ax
b = 2u + 3v fecha o paralelogramo das colunas — e sai numa direção diferente da de x.
Leitura do slide

O vetor resultante \(\mathbf{b}=A\mathbf{x}\) mudou de direção e de magnitude em relação a \(\mathbf{x}\). Esse é o comportamento normal: multiplicar por uma matriz gira e estica.

A6 · 02

Exemplo 2 — o vetor só muda de magnitude

Mesma matriz \(A\), outro vetor \(\mathbf{x}\).

Exemplo · slide $$\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\3\end{bmatrix}$$

De novo pela combinação linear das colunas, agora com pesos 1 e 1:

$$1\begin{bmatrix}2\\1\end{bmatrix}+1\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\3\end{bmatrix}$$
u v x b = Ax
x e b caem sobre a mesma reta pela origem: a multiplicação só multiplicou o comprimento por 3.
Leitura do slide

Nesse caso a multiplicação \(A\mathbf{x}\) apenas mudou a magnitude de \(\mathbf{b}\) por um fator \(\lambda\), sem mudar sua direção:

$$\mathbf{b}=1\mathbf{u}+1\mathbf{v}=A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}$$

Quando isso ocorre, \(\mathbf{x}\) é dito autovetor e \(\lambda\) autovalor de \(A\). Aqui \(\mathbf{x}=[1,1]\) e \(\lambda=3\).

A6 · 03

Autovalor e autovetor

Definição

Seja \(A\) uma matriz quadrada de ordem \(n\). Um vetor não nulo \(\mathbf{x}\) é um autovetor de \(A\) se existir um escalar \(\lambda\) (lambda) tal que:

$$A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}$$

Onde:

  • \(A\): matriz de transformação linear;
  • \(\mathbf{x}\): autovetor (deve ser diferente do vetor nulo);
  • \(\lambda\): autovalor associado ao vetor \(\mathbf{x}\).
Cuidado na provaA restrição é só sobre \(\mathbf{x}\): autovetor nunca pode ser \(\mathbf{0}\). O autovalor, esse sim, pode ser zero — \(A\mathbf{x}=0\cdot\mathbf{x}=\mathbf{0}\) quer dizer que \(\mathbf{x}\) está no espaço nulo de \(A\).
A6 · 04

Equação característica

Para calcular os autovalores e autovetores de uma matriz quadrada \(A\) de ordem \(n\), temos que resolver a seguinte equação:

Derivação · slide $$A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}$$ $$A\mathbf{x}-\lambda\mathbf{x}=\mathbf{0}$$ $$(A-\lambda I)\mathbf{x}=\mathbf{0}$$

Esse é um sistema linear homogêneo \(M\mathbf{x}=\mathbf{0}\) — que sempre tem a solução “trivial” \(\mathbf{x}=\mathbf{0}\).

No entanto, por definição, um autovetor não pode ser o vetor nulo. Para que exista uma solução \(\mathbf{x}\ne\mathbf{0}\) para um sistema linear homogêneo, a matriz \((A-\lambda I)\) deve ser singular (não invertível), ou seja:

Equação característica $$\det(A-\lambda I)=0$$
Por que singularSe \((A-\lambda I)\) fosse invertível, poderíamos multiplicar os dois lados pela inversa e obter \(\mathbf{x}=(A-\lambda I)^{-1}\mathbf{0}=\mathbf{0}\) — só a solução trivial, que a definição proíbe. Só quando ela é singular o espaço nulo cresce e aparecem soluções não nulas.
A6 · 05

Polinômio característico

Definição

Ao calcular o \(\det(A-\lambda I)\), o resultado é um polinômio em \(\lambda\), chamado de polinômio característico.

Exemplo · slide

Considere a matriz

$$A=\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}$$

1. Subtraímos \(\lambda\) da diagonal principal:

$$A-\lambda I=\begin{bmatrix}2-\lambda&1\\1&2-\lambda\end{bmatrix}$$

2. Calculando o determinante:

$$\det\begin{bmatrix}2-\lambda&1\\1&2-\lambda\end{bmatrix}=(2-\lambda)(2-\lambda)-(1)(1)$$ $$=4-4\lambda+\lambda^2-1$$ $$=\lambda^2-4\lambda+3$$

Esse é o polinômio característico de \(A\).

