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Aufgabe:


$$\begin{pmatrix} -2 & 2 &-3 \\ 2 & 1 & -6\\ -1 & 2 & 0 \\\end{pmatrix}$$

Problem/Ansatz:

Könnt ihr mir bitte helfen bei dieser Aufgabe die Eigenwerte und die dazugehörigen Eigenvektoren zu berechen.

Habe alles versucht : Zeilen umgeformt bzw. die Determinante von der Originalmatrix genommen, aber komm da nicht weiter

Ich frage mich auch, ob man die Eigenwerte, die man z.B. von der umgeformten Matrix raus hat, man in die Original-Matrix(bevor sie umgeformt wurde) einsetzen kann.

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2 Antworten

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Hallo :-)

Du scheinst das Prinzip von Eigenwerten bzw. Eigenvektoren nicht verstanden zu haben.

Eigenwerte und Eigenvektoren spielen immer zusammen. Diese werden für Endomorphismen definiert, also lineare Abbildungen von der Form $$ f:\ V\to V. $$

Hier hast du eine Matrix \(A\in \mathbb{R}^{n,n}\) noch dazu gegeben mit einer linearen Abbildung von der Form $$ g: \mathbb{R}^n\to \mathbb{R}^n, \ v\mapsto A\cdot v. $$

Eigenwerte bzw. Eigenvektoren eines Endomorphismuses (siehe in eurer Definition nach) erfüllen stets diese Eigenschaft: \(f(v)=\lambda\cdot v\) und bei einer Matrix also \(g(v)=A\cdot v=\lambda\cdot v\).

Jetzt suchst du von deinem Endomorphismus

$$ m: \ \mathbb{R}^3\to \mathbb{R}^3, \ \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2\\ x_3 \\\end{pmatrix} \mapsto \begin{pmatrix} -2 & 2 &-3 \\ 2 & 1 & -6\\ -1 & 2 & 0 \\\end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2\\ x_3 \\\end{pmatrix} $$

die Eigenwerte und Eigenvektoren.

Betrachten wir nochmal diese Gleichung: \(A\cdot v=\lambda\cdot v\). Damit kann man durch folgende Äquivalenzumformungen folgende neue Aussage erhalten:

$$\begin{aligned} &A\cdot v=\lambda\cdot v\\\Leftrightarrow &A\cdot v-\lambda\cdot v=0 \\\Leftrightarrow &(A-\lambda \cdot I_n)\cdot v=0\quad \Big(\Leftrightarrow v\in \operatorname{Ker}(A-\lambda\cdot I_n)\Big)\\\stackrel{v\neq 0}{\Leftrightarrow} &(A-\lambda\cdot I_n)\text{  hat nicht vollen Rang}\\\Leftrightarrow &\underbrace{\det(A-\lambda\cdot I_n)}_{\text{char. Polynom}}=0\end{aligned} $$

Anstelle nun das aufwendige LGS \(A\cdot v=\lambda\cdot v\) zu lösen, musst du nur noch alle \(\lambda\in \mathbb{R}\) finden, sodass \(\det(A-\lambda\cdot I_n)=0\) gilt. Und das schreit nach Nullstellen!

Dann musst du nur noch zu jedem Eigenwert \(\lambda\) das LGS \((A-\lambda\cdot I_n)\cdot v=0\) lösen.

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Ich habe das eingesetzt und kriege das leider nicht hin. Versuche mich schon seit Tagen daran..

Bitte sage doch mal genau, wo du scheiterst.

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Aloha :)

Wir brauchen zuerst das charakteristische Polynom.

Die Determinante ändert sich nicht, wenn man eine Reihe zu einer anderen addiert oder subtrahiert. Wir subtrahieren Zeile 3 von Zeile 1 und entwickeln dann nach der ersten Zeile:$$0\stackrel!=\left|\begin{array}{rrr}-2-\lambda & 2 & -3\\2 & 1-\lambda & -6\\-1 & 2 & -\lambda\end{array}\right|=\left|\begin{array}{rrr}-1-\lambda & 0 & \lambda-3\\2 & 1-\lambda & -6\\-1 & 2 & -\lambda\end{array}\right|$$$$\phantom{0}=(-1-\lambda)(\lambda^2-\lambda+12)+(\lambda-3)(4+1-\lambda)$$$$\phantom{0}=-(\lambda^2-\lambda+12+\lambda^3-\lambda^2+12\lambda)+(5\lambda-\lambda^2-15+3\lambda)$$$$\phantom{0}=-\lambda^3-\lambda^2-3\lambda-27=-(\lambda+3)(\lambda^2-2\lambda+9)$$Der quadratische Term wird in \(\R\) nie Null, daher gibt es einen reellen Eigenwert \(\lambda=-3\).

Den zugehörigen Eigenvektor erhältst du durch Einsetzen von \(\lambda=-3\) in die Matrix der Determinante und Bestimmung des Kerns dieser Matrix. Wir kösen also das Gleichungssystem:

$$\begin{array}{rrr|l|l}x_1 & x_2 & x_3 & = & \text{Aktion}\\\hline1 & 2 & -3 & 0\\2 & 4 & -6 & 0 & -2\cdot\text{Zeile 1}\\-1 & 2 & 3 & 0 & +\text{Zeile 1}\\\hline1 & 2 & -3 & 0 & -\frac12\cdot\text{Zeile 3}\\0 & 0 & 0 & 0 & \\0 & 4 & 0 & 0 & \colon4\\\hline1 & 0 & -3 & 0 & \Rightarrow x_1-3x_3=0\\0 & 0 & 0 & 0 & \\0 & 1 & 0 & 0 &\Rightarrow x_2=0\\\hline\hline\end{array}$$Wegen \(x_1=3x_3\) und \(x_2=0\) haben wir als Lösungen:

$$\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3x_3\\0\\x_3\end{pmatrix}=x_3\begin{pmatrix}3\\0\\1\end{pmatrix}$$Ein EV zum EW \((-3)\) ist also \((3;0;1)^T\).

In \(\mathbb C\) gibt es noch zwei weitere Eigenwerte und Eigenvektoren, da dann der quadratische Term in dem charakteristischen Polynom zwei Lösungen hat.

Avatar von 148 k 🚀

Vielen Dank.

Ist der Weg zu dieser anderen Aufgabe richtig?

$$\begin{pmatrix} -2 & 2 & -3 \\ 2 & 1 & -6 \\ -1 &-2 &0  \end{pmatrix}$$
$$det\begin{pmatrix} -2-λ & 2 & -3 \\ 2 & 1-λ & -6 \\ -1 &-2 &0-λ  \end{pmatrix}$$
=(-2-λ)*(1-λ)*(-λ)+2*(-6)*(-1)+2*(-2)*(-3)-2*2*(-λ)-(-1)*(1-λ)*(-3)-(-2)*(-6)*(-2-λ)

= (-2-λ)*(1-λ)*(-λ)+ 12 -12 + 4λ -3(1-λ)-12(-2-λ)

= (-2-λ)*(1-λ)*(-λ) +4λ -3 +3λ +24 + 12λ

= (-2-λ)*(1-λ)*(-λ) +19λ+21


Was habe ich da genau falsch gemacht?

Und gibt vielleicht ein einfacheren Weg?

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