Álgebra Lineal II: El teorema espectral real

Introducción

Hasta ahora ya sabemos, en general, como determinar cuando una matriz arbitraria es diagonalizable. En esta entrada nos dedicaremos a estudiar y demostrar un teorema que nos dice cuándo que cierto tipo de transformaciones siempre son diagnoalizables. Más adelante usaremos este teorema para demostrar la famosa descomposición polar.

Resultados preliminares para el teorema espectral real

Teorema. Sea $A\in M_n({\mathbb{R}})$ una matriz simétrica. Entonces todas las raíces del polinomio característico de $A$ son reales.

Demostración. Sea $t$ una raíz del polinomio caractereístico de $A$. Pensemos a $A$ como un elemento de $M_n(\mathbb{C})$. Como $\det (tI_n-A)=0$, entonces existe $X\in\mathbb{C}^n$ no nulo tal que $AX=tX$. Escribimos $X=Y+iZ$ para dos vectores $X,Y\in \mathbb{R}^n$ y $t=a+ib$ con $a$ y $b$ números reales. Entonces de la igualdad $AX=tX$ se sigue que
$$AY+iAZ=(a+ib)(Y+iZ)=Ay-bZ+i(aZ+bY)$$ y separando las partes imaginarias y las partes reales obtenemos que
\begin{equation}\label{1}
AY=aY-bZ, \hspace{4mm} AZ=aZ+bY.
\end{equation}

Como $A$ es simétrica, tenemos que
\begin{equation}\label{2}
\langle AY,Z \rangle=\langle Y, AZ \rangle.
\end{equation}
Sustituyendo \eqref{1} en el lado izquierdo de \eqref{2} obtenemos que \eqref{2} es igual a $a\langle Y,Z \rangle -b||Z||^2,$ mientras que el lado derecho de \eqref{2} es igual a $a\langle Y,Z \rangle -b||Y||^2$. Se sigue que
$$b(||Y||^2+||Z||^2)=0$$ y como $Y$ o $Z$ es distinto de cero (de lo contrario tendríamos que $X=0$), entonces concluimos que $b=0$ y con ellos que $t$ es un número real.

$\square$

Lema. Sea $V$ un espacio euclidiano y $T:V\to V$ una transformación lineal simétrica sobre $V$. Sea $W$ un subespacio de $V$ estable bajo $T$. Entonces

  1. $W^\bot$ también es estable bajo $T$.
  2. Las restricciones de $T$ a $W$ y $W^\bot$ son transformaciones lineales simétricas sobre estos espacios.

Demostración. 1. Sea $x\in W^\bot$ y $y\in W$. Entonces
$$\langle T(x),y \rangle = \langle x,T(y) \rangle . $$
Ahora $x\in W^\bot$ y $T(y)\in T(W)\subseteq W$, por lo que $\langle x,T(y) \rangle =0$ y así $T(W^\bot)\subseteq W^\bot$, que es lo que queríamos probar.

2. Sea $T_1$ la restricción de $T$ a$W$. Para $x,y\in W$ tenemos que
$$\langle T_1(x),y \rangle=\langle T(x),y \rangle=\langle x,T(y) \rangle =\langle x,T_1(y) \rangle ,$$ por lo tanto $T_1$ es simétrica sobres $W$. Análogamente vemos que el resultado se satisface para $W^\bot$.

$\square$

El teorema espectral real

Con todo lo visto hasta ahora, ya estamos listos para probar el teorema principal de esta entrada.

Teorema (el teorema espectral real). Sea $V$ un espacio euclidiano y $T:V\to V$ una transformación lineal simétrica. Entonces existe una base ortonormal de $V$ conformada por eigenvectores de $T$.

Demostración. Procederemos a la prueba mediante inducción fuerte sobre $n=\dim V$. Si $n=1$, entonces el polinomio característico de $T$ es de grado $1$ y tiene coeficientes reales, por lo que tiene una raíz real $t$. Si $v$ es un eigenvector de $T$ con eigenvalor $t$, entonces $\frac{v}{||v||}$ también es eigenvector de $T$ y forma una base ortonormal de $V$. Ahora supongamos que el resultado se satisface hasta $n-1$ y demostremoslo para el caso $n$. Sea $B=\{e_1,e_2,\dots e_n\}$ una base ortonormal de $V$. Sea $A$ la matriz asociada a $T$ con respecto a $B$. Como $T$ es simétrica, entonces $A$ también lo es, por lo que tiene un eigenvalor real $t$ por el primer teorema de esta entrada y el teorema fundamental del álgebra.

Sea $W=\ker (tid- T)$ un $t$-eigenespacio de $T$. Si $W=V$, entonces $T=tid$ y así $B$ es una base ortonormal de $V$ compuesta por eigenvectores de $T$. Supongamos que $\dim W<n$. Tenemos que $V=W\oplus W^\bot$ y $W^\bot$ es estable bajo $T$, induciendo una transformación lineal simétrica sobre este subespacio. Aplicando la hipótesis inductiva a $T_{W^\bot}$ podemos encontrar una base ortonormal $C=\{f_1^\bot,f_2^\bot\dots,f_n^\bot\}$ de $W^\bot$ compuesta por eigenvectores de $T$. Escogiendo una base ortonormal $D=\{f_1,f_2,\dots,f_n\}$ de $W$ (que automaticamente está formada por eigenvectores de $T$), podemos obtener una base $\{f_1,\dots ,f_s,f_1^\bot, \dots ,f_k^\bot\}$ de $V=W\oplus W^\bot$ formada por eigenvectores de $T$.