Erro clássico\(\lambda I\) sai da diagonal inteira, não só do primeiro elemento — e nada acontece com os elementos fora da diagonal. Numa matriz \(2\times2\) isso dá dois fatores \((a_{11}-\lambda)(a_{22}-\lambda)\) e o produto cruzado \(a_{12}a_{21}\) intacto.
A6 · 06

Calculando os autovalores

Definição

As raízes do polinômio característico de \(A\) são os autovalores \(\lambda_i\) de \(A\).

Exemplo · slide $$A=\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\;\rightarrow\;\det\begin{bmatrix}2-\lambda&1\\1&2-\lambda\end{bmatrix}$$ $$\lambda^2-4\lambda+3=0$$

Esse polinômio de segundo grau admite duas soluções:

$$\lambda_1=1 \qquad\text{e}\qquad \lambda_2=3$$

Esses são os autovalores de \(A\).

A6 · 07

Calculando os autovetores

Depois que calculamos os autovalores de \(A\), podemos calcular seus autovetores correspondentes resolvendo a mesma equação, agora com \(\lambda\) já conhecido:

Receita $$A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x} \;\Longleftrightarrow\; (A-\lambda_i I)\mathbf{x}=\mathbf{0}$$

Uma resolução por autovalor. Com \(\lambda_1=1\) e \(\lambda_2=3\), são duas.

Exemplo · \(\lambda_1=1\) $$A\mathbf{x}=\lambda_1\mathbf{x}$$ $$(A-\lambda_1 I)\mathbf{x}=\mathbf{0}$$ $$\begin{bmatrix}1&1\\1&1\end{bmatrix}\mathbf{x}=\mathbf{0}$$

Pela leitura por colunas:

$$x_1\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}+x_2\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}=\mathbf{0}$$

As duas colunas são iguais, então basta \(x_1=-x_2\):

$$\mathbf{x}=\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}$$

autovetor de \(\lambda_1\).

Exemplo · \(\lambda_2=3\) $$A\mathbf{y}=\lambda_2\mathbf{y}$$ $$(A-\lambda_2 I)\mathbf{y}=\mathbf{0}$$ $$\begin{bmatrix}-1&1\\1&-1\end{bmatrix}\mathbf{y}=\mathbf{0}$$

Pela leitura por colunas:

$$y_1\begin{bmatrix}-1\\1\end{bmatrix}+y_2\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}=\mathbf{0}$$

Uma coluna é o negativo da outra, então basta \(y_1=y_2\):

$$\mathbf{y}=\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}$$

autovetor de \(\lambda_2\).

Confere com a motivação: no Exemplo 2 o vetor \([1,1]\) foi para \([3,3]\) — é exatamente o autovetor de \(\lambda_2=3\).

Autovetor não é únicoSe \(\mathbf{x}\) é autovetor, qualquer múltiplo não nulo \(c\mathbf{x}\) também é, com o mesmo autovalor: \(A(c\mathbf{x})=cA\mathbf{x}=c\lambda\mathbf{x}=\lambda(c\mathbf{x})\). Por isso \([1,-1]\) e \([-2,2]\) respondem igualmente bem. O que a prova cobra é a direção — em prova de múltipla escolha, confira por múltiplo escalar, não por igualdade literal.
A6 · 08

Propriedades dos autovalores

Definição

As seguintes propriedades valem para os autovalores \(\lambda_i\) de \(A\):

O traço (soma da diagonal principal) de \(A\) é igual à soma dos autovalores:

$$\mathrm{tr}(A)=\sum_{i=1}^{n}\lambda_i$$

O determinante de \(A\) é igual ao produto dos autovalores:

$$\det(A)=\prod_{i=1}^{n}\lambda_i$$
Exemplo extra · fora do slide

Conferindo nas contas do próprio slide, com \(A=\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\), \(\lambda_1=1\) e \(\lambda_2=3\):

$$\mathrm{tr}(A)=2+2=4=1+3=\lambda_1+\lambda_2$$ $$\det(A)=2\cdot2-1\cdot1=3=1\cdot3=\lambda_1\lambda_2$$
Uso práticoNuma matriz \(2\times2\), traço e determinante já dão os dois autovalores sem resolver equação nenhuma: procure dois números que somem \(\mathrm{tr}(A)\) e multipliquem \(\det(A)\). E, como o produto é o determinante, \(A\) é singular exatamente quando \(\lambda=0\) é um dos autovalores.
A6 · 09

Propriedades dos autovetores

As seguintes propriedades valem para um autovetor \(\mathbf{x}\) de \(A\).

