Diagonalisierbare Matrix

Als diagonalisierbare Matrix bezeichnet man im mathematischen Teilgebiet der linearen Algebra eine quadratische Matrix, die ähnlich zu einer Diagonalmatrix ist. Sie lässt sich mittels eines Basiswechsels (also der Konjugation mit einer regulären Matrix) in eine Diagonalmatrix transformieren.<ref>Uwe Storch, Hartmut Wiebe: Lehrbuch der Mathematik, Band 2: Lineare Algebra. BI-Wissenschafts-Verlag, Mannheim u. a. 1990, ISBN 3-411-14101-8.</ref> Das Konzept lässt sich auf Endomorphismen übertragen.

Definition

Eine quadratische <math>n\!\times\!n\!\ </math>-Matrix <math>A</math> über einem Körper <math>K</math> heißt diagonalisierbar oder diagonalähnlich, wenn es eine Diagonalmatrix <math>D_A \in K^{n\times n}</math> gibt, zu der sie ähnlich ist, d. h., zu der eine reguläre Matrix <math>S \in K^{n\times n}</math> existiert mit <math>D_A = S^{-1}AS.</math>

Ein Endomorphismus <math>f\colon\, V\to V</math> eines endlichdimensionalen Vektorraumes <math>V</math> heißt diagonalisierbar, falls eine Basis <math>B</math> von <math>V</math> existiert, bezüglich der die Abbildungsmatrix <math>M^B_B(f)</math> eine Diagonalmatrix ist. Die Basis <math>B</math> besteht dann aus Eigenvektoren von <math>f</math>.

Orthogonal bzw. unitär diagonalisierbare Matrix

Eine Matrix <math>A \in \mathbb{R}^{n\times n}</math> heißt orthogonal diagonalisierbar, wenn eine orthogonale Matrix <math>S \in \mathbb{R}^{n\times n}</math> existiert, sodass <math>S^{-1}AS = S^\mathsf{T}AS</math> eine Diagonalmatrix ist, wobei <math>S^\mathsf{T}</math> die zu <math>S</math> transponierte Matrix bezeichnet. Das trifft genau dann zu, wenn die Matrix <math>A</math> symmetrisch ist.

Eine Matrix <math>A \in \mathbb{C}^{n\times n}</math> heißt unitär diagonalisierbar, wenn eine unitäre Matrix <math>S \in \mathbb{C}^{n\times n}</math> existiert, sodass <math>S^{-1}AS = S^\mathsf{H}AS</math> eine Diagonalmatrix ist, wobei <math>S^\mathsf{H}</math> die zu <math>S</math> adjungierte Matrix bezeichnet. Das trifft genau dann zu, wenn die Matrix <math>A</math> normal ist.

In einem endlichdimensionalen euklidischen bzw. unitären Vektorraum <math>V</math> heißt ein Endomorphismus <math>f\colon\, V\to V</math> orthogonal bzw. unitär diagonalisierbar, wenn eine Orthonormalbasis <math>B</math> von <math>V</math> existiert, sodass die Abbildungsmatrix <math>M^B_B (f)</math> eine Diagonalmatrix ist. Dieser Fall liegt genau dann vor, wenn der Endomorphismus <math>f</math> selbstadjungiert bzw. normal ist.

Weitere Charakterisierungen der Diagonalisierbarkeit

Sei <math>A</math> eine <math>n</math>-dimensionale Matrix mit Einträgen aus einem Körper <math>K</math>. Jede der folgenden sechs Bedingungen wird genau dann erfüllt, wenn <math>A</math> diagonalisierbar ist.

