A − λ I = [ 1 − λ − 3 3 − 3 − 5 − λ 3 6 − 6 4 − λ ] A-\lambda I=\begin{bmatrix}
1-\lambda & -3 & 3 \\
-3 & -5-\lambda & 3 \\
6 & -6 & 4-\lambda
\end{bmatrix} A − λ I = ⎣ ⎡ 1 − λ − 3 6 − 3 − 5 − λ − 6 3 3 4 − λ ⎦ ⎤ The characteristic equation
det ( A − λ I ) = 0 \det(A-\lambda I)=0 det ( A − λ I ) = 0
( 1 − λ ) ( − 5 − λ ) ( 4 − λ ) − 54 + 54 (1-\lambda)(-5-\lambda)(4-\lambda)-54+54 ( 1 − λ ) ( − 5 − λ ) ( 4 − λ ) − 54 + 54
− 18 ( − 5 − λ ) + 18 ( 1 − λ ) − 9 ( 4 − λ ) = 0 -18(-5-\lambda)+18(1-\lambda)-9(4-\lambda)=0 − 18 ( − 5 − λ ) + 18 ( 1 − λ ) − 9 ( 4 − λ ) = 0
− λ 3 + 30 λ + 52 = 0 -\lambda^3+30\lambda+52=0 − λ 3 + 30 λ + 52 = 0
− λ 2 ( λ + 2 ) + 2 λ ( λ + 2 ) + 26 ( λ + 2 ) = 0 -\lambda^2(\lambda+2)+2\lambda(\lambda+2)+26(\lambda+2)=0 − λ 2 ( λ + 2 ) + 2 λ ( λ + 2 ) + 26 ( λ + 2 ) = 0
λ 1 = − 2 \lambda_1=-2 λ 1 = − 2
λ 2 − 2 λ − 26 = 0 \lambda^2-2\lambda-26=0 λ 2 − 2 λ − 26 = 0
( λ − 1 ) 2 = 27 (\lambda-1)^2=27 ( λ − 1 ) 2 = 27
λ 2 = 1 − 3 3 , λ 3 = 1 + 3 3 \lambda_2=1-3\sqrt{3}, \lambda_3=1+3\sqrt{3} λ 2 = 1 − 3 3 , λ 3 = 1 + 3 3
λ 1 = − 2 , λ 2 = 1 − 3 3 , λ 3 = 1 + 3 3 \lambda_1=-2,\lambda_2=1-3\sqrt{3}, \lambda_3=1+3\sqrt{3} λ 1 = − 2 , λ 2 = 1 − 3 3 , λ 3 = 1 + 3 3 These are eigenvalues.
λ = − 2 \lambda=-2 λ = − 2
[ 1 − λ − 3 3 − 3 − 5 − λ 3 6 − 6 4 − λ ] = [ 3 − 3 3 − 3 − 3 3 6 − 6 6 ] \begin{bmatrix}
1-\lambda & -3 & 3 \\
-3 & -5-\lambda & 3 \\
6 & -6 & 4-\lambda
\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}
3 & -3 & 3 \\
-3 & -3 & 3 \\
6 & -6 & 6
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 − λ − 3 6 − 3 − 5 − λ − 6 3 3 4 − λ ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 3 − 3 6 − 3 − 3 − 6 3 3 6 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 / 3 R_1=R_1/3 R 1 = R 1 /3
[ 1 − 1 1 − 3 − 3 3 6 − 6 6 ] \begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
-3 & -3 & 3 \\
6 & -6 & 6
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 − 3 6 − 1 − 3 − 6 1 3 6 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 + 3 R 1 R_2=R_2+3R_1 R 2 = R 2 + 3 R 1
[ 1 − 1 1 0 − 6 6 6 − 6 6 ] \begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
0 & -6 & 6 \\
6 & -6 & 6
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 6 − 1 − 6 − 6 1 6 6 ⎦ ⎤ R 3 = R 3 − 6 R 1 R_3=R_3-6R_1 R 3 = R 3 − 6 R 1
[ 1 − 1 1 0 − 6 6 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
0 & -6 & 6 \\
0 & 0 & 0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 − 1 − 6 0 1 6 0 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 / ( − 6 ) R_2=R_2/(-6) R 2 = R 2 / ( − 6 )
[ 1 − 1 1 0 1 − 1 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
0 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 − 1 1 0 1 − 1 0 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 + R 2 R_1=R_1+R_2 R 1 = R 1 + R 2
[ 1 0 0 0 1 − 1 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 1 0 0 − 1 0 ⎦ ⎤
If we take v 3 = t , v_3=t, v 3 = t , then v 1 = 0 , v 2 = t , v 3 = t . v_1=0, v_2=t, v_3=t. v 1 = 0 , v 2 = t , v 3 = t .