Potências de \(A\)

Se \(\mathbf{x}\) é autovetor de \(A\) com autovalor \(\lambda\), então \(\mathbf{x}\) é autovetor de qualquer potência \(A^2,A^3,A^4,\dots\), com autovalores \(\lambda^2,\lambda^3,\lambda^4,\dots\):

$$A^k\mathbf{x}=\lambda^k\mathbf{x}$$
Derivação · slide $$A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}$$ $$A(A\mathbf{x})=A(\lambda\mathbf{x})$$ $$A^2\mathbf{x}=\lambda A\mathbf{x}$$ $$A^2\mathbf{x}=\lambda^2\mathbf{x}$$

Repetindo o passo mais uma vez sai \(A^3\), e assim por diante.

Inversa de \(A\)

Se \(\mathbf{x}\) é autovetor de \(A\) com autovalor \(\lambda\), então \(\mathbf{x}\) também é autovetor de sua inversa \(A^{-1}\), mas com autovalor \(\tfrac{1}{\lambda}\):

$$A^{-1}\mathbf{x}=\frac{1}{\lambda}\mathbf{x}$$
Derivação · slide $$A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}$$ $$A^{-1}(A\mathbf{x})=A^{-1}(\lambda\mathbf{x})$$ $$I\mathbf{x}=\lambda A^{-1}\mathbf{x}$$ $$A^{-1}\mathbf{x}=\frac{1}{\lambda}\mathbf{x}$$
O que muda e o que não mudaEm ambas as propriedades o autovetor é o mesmo — quem se transforma é o autovalor. Note ainda que a segunda só faz sentido com \(\lambda\ne0\), mas isso já está garantido: se algum \(\lambda\) fosse zero, o determinante seria zero e \(A^{-1}\) nem existiria.
A6 · 10

Base de autovetores e \(A^k\mathbf{v}\)

Muitas matrizes \(A\) quadradas possuem \(n\) autovetores \(\mathbf{x}_i\) L.I. Nesse caso, podemos definir qualquer vetor \(\mathbf{v}\in\mathbb{R}^n\) como uma combinação linear dos autovetores — isto é, usar os autovetores como base:

Definição $$\mathbf{v}=c_1\mathbf{x}_1+\dots+c_n\mathbf{x}_n$$

Os \(c_i\) são as coordenadas de \(\mathbf{v}\) nessa base — não são autovalores.

Derivação · slide

Quando multiplicamos a matriz \(A\) por esse vetor \(\mathbf{v}\), cada parcela vira um \(A\mathbf{x}_i=\lambda_i\mathbf{x}_i\):

$$A\mathbf{v}=A(c_1\mathbf{x}_1+\dots+c_n\mathbf{x}_n)$$ $$A\mathbf{v}=c_1\lambda_1\mathbf{x}_1+\dots+c_n\lambda_n\mathbf{x}_n$$

Se multiplicamos por \(A\) mais uma vez:

$$A^2\mathbf{v}=A(c_1\lambda_1\mathbf{x}_1+\dots+c_n\lambda_n\mathbf{x}_n)$$ $$A^2\mathbf{v}=c_1\lambda_1 A\mathbf{x}_1+\dots+c_n\lambda_n A\mathbf{x}_n$$ $$A^2\mathbf{v}=c_1\lambda_1\lambda_1\mathbf{x}_1+\dots+c_n\lambda_n\lambda_n\mathbf{x}_n$$ $$A^2\mathbf{v}=c_1\lambda_1^2\mathbf{x}_1+\dots+c_n\lambda_n^2\mathbf{x}_n$$

Autovetores nos permitem multiplicar \(A^k\mathbf{v}\) muito rapidamente: em vez de \(k\) multiplicações de matriz, basta elevar \(n\) escalares à potência \(k\).

A6 · 11

Quem domina a soma quando \(k\) cresce

Vamos considerar o caso geral:

$$A^k\mathbf{v}=c_1\lambda_1^k\mathbf{x}_1+\dots+c_n\lambda_n^k\mathbf{x}_n$$
Convenção do slide

Por organização, considere os autovalores ordenados em ordem decrescente de magnitude:

$$|\lambda_1|>|\lambda_2|>\dots>|\lambda_n|$$

Suponha que \(|\lambda_1|>1\) e que existe um índice \(j\) tal que \(|\lambda_j|<1\). O que acontece quando o valor de \(k\) cresce?