1. Das Minimalpolynom <math>\mu_A(\lambda)</math> zerfällt vollständig in <math>k \leq n</math> paarweise verschiedene Linearfaktoren: <math>\mu_A(\lambda) = \pm (\lambda - \lambda_1) \cdot \dots \cdot (\lambda - \lambda_k)</math> mit <math>\lambda_i \in K</math>
2. Das charakteristische Polynom <math>\chi_A(\lambda)</math> zerfällt vollständig in Linearfaktoren und die geometrische Vielfachheit entspricht der algebraischen Vielfachheit für jeden Eigenwert <math>\lambda_i \in K</math>.
3. Es gibt eine Basis für <math>K^n</math>, die aus Eigenvektoren für <math>A</math> besteht.
4. Die Summe der Dimensionen der jeweiligen Eigenräume ist gleich <math>n</math>: <math>\sum_{\lambda\in\sigma(A)}\dim(E_\lambda(A))=n</math>, wobei <math>\sigma(A)</math> das Spektrum bezeichnet.
5. <math>K^n</math> ist die direkte Summe der jeweiligen Eigenräume: <math>K^n = \bigoplus_{\lambda\in\sigma(A)}E_\lambda (A)</math>.

Ist zusätzlich <math>K</math> algebraisch abgeschlossen, ist die Aussage äquivalent zu:

6. Alle Jordanblöcke der Jordanschen Normalform <math>J_A</math> haben die Dimension 1.

Eigenschaften einer diagonalisierbaren Matrix

• Die Diagonaleinträge von <math>D_A</math> zu einer diagonalisierbaren Matrix <math>A</math> sind gerade die Eigenwerte von <math>A</math>.
• Da <math>S</math> invertierbar ist, folgt, dass <math>(Se_1,\ldots,Se_n)</math> linear unabhängig ist.
• Es ergibt sich die notwendige Bedingung, dass eine <math>n</math>-dimensionale diagonalisierbare Matrix <math>n</math> linear unabhängige Eigenvektoren haben muss. Der Raum, auf dem sie operiert, besitzt also eine Basis aus Eigenvektoren der Matrix. Diese Bedingung ist aber auch hinreichend, denn aus <math>n</math> gefundenen linear unabhängigen Eigenvektoren von <math>A</math> mit den dazugehörigen Eigenwerten lassen sich geeignete <math>D_A</math> und <math>S</math> ganz direkt konstruieren.

Das Problem reduziert sich damit auf das Auffinden von <math>n</math> linear unabhängigen Eigenvektoren von <math>A</math>.

• Eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für Diagonalisierbarkeit ist, dass das charakteristische Polynom <math>\chi_A</math> vollständig in Linearfaktoren zerfällt: So ist <math>A =\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}</math> nicht diagonalisierbar, obwohl <math>\chi_A(X) = X^2</math>. Eine hinreichende, aber nicht notwendige Bedingung für Diagonalisierbarkeit ist, dass <math>\chi_A</math> vollständig in paarweise verschiedene Linearfaktoren zerfällt: So ist <math>A =\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}</math> diagonalisierbar, obwohl <math>\chi_A(X) = (X-1)^2</math>.
• Für eine diagonalisierbare Matrix ist die geometrische Vielfachheit ihrer Eigenwerte gleich der jeweiligen algebraischen Vielfachheit. Das bedeutet, die Dimension der einzelnen Eigenräume stimmt jeweils mit der algebraischen Vielfachheit der entsprechenden Eigenwerte im charakteristischen Polynom der Matrix überein.
• Die Matrixpotenz einer diagonalisierbaren Matrix <math>A</math> lässt sich berechnen durch

<math>A^n = S\cdot D_A^n \cdot S^{-1}</math>

Die Potenz einer Diagonalmatrix erhält man durch Potenzieren der Diagonalelemente.

Diagonalisierung

Ist eine Matrix <math>A</math> diagonalisierbar, existiert eine Diagonalmatrix <math>D_A</math>, für die die Ähnlichkeitsbedingung erfüllt ist:

<math>D_A = S^{-1}AS</math>

Zur Diagonalisierung dieser Matrix berechnet man die Diagonalmatrix <math>D_A</math> und eine zugehörige Basis aus Eigenvektoren. Dies geschieht in drei Schritten:

1. Es werden die Eigenwerte <math>\lambda_i</math> der Matrix <math>A</math> bestimmt. (Einzelne Eigenwerte können dabei mehrfach vorkommen.)
2. Es werden die Eigenräume <math>E\left(\lambda_i\right)</math> zu allen Eigenwerten <math>\lambda_i</math> berechnet, also Gleichungssysteme der folgenden Form gelöst

   <math>

 ( A - \lambda_i I )  \cdot \begin{pmatrix}
 e_1 \\ \vdots \\ e_n
 \end{pmatrix} = 0

</math>.

