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Álgebra Lineal · 2.º Autovalores y autovectores

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Autovalores y autovectores

✦ Casi toda matriz gira y estira el espacio, pero hay direcciones especiales que solo se estiran, sin girar: son los autovectores, y cuánto se estiran es el autovalor · Álgebra Lineal · Matemáticas · en menos de 9 minutos

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Objetivo: Encontrar autovalores y autovectores de una matriz e interpretarlos como direcciones y factores de una transformación.

9 min Álgebra Lineal · Matemáticas 18–30 años
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Autovalores y autovectores

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Autovalores y autovectores

Diagrama de algebra lineal: vectores en 3D, matriz y autovectores.
Algebra lineal: vectores, matrices, sistemas lineales y descomposicion espectral.

Mapa conceptual

  • Algebra Lineal
    • Vectores
      • Operaciones
      • Dependencia
      • Producto punto
    • Matrices
      • Multiplicacion
      • Transformaciones
      • Inversa
    • Sistemas
      • Gauss
      • Gauss-Jordan
      • Rango
    • Espacios
      • Base
      • Dimension
      • Nucleo e Imagen
    • Eigen
      • Autovalores
      • Autovectores
      • Diagonalizacion PCA

La idea geométrica

Aplica una matriz A a un vector y en general el resultado cambia de dirección. Pero existen vectores particulares v cuya imagen A por v es simplemente v estirado por un factor lambda, sin girar. Esos v son autovectores y lambda, su autovalor: cuánto se estiran (o encogen, o invierten).

La ecuación

La condición se escribe A por v igual a lambda por v, con v no nulo. Buscamos, pues, vectores que cumplan que la acción de la matriz equivale a escalarlos. Esa simple ecuación esconde toda la estructura de la transformación.

Autovalores: el espectro

Para una matriz de tamaño n hay n autovalores (contando repeticiones y permitiendo complejos). Forman el «espectro» de la matriz y resumen sus efectos: cuánto amplifica o atenúa a lo largo del tiempo, si converge o diverge.

Cómo se calculan

  1. Reescribe la ecuación como (A menos lambda por I) por v igual cero.
  2. Para que tenga solución no nula, el determinante de A menos lambda por I debe ser cero.
  3. Ese determinante es un polinomio en lambda (característico); sus raíces son los autovalores.
  4. Para cada autovalor, resuelve el sistema y obtén sus autovectores (el núcleo).

El polinomio característico

Det(A menos lambda I) es un polinomio cuya grado es n. Sus raíces dan los autovalores. Para 2 por 2 queda una cuadrática que se resuelve a mano; en general se usa cálculo numérico, pero la idea es la misma: hallar los lambda que hacen la matriz singular.

Espacio propio

Los autovectores de un mismo autovalor, junto con el cero, forman el espacio propio: todas las direcciones que ese autovalor estira por igual. Un autovalor puede arrastrar varios autovectores independientes (autovectores), y el número de ellos es su multiplicidad geométrica.

Significado de los valores

  • Autovalor mayor que 1: esa dirección se amplifica.
  • Entre 0 y 1: se atenúa (se encoge hacia el origen).
  • Negativo: además de escalar, invierte el sentido en cada aplicación.
  • Cero: la dirección se aplasta; conecta con matrices singulares.
Direcciones fijas y cuánto estiran: eso es el autosistema.
ConceptoQué esCómo se ve
Autovector vdirección que no giraA por v igual lambda por v
Autovalor lambdafactor de escala de esa direcciónraíz del característico
Espacio propioconjunto de autovectores de un lambdanúcleo de A menos lambda I
Espectrolista de todos los autovaloresn valores (con repeticiones)

Si v es autovector de A con autovalor 2, ¿qué es A por v?

Autovalores e iteración

Aplicar una matriz una y otra vez (potencias) amplifica sobre todo la dirección del autovalor de mayor módulo. Por eso el autovalor dominante gobierna el comportamiento a largo plazo de sistemas dinámicos, cadena de Markov y del propio poder de una matriz.

Diagonalización como promesa

Si una matriz tiene n autovectores independientes, se puede «ver» en la base de sus autovectores como una simple escala por eje: una matriz diagonal. Esa diagonalización convierte una transformación complicada en n escalamientos independientes. Es el tema de la siguiente lección.

Autos en datos

La descomposición espectral de una matriz de covarianza da los componentes principales: los autovectores marcan las direcciones de máxima variación y los autovalores, cuánta variación captura cada una. PCA es autovalores aplicados.

Errores frecuentes

  • Aceptar el vector cero como autovector (por definición debe ser no nulo).
  • Confundir el autovalor (un número) con el autovector (una dirección).
  • Esperar autovalores reales para matrices no simétricas, que pueden darlos complejos.

El vector cero nunca se considera autovector de una matriz.

Matrices simétricas: el caso bueno

Las matrices simétricas (A igual a su transpuesta) tienen todos sus autovalores reales y autovectores ortogonales entre sí. Es el caso más agradecido y el que aparece en datos, porque las matrices de covarianza son simétricas.

Asigna cada término a su papel:

Arrastra cada ficha a su categoría (o tócala y luego toca la categoría). También puedes usar el teclado.

Video complementario
Recurso audiovisual para reforzar los conceptos.

Una matriz estira la dirección (1,1) por 3 y deja fija la dirección (1,-1) (factor 1). Escribe sus dos autovalores y autovectores y describe qué le pasa a un vector cualquiera al aplicarle la matriz muchas veces.

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