Resposta · slide

Quebrando a soma no índice \(j\), em duas metades:

$$A^k\mathbf{v}=\underbrace{c_1\lambda_1^k\mathbf{x}_1+\dots+c_{j-1}\lambda_{j-1}^k\mathbf{x}_{j-1}}_{|\lambda|\,>\,1\;\Rightarrow\;\text{cresce}}$$ $$+\;\underbrace{c_j\lambda_j^k\mathbf{x}_j+\dots+c_n\lambda_n^k\mathbf{x}_n}_{|\lambda|\,<\,1\;\Rightarrow\;\text{vai a zero}}$$

Os \(j-1\) primeiros termos irão dominar a soma: os autovalores com \(|\lambda|>1\) explodem quando elevados a \(k\), enquanto os com \(|\lambda|<1\) vão a zero.

Onde isso apareceÉ essa dominância que faz o exercício a seguir sair sem calcular \(A^{100}\): os termos com \(|\lambda|<1\) somem, e sobra praticamente só o de maior magnitude. A mesma leitura volta em cadeias de Markov e no método das potências.
A6 · Exercício

Calcular \(A^{100}\mathbf{v}\)

Enunciado · slide

Seja a matriz \(A\) e o vetor \(\mathbf{v}\) abaixo. Qual o valor de \(A^{100}\mathbf{v}\)?

$$A=\begin{bmatrix}0{,}8&0{,}3\\0{,}2&0{,}7\end{bmatrix},\qquad \mathbf{v}=\begin{bmatrix}0{,}4\\0{,}6\end{bmatrix}$$
Passo 1 · autovalores e autovetores

Pelo polinômio característico:

$$\det(A-\lambda I)=\lambda^2-1{,}5\lambda+0{,}5$$

Cujas raízes são

$$\lambda_1=1 \;\longrightarrow\; \mathbf{x}_1=\begin{bmatrix}0{,}6\\0{,}4\end{bmatrix}, \qquad \lambda_2=0{,}5 \;\longrightarrow\; \mathbf{x}_2=\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}$$
Passo 2 · \(\mathbf{v}\) na base dos autovetores

Escrevemos \(\mathbf{v}\) como combinação linear de \(\mathbf{x}_1\) e \(\mathbf{x}_2\):

$$\mathbf{v}=c_1\begin{bmatrix}0{,}6\\0{,}4\end{bmatrix}+c_2\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}$$

Resolvendo o sistema, linha a linha:

$$0{,}6c_1+c_2=0{,}4$$ $$0{,}4c_1-c_2=0{,}6$$

Somando as duas equações, \(c_2\) se cancela e sobra \(c_1=1{,}0\); voltando na primeira, \(c_2=-0{,}2\):

$$\mathbf{v}=1{,}0\begin{bmatrix}0{,}6\\0{,}4\end{bmatrix}+(-0{,}2)\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}$$
Passo 3 · aplicar \(A^k\mathbf{x}=\lambda^k\mathbf{x}\)

Pela propriedade dos autovetores, cada parcela só ganha \(\lambda^{100}\):

$$A^{100}\mathbf{v}=c_1\lambda_1^{100}\mathbf{x}_1+c_2\lambda_2^{100}\mathbf{x}_2$$ $$A^{100}\mathbf{v}=1\cdot(1)^{100}\begin{bmatrix}0{,}6\\0{,}4\end{bmatrix}-0{,}2\cdot(0{,}5)^{100}\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix}$$

O segundo termo tem \((0{,}5)^{100}\approx 0\) — some. Logo:

$$A^{100}\mathbf{v}\approx 1\cdot(1)^{100}\begin{bmatrix}0{,}6\\0{,}4\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0{,}6\\0{,}4\end{bmatrix}$$

Resposta. \(A^{100}\mathbf{v}\approx[0{,}6\;\;0{,}4]^T\), sem multiplicar matriz nenhuma cem vezes.