1. Weil die geometrische Vielfachheit gleich der algebraischen Vielfachheit jedes Eigenwerts ist, kann man zu jeder maximalen Menge <math>\lambda_{i_1}=\ldots=\lambda_{i_k}</math> übereinstimmender Eigenwerte eine Basis <math>\left\{b_{i_1},\ldots,b_{i_k}\right\}</math> von <math>E\left(\lambda_{i_1}\right)=\ldots=E(\lambda_{i_k})</math> finden.
2. Nun ist die Diagonalform <math>D_A</math> der Matrix <math>A</math> bezüglich der Basis <math>B=\left\{b_1,\ldots,b_n\right\}</math>:

   <math>D_A = \operatorname{diag} (\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n)</math>

   <math>S = \left(b_1,\ldots,b_n\right)</math>

Simultane Diagonalisierung

Gelegentlich will man auch zwei Matrizen <math>A, B</math> mit derselben Transformation <math>S</math> diagonalisieren. Falls das gelingt, gilt <math> S^{-1}AS=D_1</math> und <math>S^{-1}BS=D_2 </math> und da <math>D_1</math> und <math>D_2</math> Diagonalmatrizen sind,

<math> D_1\cdot D_2 = D_2\cdot D_1 \Rightarrow B\cdot A= SD_2S^{-1}\cdot SD_1S^{-1}= SD_1D_2S^{-1}= A\cdot B </math>.

Also müssen die Endomorphismen miteinander kommutieren. In der Tat gilt auch die Umkehrung: Kommutieren zwei diagonalisierbare Endomorphismen, so können sie simultan diagonalisiert werden. In der Quantenmechanik gibt es für zwei solche Operatoren dann eine Basis aus gemeinsamen Eigenzuständen.

Beispiel

Sei <math>A=\begin{pmatrix}1&0&1\\0&2&0\\1&0&1\end{pmatrix}\in\mathbb{R}^{3\times 3}</math> die zu diagonalisierende Matrix. <math>A</math> ist sogar orthogonal diagonalisierbar, da <math>A</math> symmetrisch ist, d. h., es gilt <math>A=A^\mathsf{T}</math>.

Die Eigenwerte <math>\lambda_i</math> von <math>A</math> lassen sich durch die Nullstellen des charakteristischen Polynoms <math>\chi_A</math> bestimmen:

<math>\chi_A(\lambda) = \det(\lambda E_3-A)= \det\begin{pmatrix}\lambda-1 & 0 & -1 \\ 0 & \lambda-2 & 0 \\ -1 & 0 & \lambda-1 \end{pmatrix}=\lambda(\lambda-2)^2</math>

Also <math>\lambda_1=0, \lambda_{2}=2</math>. Der Eigenwert 2 hat algebraische Vielfachheit <math>a_{\lambda_{2}} = 2</math>, da er doppelte Nullstelle des charakteristischen Polynoms ist.

Zum Bestimmen der Eigenräume setze man die Eigenwerte in <math>E(\lambda)=\mathrm{Kern}(\lambda E_3-A)</math> ein.

Um alle <math>v\in\mathbb{R}^3</math> mit <math>(\lambda E_3-A)v=0</math> zu erhalten, fasst man die erweiterte Koeffizientenmatrix <math>\begin{pmatrix}\lambda E_3-A \mid 0\end{pmatrix}</math> als lineares Gleichungssystem mit unendlichen Lösungen auf.

