Lezione 21


1 Autovalori e autovettori

Definizione. Sia f𝑓 un endomorfismo di uno spazio vettoriale di dimensione finita V𝑉 e sia pf⁢(x)subscript𝑝𝑓𝑥 il suo polinomio caratteristico. Sia λ∈K𝜆𝐾 un autovalore di f𝑓. La molteplicità (algebrica) di λ𝜆 è il più grande intero m𝑚 tale che (x−λ)msuperscript𝑥𝜆𝑚 divida pf⁢(x)subscript𝑝𝑓𝑥. La dimensione dell’autospazio Vλ=Ker⁢(f−λ)subscript𝑉𝜆Ker𝑓𝜆 è detta la molteplicità geometrica (o la nullità) di λ𝜆.

Teorema. Autovettori relativi ad autovalori distinti sono linearmente indipendenti, cioè: siano λ1,…,λrsubscript𝜆1…subscript𝜆𝑟 autovalori di un endomorfismo f𝑓, a due a due distinti, e sia visubscript𝑣𝑖 un autovettore relativo all’autovalore λisubscript𝜆𝑖, per i=1,…,r𝑖1…𝑟. Allora i vettori v1subscript𝑣1, …, vrsubscript𝑣𝑟 sono linearmente indipendenti.

Dimostrazione. Dimostriamo l’asserto per induzione su r𝑟. Se r=1𝑟1 si ha un solo autovettore v1subscript𝑣1 il quale, essendo non nullo, è linearmente indipendente. Supponiamo quindi che l’asserto sia vero per r−1𝑟1 autovettori. Consideriamo gli r𝑟 autovettori v1subscript𝑣1, …, vrsubscript𝑣𝑟 e consideriamo una loro combinazione lineare

α1⁢v1+⋯+αr−1⁢vr−1+αr⁢vr=0.subscript𝛼1subscript𝑣1⋯subscript𝛼𝑟1subscript𝑣𝑟1subscript𝛼𝑟subscript𝑣𝑟0

Applicando l’endomorfismo f𝑓, e ricordando che f⁢(vi)=λi⁢vi𝑓subscript𝑣𝑖subscript𝜆𝑖subscript𝑣𝑖, si ottiene

α1⁢λ1⁢v1+⋯+αr−1⁢λr−1⁢vr−1+αr⁢λr⁢vr=0.subscript𝛼1subscript𝜆1subscript𝑣1⋯subscript𝛼𝑟1subscript𝜆𝑟1subscript𝑣𝑟1subscript𝛼𝑟subscript𝜆𝑟subscript𝑣𝑟0

Moltiplicando la prima uguaglianza per λrsubscript𝜆𝑟 e sottraendo la seconda si ottiene

α1⁢(λr−λ1)⁢v1+⋯+αr−1⁢(λr−λr−1)⁢vr−1=0.subscript𝛼1subscript𝜆𝑟subscript𝜆1subscript𝑣1⋯subscript𝛼𝑟1subscript𝜆𝑟subscript𝜆𝑟1subscript𝑣𝑟10

Per ipotesi induttiva i vettori v1subscript𝑣1, …, vr−1subscript𝑣𝑟1 sono linearmente indipendenti, quindi si deve avere

α1⁢(λr−λ1)=α2⁢(λr−λ2)=⋯=αr−1⁢(λr−λr−1)=0.subscript𝛼1subscript𝜆𝑟subscript𝜆1subscript𝛼2subscript𝜆𝑟subscript𝜆2⋯subscript𝛼𝑟1subscript𝜆𝑟subscript𝜆𝑟10

Poiché gli autovalori λisubscript𝜆𝑖 sono a due a due distinti, si deduce che

α1=α2=⋯=αr−1=0.subscript𝛼1subscript𝛼2⋯subscript𝛼𝑟10

Sostituendo questi valori nell’equazione precedente, essa si riduce a αr⁢vr=0subscript𝛼𝑟subscript𝑣𝑟0, da cui segue αr=0subscript𝛼𝑟0. Abbiamo così dimostrato che i vettori v1subscript𝑣1, …, vrsubscript𝑣𝑟 sono linearmente indipendenti.