A6 · 12

Matrizes similares (semelhantes)

Definição

Duas matrizes quadradas \(A\) e \(B\) de ordem \(n\) são ditas similares (ou semelhantes) se existir uma matriz invertível \(X\) tal que:

$$A=XBX^{-1} \qquad\text{ou}\qquad B=X^{-1}AX$$

Matrizes similares \(A\) e \(B\) possuem os mesmos autovalores:

Derivação · slide $$B\mathbf{y}=\lambda\mathbf{y} \qquad \text{(seja } \lambda \text{ autovalor de } B)$$ $$(X^{-1}AX)\mathbf{y}=\lambda\mathbf{y} \qquad \text{(aplicando } B=X^{-1}AX)$$ $$X(X^{-1}AX)\mathbf{y}=X\lambda\mathbf{y} \qquad \text{(multiplicando por } X \text{ pela esquerda)}$$

O par \(XX^{-1}\) vira \(I\) e desaparece:

$$AX\mathbf{y}=\lambda X\mathbf{y} \qquad \text{(definindo } \mathbf{x}=X\mathbf{y})$$ $$A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x} \qquad (\lambda \text{ também é autovalor de } A)$$
O que a derivação não dizOs autovalores são os mesmos; os autovetores não. A própria conta mostra a tradução entre eles: \(\mathbf{x}=X\mathbf{y}\). Autovetor de \(B\) vira autovetor de \(A\) depois de passar por \(X\).
A6 · 13

Decomposição espectral (diagonalização)

Definição

A decomposição espectral de uma matriz quadrada \(A\) consiste em encontrar uma matriz diagonal \(\Lambda\) que seja similar a \(A\). Ou seja, decompor \(A\) em duas matrizes \(\Lambda\) e \(X\) tais que:

$$A=X\Lambda X^{-1}$$

Se \(A\) tem \(n\) autovetores L.I., então podemos realizar essa decomposição:

  • \(\Lambda\) (diagonal): contém os autovalores \((\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n)\) de \(A\) na diagonal principal;
  • \(X\) (invertível): contém os autovetores \((\mathbf{x}_1,\mathbf{x}_2,\dots,\mathbf{x}_n)\) de \(A\) nas suas colunas.
Exemplo · slide

No caso \(2\times2\):

$$A=\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{bmatrix},\qquad \Lambda=\begin{bmatrix}\lambda_1&0\\0&\lambda_2\end{bmatrix},\qquad X=\begin{bmatrix}\mathbf{x}_1&\mathbf{x}_2\end{bmatrix}$$
A ordem tem que baterA \(i\)-ésima coluna de \(X\) precisa ser o autovetor do \(i\)-ésimo elemento da diagonal de \(\Lambda\). Trocar a ordem de um sem trocar do outro quebra a igualdade. E note a condição: são precisos \(n\) autovetores L.I. — sem eles \(X\) não é invertível e a matriz não é diagonalizável.
A6 · 14

Por que \(A=X\Lambda X^{-1}\)

Vamos mostrar que, se \(A\) tem \(n\) autovetores L.I., então a diagonalização com decomposição espectral é possível. A conta é multiplicar \(A\) pela matriz \(X\) dos autovetores e ler o resultado de duas formas.

Derivação · slide

Multiplicar \(A\) por \(X\) é multiplicar \(A\) por cada coluna, uma de cada vez — e cada coluna é um autovetor:

$$A\begin{bmatrix}|&&|\\ \mathbf{x}_1&\dots&\mathbf{x}_n\\ |&&|\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}|&&|\\ A\mathbf{x}_1&\dots&A\mathbf{x}_n\\ |&&|\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}|&&|\\ \lambda_1\mathbf{x}_1&\dots&\lambda_n\mathbf{x}_n\\ |&&|\end{bmatrix}$$

Escalar cada coluna por um número é exatamente o que uma matriz diagonal faz quando multiplica pela direita:

$$=\begin{bmatrix}|&&|\\ \mathbf{x}_1&\dots&\mathbf{x}_n\\ |&&|\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\ &\ddots&\\ &&\lambda_n\end{bmatrix}$$

Ou seja, os dois lados são \(X\) e \(X\Lambda\):

$$AX=X\Lambda$$ $$AXX^{-1}=X\Lambda X^{-1} \qquad (X \text{ é invertível!})$$ $$A=X\Lambda X^{-1}$$
Onde entra a hipóteseA penúltima linha só existe porque \(X^{-1}\) existe — e \(X\) só é invertível porque os \(n\) autovetores são L.I. Toda a decomposição pendura nessa única condição.
A6 · 15

Potenciação rápida com a decomposição

A decomposição espectral \(A=X\Lambda X^{-1}\) é útil para calcular potências de matrizes \(A^k\) muito rapidamente.