Für <math>\lambda=0</math> erhält man <math>\begin{pmatrix}-A \mid 0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\begin{array}{ccc|c}-1&0&-1&0\\0&-2&0&0\\-1&0&-1&0\end{array}\end{pmatrix}</math>, mit dem gaußschen Eliminationsverfahren erhalten wir <math>\begin{pmatrix}\begin{array}{ccc|c}1&0&1&0\\0&1&0&0\\0&0&0&0\end{array}\end{pmatrix}</math> und somit als Lösungsmenge den Eigenraum:

<math>E(\lambda_1)=\left\{ \begin{pmatrix} \alpha \\ 0 \\ -\alpha\end{pmatrix} : \alpha\in\mathbb{R} \right\}=\operatorname{Lin}\begin{pmatrix}1\\0\\-1\end{pmatrix}</math>,

wobei <math>\operatorname{Lin}</math> die lineare Hülle bezeichnet.

Für <math>\lambda=2</math> erhält man <math>\begin{pmatrix}2\cdot E_3-A \mid 0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\begin{array}{ccc|c}1&0&-1&0\\0&0&0&0\\-1&0&1&0\end{array}\end{pmatrix}</math>, daraus <math>\begin{pmatrix}\begin{array}{ccc|c}1&0&-1&0\\0&0&0&0\\0&0&0&0\end{array}\end{pmatrix}</math> und somit als Lösungsmenge den Eigenraum:

<math>E(\lambda_2)=\left\{ \begin{pmatrix} \alpha \\ \beta \\ \alpha\end{pmatrix} : \alpha,\beta\in\mathbb{R} \right\}=\operatorname{Lin}\left\{\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix},\begin{pmatrix}0\\1\\0\end{pmatrix}\right\}</math>.

Die Eigenvektoren <math>v_1=\begin{pmatrix}1\\0\\-1\end{pmatrix}, v_2=\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix},v_3=\begin{pmatrix}0\\1\\0\end{pmatrix}</math> erhält man aus den Basen der Eigenräume, sie bilden eine Basis von <math>\mathbb{R}^3</math>.

Wenn man <math>v_1, v_2, v_3</math> normiert, erhält man mit <math>b_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1\\0\\-1\end{pmatrix}, b_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix},b_3=\begin{pmatrix}0\\1\\0\end{pmatrix}</math> und <math>\mathcal{B}=\left\{b_1,b_2,b_3\right\}</math> eine Orthonormalbasis, da <math>A</math> symmetrisch und die Eigenvektoren der halbeinfachen Eigenwerte orthogonal zueinander sind (in dem Fall <math>v_2 \perp v_3</math>).

Es gilt also <math>S = \left(b_1,b_2,b_3\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1&1&0\\0&0&\sqrt{2}\\-1&1&0\end{pmatrix}</math>. Daraus erhält man unter der Nutzung der Eigenschaften von Orthonormalbasen die Inverse <math>S^{-1}=S^\mathsf{T}=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix}1&0&-1\\1&0&1\\0&\sqrt{2}&0\end{pmatrix}</math>.

<math>D_A</math> bestimmt sich durch <math>D_A = \operatorname{diag} (\lambda_1, \lambda_2, \lambda_3)=\operatorname{diag}(0, 2, 2)=\begin{pmatrix}0&0&0\\0&2&0\\0&0&2\end{pmatrix}</math>.

Somit erhält man für <math>D_A = S^{-1}AS</math>

<math>\begin{pmatrix}0&0&0\\0&2&0\\0&0&2\end{pmatrix}=\frac{1}{2}\begin{pmatrix}1&0&-1\\1&0&1\\0&\sqrt{2}&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&0&1\\0&2&0\\1&0&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&1&0\\0&0&\sqrt{2}\\-1&1&0\end{pmatrix}</math>

und damit die Diagonalisierung

<math>A = S D_A S^{-1} = \frac{1}{2} \begin{pmatrix}1&1&0\\0&0&\sqrt{2}\\-1&1&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&0&0\\0&2&0\\0&0&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&0&-1\\1&0&1\\0&\sqrt{2}&0\end{pmatrix}</math>.

Siehe auch

• Jordansche Normalform
• Frobenius-Normalform

Weblinks

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Wikiversity: Vorlesung über diagonalisierbare Abbildungen – Kursmaterialien

Einzelnachweise

<references/>