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Calcolatore di autovalori

Inserisci una matrice quadrata fino a 6 × 6 e ottieni autovalori e autovettori, il polinomio caratteristico, i controlli di traccia e determinante e la diagonalizzazione A = PDP⁻¹ quando esiste. Gli autovalori escono in forma esatta — come frazioni, radicali o numeri complessi — ogni volta che il polinomio lo consente, e numericamente altrimenti. Gratuito, senza registrazione, e tutto funziona nel tuo browser.

Matrice A

Numeri interi, decimali o frazioni come 3/4.

Risultati

Autovalori (ripetuti secondo la molteplicità algebrica)

λ1 = 2, λ2 = 5

7

Traccia

10

Determinante

Esatto

Metodo

No

Simmetrica?

Sì

Diagonalizzabile?

Verifica: gli autovalori sommati danno la traccia, 7, e moltiplicati danno il determinante, 10.

Polinomio caratteristico

p(λ) = det(λI − A) = λ² − tr(A)·λ + det(A) = λ² − (7)λ + (10) = λ² − 7λ + 10

p(λ) = (λ − 2)(λ − 5)

  • Teorema delle radici razionali: una radice razionale è un divisore del termine noto diviso per un divisore del coefficiente direttivo. Radici trovate: 2, 5.

Autovalori e autovettori

Ogni autovettore risolve (A − λI)v = 0. Ogni suo multiplo non nullo è anch'esso un autovettore.

λ = 2

molteplicità algebrica 1, molteplicità geometrica 1

A − λI
21
21
Autovettore
1
−2

λ = 5

molteplicità algebrica 1, molteplicità geometrica 1

A − λI
−11
2−2
Autovettore
1
1

Diagonalizzazione

Gli autovettori formano le colonne di P, e A = P D P⁻¹ con D la matrice diagonale degli autovalori.

P =
11
−21
D =
20
05

Come usare il calcolatore di autovalori

  1. 1. Scegli la dimensione. Scegli n da 2 a 6 e compila la matrice n × n. Frazioni come 3/4 e decimali vengono letti esattamente.
  2. 2. Leggi gli autovalori. Sono elencati con le ripetizioni secondo la molteplicità algebrica, accanto a traccia e determinante come verifica rapida: gli autovalori sommati danno la traccia e moltiplicati danno il determinante.
  3. 3. Segui il polinomio caratteristico. Il calcolatore scrive p(λ) = det(λI − A), estrae le radici razionali e risolve ciò che resta con la formula quadratica.
  4. 4. Controlla gli autovettori. Per ciascun autovalore vedi A − λI e una base del suo autospazio, più P e D quando A è diagonalizzabile sui razionali.

Che cosa sono autovalori e autovettori

Un autovettore di una matrice quadrata A è un vettore v non nullo che A si limita ad allungare, senza mai ruotarlo: Av = λv. Lo scalare λ è l'autovalore. Riordinando, (A − λI)v = 0 ha una soluzione non nulla solo quando A − λI è singolare, cioè esattamente quando det(A − λI) = 0. Questa equazione è l'equazione caratteristica, e il polinomio è il polinomio caratteristico. Il calcolatore usa la forma monica det(λI − A), che differisce da det(A − λI) solo per il fattore (−1)ⁿ e ha le stesse radici.

TermineSignificato
Molteplicità algebricaQuante volte λ è radice del polinomio caratteristico
Molteplicità geometricaLa dimensione dell'autospazio: quanti autovettori indipendenti ha λ
DiagonalizzabileA ha n autovettori indipendenti, quindi A = PDP⁻¹; questo richiede molteplicità geometrica uguale a quella algebrica per ogni autovalore
DifettivaQualche autovalore ha molteplicità geometrica inferiore a quella algebrica

La molteplicità geometrica non è mai maggiore di quella algebrica. Le matrici reali simmetriche sono sempre diagonalizzabili, con autovalori reali.

Risposte esatte e risposte numeriche

Il polinomio caratteristico è calcolato esattamente, quindi non c'è arrotondamento. Le radici razionali si trovano con il teorema delle radici razionali e si dividono via. Se resta un'equazione di secondo grado, la formula quadratica dà in forma chiusa i due autovalori rimanenti, anche complessi, e gli autovettori si risolvono esattamente nello stesso sistema numerico. Questo copre ogni matrice 2 × 2, ogni matrice 3 × 3 il cui polinomio caratteristico ha una radice razionale e le matrici più grandi che si spezzano in radici razionali più un'equazione di secondo grado.

