Przejdź do treści
Ulubione

Kalkulator wartości własnych i wektorów własnych macierzy 2×2

Zaktualizowano:

Wprowadź cztery elementy macierzy 2×2, aby otrzymać jej wartości własne i wektory własne, a także wyznacznik, ślad i wielomian charakterystyczny wraz z pełnym rozwiązaniem krok po kroku.

2×2 Matrix Eigenvalues and Eigenvectors Solver

Pola danych
a11
Element macierzy w wierszu 1, kolumnie 1
a12
Element macierzy w wierszu 1, kolumnie 2
a21
Element macierzy w wierszu 2, kolumnie 1
a22
Element macierzy w wierszu 2, kolumnie 2
Po włączeniu wynik aktualizuje się automatycznie po zmianie dowolnej wartości.

Eigenvalues and Eigenvectors Formula for 2×2 Matrix

Wzór
\[ \det(A - \lambda I) = 0 \\ (A - \lambda I)\vec{v} = \vec{0} \\ \det\begin{bmatrix} a - \lambda & b \\ c & d - \lambda \end{bmatrix} = (a-\lambda)(d-\lambda) - bc = 0 \\ \lambda_{1,2} = \frac{\operatorname{tr}(A) \pm \sqrt{\operatorname{tr}(A)^2 - 4\det(A)}}{2} \]

Gdzie:

  • \( A = \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} \) — macierz 2×2
  • \( \lambda \) — wartości własne (pierwiastki równania charakterystycznego)
  • \( \vec{v} \) — odpowiadające im wektory własne, wyznaczane przez rozwiązanie układu \( (A - \lambda I)\vec{v} = \vec{0} \)
  • \( \operatorname{tr}(A) = a + d \) — ślad macierzy, a \( \det(A) = ad - bc \) — wyznacznik

Pierwsze równanie definiuje wielomian charakterystyczny \( \lambda^2 - \operatorname{tr}(A)\lambda + \det(A) = 0 \). Jego rozwiązanie (zwykłego równania kwadratowego) daje obie wartości własne, a każda wartość własna pozwala następnie wyznaczyć wektor własny z układu jednorodnego \( (A - \lambda I)\vec{v} = \vec{0} \).

Eigenvalues and Eigenvectors 2×2 – Calculation Example

Przykład: znajdź wartości własne i wektory własne macierzy

\[ A = \begin{bmatrix} 4 & 2 \\ 1 & 3 \end{bmatrix} \]

Krok 1 — ślad i wyznacznik: \( \operatorname{tr}(A) = 4 + 3 = 7 \), \( \det(A) = 4 \cdot 3 - 2 \cdot 1 = 10 \).

Krok 2 — równanie charakterystyczne: \( \lambda^2 - 7\lambda + 10 = 0 \).

\[ \lambda_{1,2} = \frac{7 \pm \sqrt{49 - 40}}{2} = \frac{7 \pm 3}{2} \]

Krok 3 — wartości własne: \( \lambda_1 = 5 \), \( \lambda_2 = 2 \).

Krok 4 — wektory własne z układu \( (A - \lambda I)\vec{v} = \vec{0} \). Dla \( \lambda_1 = 5 \): \( (4-5)x_1 + 2x_2 = 0 \), więc \( x_2 = 0{,}5x_1 \) oraz \( \vec{v}_1 = (1,\ 0{,}5) \). Dla \( \lambda_2 = 2 \): \( (4-2)x_1 + 2x_2 = 0 \), więc \( x_2 = -x_1 \) oraz \( \vec{v}_2 = (1,\ -1) \).

Wynik: \( \lambda_1 = 5 \) z wektorem własnym \( (1,\ 0{,}5) \); \( \lambda_2 = 2 \) z wektorem własnym \( (1,\ -1) \). Sprawdzenie: \( A\vec{v}_1 = (5,\ 2{,}5) = 5\vec{v}_1 \) oraz \( A\vec{v}_2 = (2,\ -2) = 2\vec{v}_2 \).

Jak korzystać z kalkulatora wartości własnych

  1. Wprowadź element a₁₁ (wiersz 1, kolumna 1). Wartość domyślna to 4.
  2. Wprowadź a₁₂ (wiersz 1, kolumna 2). Wartość domyślna to 2.
  3. Wprowadź a₂₁ (wiersz 2, kolumna 1). Wartość domyślna to 1.
  4. Wprowadź a₂₂ (wiersz 2, kolumna 2). Wartość domyślna to 3.
  5. Odczytaj wyniki: wyznacznik |A|, ślad, macierz \( A - cI \), wielomian charakterystyczny, obie wartości własne oraz wektor własny dla każdej wartości własnej.

Czym są wartości własne i wektory własne?

Wektorem własnym macierzy \( A \) nazywamy niezerowy wektor, który nie zmienia kierunku pod działaniem macierzy — jest jedynie rozciągany lub ściskany. Współczynnik tego rozciągania to wartość własna \( \lambda \). Formalnie, \( \vec{v} \) jest wektorem własnym, jeśli spełnia równanie

\[ A\vec{v} = \lambda\vec{v} \]

Geometrycznie macierz 2×2 przekształca płaszczyznę: obraca, rozciąga i ścina wektory. Większość wektorów po przekształceniu wskazuje nowy kierunek, ale co najwyżej dwa szczególne kierunki przetrwają transformację bez zmiany (poza przeskalowaniem). Te kierunki to wektory własne, a ich współczynniki skalowania to wartości własne. Dlatego rozkład na wartości własne odsłania „istotne

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *