Lineer Cebir · 6. Ünite: Özdeğerler ve Özvektörler (Eigenvalues & Eigenvectors)

Karmaşık (Complex) Özdeğerler

Gerçek katsayılı bir matrisin karakteristik polinomu gerçek kök taşımak zorunda değildir: dönme gibi bir dönüşümün hiçbir özvektörü gerçek doğrultuda kalmaz. Bu bölümde gerçek matrislerin karmaşık özdeğerlerinin eşlenik çiftler hâlinde geldiğini kanıtlayacak, $\lambda=a\pm bi$ özdeğerinin geometrik olarak $|\lambda|$ kadar ölçekleme ve $\arg\lambda$ kadar dönme anlamına geldiğini $A=PCP^{-1}$ gerçek kanonik biçimiyle göstereceğiz; yörüngelerin spiral, elips ya da kararlı/kararsız davranışını özdeğerlerden okuyacağız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Hiçbir Özvektörü Olmayan Dönüşüm

  2. Karmaşık Sayılar ve Eşlenik Çiftler

  3. Gerçek Kanonik Biçim: Döndürme–Ölçekleme

  4. Çözümlü Örnekler

  5. Spiral Davranış ve Kararlılık

  6. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  7. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Karmaşık özdeğer (complex eigenvalue)
Gerçek matrisin karakteristik polinomunun gerçek olmayan kökü $\lambda=a+bi$ ($b\neq0$); gerçek vektör uzayında hiçbir doğrultuyu sabit tutmaz, düzlemde dönme içerir.
Eşlenik çifti (conjugate pair)
Gerçek katsayılı bir polinomun karmaşık kökleri $\lambda$ ve $\bar\lambda=a-bi$ her zaman birlikte gelir; özvektörleri de birbirinin eşleniğidir.
Gerçek kanonik biçim (real canonical form)
$A=PCP^{-1}$, $C=\begin{bmatrix}a&-b\\b&a\end{bmatrix}$; $P$ sütunları özvektörün gerçek ve sanal kısımlarıdır ve $C$ dönme-ölçekleme matrisidir.
Ölçekleme çarpanı (scaling factor)
$r=|\lambda|=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{\det A}$; her adımda vektörlerin uzunluğunun kaç kat değiştiğini söyler.
Dönme açısı (rotation angle)
$\varphi=\arg\lambda=\text{atan2}(b,a)$; ayrık sistemde her adımda yörüngenin $\{\vec{p},\vec{q}\}$ tabanındaki dönme miktarı.
Spiral çukur / kaynak (spiral sink / source)
Yörüngelerin orijine yaklaştığı ($r<1$ ya da $a<0$) ya da orijinden uzaklaştığı ($r>1$ ya da $a>0$) karmaşık özdeğerli denge noktası.
Merkez (center)
$r=1$ (ayrık) ya da $a=0$ (sürekli) olduğunda orijin etrafındaki kapalı, elips biçimli yörüngeler.
Kararlılık bölgesi (stability region)
Ayrık sistemde birim çemberin içi ($|\lambda|<1$), sürekli sistemde sol yarı düzlem ($\text{Re}\,\lambda<0$).

Örnek soru

Gerçek girişli bir $2\times2$ matrisin özdeğerlerinden biri $3-2i$ ise diğer özdeğer aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $-3+2i$
  2. $3+2i$
  3. $-3-2i$
  4. $2+3i$
  5. $3$

Doğru cevap: B

Çözüm

Cevap: $3+2i$
1. Gerçek katsayılı karakteristik polinomun karmaşık kökleri eşlenik çifti olarak gelir: $p(\bar\lambda)=\overline{p(\lambda)}=0$.
2. $\lambda=3-2i$ ise eşleniği $\bar\lambda=3+2i$ olur. $2\times2$ matrisin yalnızca iki özdeğeri vardır, dolayısıyla diğeri tam olarak budur.
3. Kontrol: iz $=6$, determinant $=9+4=13$ gerçek sayılardır; çarpım $(3-2i)(3+2i)=13$.
Çeldiriciler: $-3+2i$ ve $-3-2i$ işaretleri yanlış çevirir; $3$ ise gerçek bir özdeğerin varlığını varsayar, oysa karmaşık özdeğer tek başına gelemez.

Lineer Cebir: tüm konular