Quando il polinomio non si fattorizza così — un cubico irriducibile, o un quartico con radici irrazionali — il calcolatore passa all'algoritmo QR in doppia precisione. Riduce la matrice a forma di Hessenberg, applica passi QR con shift finché la sottodiagonale si annulla, e trova gli autovettori per iterazione inversa. Aspettati circa dieci cifre corrette per una matrice ben condizionata. Un autovalore la cui parte immaginaria è inferiore a 10⁻⁹ della sua dimensione è mostrato come reale, e la pagina indica quale metodo ha usato.

Esempi svolti

A = [4 1; 2 3]. La traccia è 7 e il determinante 10, quindi p(λ) = λ² − 7λ + 10 = (λ − 2)(λ − 5). Per λ = 2 l'autovettore è (1, −2), e per λ = 5 è (1, 1). Allora P ha colonne (1, −2) e (1, 1), D = diag(2, 5), e A = PDP⁻¹.

A = [1 1; 1 0] (la matrice di Fibonacci). Qui p(λ) = λ² − λ − 1 ha discriminante 5 e nessuna radice razionale, quindi gli autovalori sono (1 + √5)/2 ≈ 1,618034 — il rapporto aureo — e (1 − √5)/2 ≈ −0,618034, con autovettore ((1 + √5)/2, 1) per il primo.

A = [0 −1; 1 0], una rotazione di 90°, ha p(λ) = λ² + 1, quindi i suoi autovalori sono i e −i: nessun vettore reale mantiene la sua direzione. La matrice di permutazione ciclica con righe (0, 1, 0), (0, 0, 1), (1, 0, 0) ha p(λ) = λ³ − 1 = (λ − 1)(λ² + λ + 1), quindi i suoi autovalori sono 1 e le radici cubiche complesse dell'unità (−1 ± i√3)/2. A = [2 1; 0 2] ha λ = 2 con molteplicità algebrica 2 ma una sola direzione di autovettore, quindi è difettiva e non è diagonalizzabile.

La matrice tridiagonale 4 × 4 con 2 sulla diagonale e −1 accanto ha uno spettro irrazionale, quindi viene calcolata numericamente: i suoi autovalori sono 0,381966, 1,381966, 2,618034 e 3,618034, che coincidono con 2 − 2cos(kπ/5) per k da 1 a 4.

Domande frequenti

Come si trovano gli autovalori di una matrice 2×2?
Calcola la traccia e il determinante, scrivi λ² − (traccia)λ + (determinante) = 0 e risolvila. Per [4 1; 2 3] è λ² − 7λ + 10 = 0, quindi λ = 2 e λ = 5. Se il discriminante è negativo, gli autovalori sono complessi coniugati.
Come si trovano gli autovettori una volta noti gli autovalori?
Per ogni autovalore λ, risolvi (A − λI)v = 0, di solito con la riduzione per righe. Le soluzioni formano l'autospazio; ogni vettore non nullo al suo interno è un autovettore, quindi gli autovettori sono definiti solo a meno di un multiplo scalare.
Una matrice reale può avere autovalori complessi?
Sì. Gli autovalori complessi di una matrice reale compaiono in coppie coniugate. Una rotazione del piano di un angolo diverso da 0° o 180° non ha autovettori reali, quindi i suoi autovalori sono complessi.
Che cosa significa se un autovalore è 0?
La matrice è singolare: det A = 0 perché il determinante è il prodotto degli autovalori, e gli autovettori relativi a 0 sono le soluzioni non nulle di Ax = 0. La molteplicità di 0 indica quanto spazio la matrice comprime.
Quando una matrice è diagonalizzabile?
Quando ha n autovettori linearmente indipendenti. Autovalori distinti lo garantiscono, e lo garantisce anche una matrice reale simmetrica. Un autovalore ripetuto può impedirlo se il suo autospazio è troppo piccolo, come in [2 1; 0 2].
Perché alcuni autovalori sono mostrati come decimali?
Per le matrici 5 × 5 e 6 × 6, e per i cubici senza radice razionale, non esiste una formula radicale che questo strumento applichi, quindi usa l'algoritmo QR. Questi valori sono accurati a circa dieci cifre; il polinomio caratteristico mostrato accanto è comunque esatto.

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