$\square$

Observación. Si $A\in M_n(\mathbb{R})$ es una matriz simétrica, entonces la transformación lineal $T:X\mapsto AX$ sobre $\mathbb{R}^n$ es simétrica. Aplicando el teorema anterior, podemos encontrar una base ortonormal de $V$ con respecto a la cual la matriz asociada a $T$ es diagonal. Como la base canónica de $V$ es ortonormal, y como la matriz de cambio de pase entre dos bases ortonormlaes es ortogonal, obtenemos el siguiente resultado fundamental:

Teorema. Sea $A\in M_n(\mathbb{R})$ una matriz simétrica . Entonces existe una matriz ortogonal $P\in M_n(\mathbb{R})$ tal que $PAP^{-1}$ es diagonal (en particular $A$ es diagonalizable). En otra palabras, existe una base ortonormal de $\mathbb{R}^n$ formada por eigenvectores de $A$.

Caracterizando las matrices simétricas positivas

Teorema. Sea $A\in M_n(\mathbb{R})$ una matriz simétrica. Entonces las siguientes afirmaciones son equivalentes:

  1. $A$ es positiva.
  2. Todos los eigenvalores de $A$ son no negativos.
  3. $A=B^2$ para alguna matriz simétrica $B\in M_n(\mathbb{R})$.
  4. $A=\hspace{.5mm}^tBB$ para alguna matriz $B\in M_n(\mathbb{R})$.

Demostración. Supongamos que $A$ es positiva y que $t$ es un eigenvalor de $A$ con eigenvector $v$. Como $Av=tv$, obtenemos que
$$t||v||^2=\langle v,Av \rangle= \hspace{.5mm}^tvAv\geq 0,$$
por lo tanto $t\geq 0$ y así hemos probado que 1. implica 2.

Supongamos ahora que 2. se satisface y sean $t_1,\dots, t_n$ todos los eigenvalores de $A$, contados con multiplicidad. Por hipótesis $t_i\geq 0$ para cualquier $i\in[1,n]$. Más aún, gracias al teorema espectral podemos encontrar una matrix $P$ tal que $PAP^{-1}=D$, donde $D$ es una matriz diagonal con entradas $t_1,t_2,\dots,t_n$. Sea $D_1$ la matriz diagonal con entradas $c_i=\sqrt{t_i}$ y sea $B=P^{-1}D_1P$. Entonces $B$ es simétrica, como $P$ s ortogonal y $D_1$ es simétrica:
$$^tB=\hspace{.5mm}^tPD_1P^{-1}=P^{-1}D_1P.$$

Más aún, por construcción $B^2=P^{-1}D_1^2P=P^{-1}DP=A$, lo que muestra 3.

Para probar que 3. implica 4. bastará con tomar $C=B$ y usar que $B$ es simétrica.

Si 4. es cierto, entonces para todo $X\in \mathbb{R}^n$ tenemos que
$$^tXAX=||BX||^2\geq 0$$ y por lo tanto $A$ es positiva.

$\square$

Aplicación

Problema. Sea $V$ un espacio euclidiano y $T$ una transformación lineal simétrica sobre $V$. Sean $t_1,\dots,t_n$ los eigenvalores de $T$. Entonces
$$\displaystyle\sup_{x\in V\backslash \{0\}}\frac{||T(x)||}{||x||}=\max_{1\leq i\leq n}|t_i|.$$

Solución. Consideremos una base ortonormal de $V$ $\{e_1,\dots, e_n\}$ tal que $T(e_i)=t_ie_i$. Dado $x\in V\backslash\{0\}$, podemos escribir
$$x=x_1e_1+x_2e_2+\dots+x_ne_n$$
para algunos números reales $x_i$. Entonces
$$T(x)=\displaystyle\sum_{i=1}^nt_ix_ie_i.$$
Por lo tanto,
$$\frac{||T(x)||}{||x||}=\sqrt{\frac{\displaystyle\sum_{i=1}^n t_i^2x_i^2}{\displaystyle\sum_{i=1}^n x_i^2}}\leq |t_n|,$$
pues $t_i^2x_i^2\leq t_n^2x_i^2$ para $1\leq i\leq n$.
Se sigue que
$$\displaystyle\sup_{x\in V\backslash \{0\}}\frac{||T(x)||}{||x||}\leq |t_n|.$$
Como $\frac{||T(e_n)||}{||e_n||}=|t_n|$, entonces la desigualdad anterior en realidad es una igualdad y con ello concluimos el resultado deseado.

$\square$

Más adelante…

Tarea moral

  1. Da un ejemplo de una matriz simétrica con coeficientes complejos que no sea diagonalizable.
  2. Sea $T$ una transformación lineal sobre un espacio euclidiano $V$, y supón que $V$ tiene una base ortonormal conformada por eigenvectores de $T$. Demuestra que $T$ es simétrica (por lo que el recíproco del teorema espectral se satisface).
  3. Considera la matriz $$A=\begin{pmatrix}
    1 & -2 & -2\\
    -2 & 1 & -2\\
    -2 & -2 &1\end{pmatrix}.$$
    Explica por qué $A$ es diagonalizable en $M_n(\mathbb{R})$ y encuentra una matriz $P$ tal que $P^{-1}AP$ es diagonal.

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