Le due molteplicità, algebrica e geometrica, di un autovalore di un endomorfismo soddisfano la seguente proprietà:

Teorema. Sia V𝑉 uno spazio vettoriale di dimensione finita su K𝐾 e sia f𝑓 un endomorfismo di V𝑉. Sia λ∈K𝜆𝐾 un autovalore di f𝑓 di molteplicità algebrica m𝑚. Allora si ha

dimVλ≤m,dimensionsubscript𝑉𝜆𝑚

cioè la molteplicità geometrica di un autovalore è minore o uguale della sua molteplicità algebrica.

Dimostrazione. Sia r=dimVλ𝑟dimensionsubscript𝑉𝜆 e sia v1,…,vrsubscript𝑣1…subscript𝑣𝑟 una base di Vλsubscript𝑉𝜆. Completiamo, in modo arbitrario, tale base ad una base v1,…,vr,vr+1,…,vnsubscript𝑣1…subscript𝑣𝑟subscript𝑣𝑟1…subscript𝑣𝑛 di V𝑉. Rispetto a questa base, la matrice A𝐴 di f𝑓 assume la seguente forma a blocchi

A=(λ⋅IrB0C)𝐴matrix⋅𝜆subscript𝐼𝑟𝐵0𝐶

ove Irsubscript𝐼𝑟 è la matrice identica di ordine r𝑟, B𝐵 è una matrice con r𝑟 righe e n−r𝑛𝑟 colonne e C𝐶 è una matrice quadrata di ordine n−r𝑛𝑟.

La matrice A𝐴 può dunque essere usata per calcolare il polinomio caratteristico di f𝑓, ottenendo

pf⁢(x)=det(A−x⋅I)=det((λ−x)⋅Ir)⁢det(C−x⋅I)=(λ−x)r⁢det(C−x⋅I).subscript𝑝𝑓𝑥𝐴⋅𝑥𝐼⋅𝜆𝑥subscript𝐼𝑟𝐶⋅𝑥𝐼superscript𝜆𝑥𝑟𝐶⋅𝑥𝐼

Da ciò si deduce che λ𝜆 è una radice di molteplicità ≥rabsent𝑟 del polinomio pf⁢(x)subscript𝑝𝑓𝑥, pertanto si ha m≥r=dimVλ𝑚𝑟dimensionsubscript𝑉𝜆, che è ciò che si voleva dimostrare.

Siamo ora in grado di dimostrare il seguente risultato:

Teorema. Sia f:V→V:𝑓→𝑉𝑉 un endomorfismo di uno spazio vettoriale V𝑉 di dimensione n𝑛 sul campo K𝐾. Indichiamo con λ1,λ2,…,λrsubscript𝜆1subscript𝜆2…subscript𝜆𝑟, gli autovalori di f𝑓 in K𝐾 e con m1,m2,…,mrsubscript𝑚1subscript𝑚2…subscript𝑚𝑟 le rispettive molteplicità algebriche. Allora f𝑓 è diagonalizzabile se e solo se m1+m2+⋯+mr=nsubscript𝑚1subscript𝑚2⋯subscript𝑚𝑟𝑛 e, per ogni autovalore λisubscript𝜆𝑖, la sua molteplicità geometrica coincide con la molteplicità algebrica.