Derivação · slide

Por exemplo, para calcular \(A^2\):

$$A^2=AA$$ $$A^2=(X\Lambda X^{-1})(X\Lambda X^{-1})$$

O \(X^{-1}X\) do meio vira \(I\):

$$A^2=(X\Lambda\Lambda X^{-1})$$ $$A^2=(X\Lambda^2 X^{-1})$$
Caso geral $$A^k=X\Lambda^k X^{-1}$$

E \(\Lambda^k\) é barato: matriz diagonal elevada a \(k\) é cada elemento da diagonal elevado a \(k\). Assim

$$A^{100}=X\Lambda^{100}X^{-1}$$

custa uma decomposição, \(n\) potências de escalar e dois produtos de matriz.

A6 · 16

Outras aplicações da decomposição espectral

Além da potenciação rápida de matrizes, a decomposição espectral \(A=X\Lambda X^{-1}\) possui aplicações em:

  • cálculo do N-ésimo número de Fibonacci;
  • comportamento de Equações Diferenciais Ordinárias (EDOs);
  • Linear Discriminant Analysis (Ciência de Dados);
  • cadeias de Markov;
  • …
A6 · 17

Algoritmo da decomposição espectral

Em resumo, o seguinte algoritmo pode ser aplicado para obter a decomposição espectral \(A=X\Lambda X^{-1}\) de uma matriz quadrada \(A\):

Receita · slide
  1. Encontre o polinômio característico \(\det(A-\lambda I)=0\).
  2. Determine todos os autovalores \(\lambda_i\).
  3. Para cada \(\lambda_i\), encontre seu autovetor associado \(\mathbf{x}_i\).
  4. Se houver \(n\) autovetores L.I., monte \(X\) com os autovetores e \(\Lambda\) com os autovalores.

Os quatro passos são, na ordem, os tópicos 05, 06, 07 e 13 deste resumo.

Revisão

Checklist da A6

Se você consegue responder tudo abaixo sem consultar, a aula está fechada.

PerguntaOnde está
Dizer o que muda em \(\mathbf{x}\) quando \(A\mathbf{x}\) não é autovetor, e quando éExemplo 1 · Exemplo 2
Enunciar \(A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}\) e a restrição sobre \(\mathbf{x}\)Autovalor e autovetor
Chegar de \(A\mathbf{x}=\lambda\mathbf{x}\) até \(\det(A-\lambda I)=0\) e justificar a singularidadeEquação característica
Montar \(A-\lambda I\) e obter o polinômio característicoPolinômio característico
Achar os autovalores de \(\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\)Calculando os autovalores
Resolver \((A-\lambda_i I)\mathbf{x}=\mathbf{0}\) para cada autovalorCalculando os autovetores
Usar traço e determinante para conferir (ou achar) os autovaloresPropriedades dos autovalores
Demonstrar \(A^k\mathbf{x}=\lambda^k\mathbf{x}\) e \(A^{-1}\mathbf{x}=\tfrac{1}{\lambda}\mathbf{x}\)Propriedades dos autovetores
Escrever \(\mathbf{v}\) na base de autovetores e aplicar \(A^k\) parcela a parcelaBase de autovetores e \(A^k\mathbf{v}\)
Dizer quais termos dominam \(A^k\mathbf{v}\) quando \(k\) cresceQuem domina quando \(k\) cresce
Calcular \(A^{100}\mathbf{v}\) nos três passos, sem multiplicar matrizExercício
Provar que matrizes similares têm os mesmos autovaloresMatrizes similares
Montar \(X\) e \(\Lambda\) a partir dos autovetores e autovaloresDecomposição espectral
Deduzir \(A=X\Lambda X^{-1}\) a partir de \(AX=X\Lambda\)Por que \(A=X\Lambda X^{-1}\)
Mostrar \(A^k=X\Lambda^k X^{-1}\) e dizer por que isso é baratoPotenciação rápida
Recitar os quatro passos do algoritmo da decomposiçãoAlgoritmo da decomposição