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行列の対角化の計算方法

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行列の対角化の意味と計算方法

与えられた正方行列Aに対して、正則行列Pをうまく取ってきてP1APを対角行列にする操作を対角化と言う。

対角化の条件&計算方法

An×n行列とし、Aの固有値と固有ベクトルをλi,xi(i=1,n)とします。

  1. 線形独立なAn本の固有ベクトルを取ってこれるとき,Aは対角化可能である。
  2. 対角化に用いる行列として,固有ベクトルを並べた行列 P=(x1,x2,xn)が使える。
  3. 得られる対角化行列Dの対角成分はAの固有値である。

Aの固有ベクトルx1,x2,xnが線形独立なとき,Pは正則であり,P1が存在する。このとき,P1APを計算する。
まず,固有値,固有ベクトルの定義より,
AP=A(x1,x2,xn)=(λ1x1,λ2x2,λnxn)
また,P1の第i行目をyi(横ベクトル)とおくと,
P1=(y1y2...yn)であり,逆行列の定義より内積yixiijが等しいとき1,そうでないとき0になる。
よって,P1AP=(y1y2...yn)(λ1x1,λ2x2,λnxn)=D

(ただし,Dは第ii成分がλiである対角行列)となる。

対角行列の具体例

実際に2×2行列を対角化してみます。

A=(3122)を対角化せよ。

解答

固有値、固有ベクトルの求め方は こちら

固有値1に対応する固有ベクトル(12),

固有値4に対応する固有ベクトル(11)

P=(1121),D=(1004)とおくと,

P1AP=D

投稿日:20201020
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