Dimostrazione. Se f𝑓 è diagonalizzabile esiste una base di V𝑉 rispetto alla quale la matrice di f𝑓 è una matrice a blocchi del tipo

(λ1⋅Im10⋯00λ2⋅Im20⋮⋱⋮0⋯0λr⋅Imr)matrix⋅subscript𝜆1subscript𝐼subscript𝑚10⋯00⋅subscript𝜆2subscript𝐼subscript𝑚2missing-subexpression0⋮missing-subexpression⋱⋮0⋯0⋅subscript𝜆𝑟subscript𝐼subscript𝑚𝑟

Utilizzando questa matrice per calcolare il polinomio caratteristico di f𝑓, si trova

pf⁢(x)=(λ1−x)m1⁢(λ2−x)m2⁢⋯⁢(λr−x)mr,subscript𝑝𝑓𝑥superscriptsubscript𝜆1𝑥subscript𝑚1superscriptsubscript𝜆2𝑥subscript𝑚2⋯superscriptsubscript𝜆𝑟𝑥subscript𝑚𝑟

da cui si deduce che m1+m2+⋯+mr=deg⁡pf⁢(x)=nsubscript𝑚1subscript𝑚2⋯subscript𝑚𝑟degreesubscript𝑝𝑓𝑥𝑛. Inoltre, poiché f𝑓 è diagonalizzabile, esiste una base di V𝑉 costituita da autovettori di f𝑓, da cui segue che

dimVλ1+dimVλ2+⋯+dimVλr=n=dimV.dimensionsubscript𝑉subscript𝜆1dimensionsubscript𝑉subscript𝜆2⋯dimensionsubscript𝑉subscript𝜆𝑟𝑛dimension𝑉

Viceversa, supponiamo che esistano r𝑟 autovalori di f𝑓 in K𝐾, λ1,λ2,…,λrsubscript𝜆1subscript𝜆2…subscript𝜆𝑟, di molteplicità algebrica rispettivamente m1,m2,…,mrsubscript𝑚1subscript𝑚2…subscript𝑚𝑟, tali che m1+m2+⋯+mr=nsubscript𝑚1subscript𝑚2⋯subscript𝑚𝑟𝑛 e che, per ogni autovalore λisubscript𝜆𝑖 di f𝑓, la sua molteplicità geometrica coincida con la molteplicità algebrica; dobbiamo dimostrare che esiste una base di V𝑉 costituita da autovettori di f𝑓.

Dato che, per ipotesi, dimVλi=midimensionsubscript𝑉subscript𝜆𝑖subscript𝑚𝑖, per ogni autovalore λisubscript𝜆𝑖, esiste una base v1(i)subscriptsuperscript𝑣𝑖1, v2(i)subscriptsuperscript𝑣𝑖2, …, vmi(i)subscriptsuperscript𝑣𝑖subscript𝑚𝑖 dell’autospazio Vλisubscript𝑉subscript𝜆𝑖, per ogni i=1,…,r𝑖1…𝑟. Poiché, sempre per ipotesi, è m1+⋯+mr=nsubscript𝑚1⋯subscript𝑚𝑟𝑛, l’insieme

{v1(1),…,vm1(1),v1(2),…,vm2(2),…,v1(r),…,vmr(r)}subscriptsuperscript𝑣11…subscriptsuperscript𝑣1subscript𝑚1subscriptsuperscript𝑣21…subscriptsuperscript𝑣2subscript𝑚2…subscriptsuperscript𝑣𝑟1…subscriptsuperscript𝑣𝑟subscript𝑚𝑟

contiene esattamente n𝑛 vettori, i quali sono linearmente indipendenti, come si verifica facilmente ricordando che autovettori relativi ad autovalori distinti sono linearmente indipendenti. Questi n𝑛 vettori costituiscono quindi una base di V𝑉. Abbiamo così costruito una base di V𝑉 formata da autovettori di f𝑓; f𝑓 è pertanto diagonalizzabile.

Osservazione. In base a quanto visto, possiamo affermare che un endomorfismo f𝑓 di uno spazio vettoriale V𝑉 di dimensione finita su K𝐾 è diagonalizzabile se e solo se f𝑓 possiede autovalori λ1,…,λr∈Ksubscript𝜆1…subscript𝜆𝑟𝐾 e si ha

V=Vλ1⊕Vλ2⊕⋯⊕Vλr.𝑉direct-sumsubscript𝑉subscript𝜆1subscript𝑉subscript𝜆2⋯subscript𝑉subscript𝜆𝑟