Thus the eigenvector is
v = [ 0 1 1 ] \bold v=\begin{bmatrix}
0 \\
1 \\
1
\end{bmatrix} v = ⎣ ⎡ 0 1 1 ⎦ ⎤
λ = 1 − 3 3 \lambda=1-3\sqrt{3} λ = 1 − 3 3
[ 1 − λ − 3 3 − 3 − 5 − λ 3 6 − 6 4 − λ ] \begin{bmatrix}
1-\lambda & -3 & 3 \\
-3 & -5-\lambda & 3 \\
6 & -6 & 4-\lambda
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 − λ − 3 6 − 3 − 5 − λ − 6 3 3 4 − λ ⎦ ⎤
= [ 3 3 − 3 3 − 3 − 6 + 3 3 3 6 − 6 3 + 3 3 ] =\begin{bmatrix}
3\sqrt{3} & -3 & 3 \\
-3 & -6+3\sqrt{3} & 3 \\
6 & -6 & 3+3\sqrt{3}
\end{bmatrix} = ⎣ ⎡ 3 3 − 3 6 − 3 − 6 + 3 3 − 6 3 3 3 + 3 3 ⎦ ⎤
R 1 = 3 R 1 / 9 R_1=\sqrt{3}R_1/9 R 1 = 3 R 1 /9
[ 1 − 3 / 3 3 / 3 − 3 − 6 + 3 3 3 6 − 6 3 + 3 3 ] \begin{bmatrix}
1 & -\sqrt{3}/3 & \sqrt{3}/3 \\
-3 & -6+3\sqrt{3} & 3 \\
6 & -6 & 3+3\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 − 3 6 − 3 /3 − 6 + 3 3 − 6 3 /3 3 3 + 3 3 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 + 3 R 1 R_2=R_2+3R_1 R 2 = R 2 + 3 R 1
[ 1 − 3 / 3 3 / 3 0 − 6 + 2 3 3 + 3 6 − 6 3 + 3 3 ] \begin{bmatrix}
1 & -\sqrt{3}/3 & \sqrt{3}/3 \\
0 & -6+2\sqrt{3} & 3+\sqrt{3} \\
6 & -6 & 3+3\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 6 − 3 /3 − 6 + 2 3 − 6 3 /3 3 + 3 3 + 3 3 ⎦ ⎤ R 3 = R 3 − 6 R 1 R_3=R_3-6R_1 R 3 = R 3 − 6 R 1
[ 1 − 3 / 3 3 / 3 0 − 6 + 2 3 3 + 3 0 − 6 + 2 3 3 + 3 ] \begin{bmatrix}
1 & -\sqrt{3}/3 & \sqrt{3}/3 \\
0 & -6+2\sqrt{3} & 3+\sqrt{3} \\
0 & -6+2\sqrt{3} & 3+\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 − 3 /3 − 6 + 2 3 − 6 + 2 3 3 /3 3 + 3 3 + 3 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 / ( − 6 + 2 3 ) R_2=R_2/(-6+2\sqrt{3}) R 2 = R 2 / ( − 6 + 2 3 )
[ 1 − 3 / 3 3 / 3 0 1 − 1 − 3 / 2 0 − 6 + 2 3 3 + 3 ] \begin{bmatrix}
1 & -\sqrt{3}/3 & \sqrt{3}/3 \\
0 & 1 & -1-\sqrt{3}/2 \\
0 & -6+2\sqrt{3} & 3+\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 − 3 /3 1 − 6 + 2 3 3 /3 − 1 − 3 /2 3 + 3 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 + R 2 / 3 R_1=R_1+R_2/\sqrt{3} R 1 = R 1 + R 2 / 3
[ 1 0 − 1 / 2 0 1 − 1 − 3 / 2 0 − 6 + 2 3 3 + 3 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & -1/2 \\
0 & 1 & -1-\sqrt{3}/2 \\
0 & -6+2\sqrt{3} & 3+\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 1 − 6 + 2 3 − 1/2 − 1 − 3 /2 3 + 3 ⎦ ⎤ R 3 = R 3 + ( 6 − 2 3 ) R 2 R_3=R_3+(6-2\sqrt{3})R_2 R 3 = R 3 + ( 6 − 2 3 ) R 2
[ 1 0 − 1 / 2 0 1 − 1 − 3 / 2 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & -1/2 \\
0 & 1 & -1-\sqrt{3}/2 \\
0 & 0 & 0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 1 0 − 1/2 − 1 − 3 /2 0 ⎦ ⎤
If we take u 3 = t , u_3=t, u 3 = t , then u 1 = t / 2 , u 2 = ( 2 + 3 ) t / 2 , u 3 = t . u_1=t/2, u_2=(2+\sqrt{3})t/2, u_3=t. u 1 = t /2 , u 2 = ( 2 + 3 ) t /2 , u 3 = t .
Thus the eigenvector is
u = [ 1 / 2 ( 2 + 3 ) / 2 1 ] \bold u=\begin{bmatrix}
1/2 \\
(2+\sqrt{3})/2 \\
1
\end{bmatrix} u = ⎣ ⎡ 1/2 ( 2 + 3 ) /2 1 ⎦ ⎤
λ = 1 + 3 3 \lambda=1+3\sqrt{3} λ = 1 + 3 3
[ 1 − λ − 3 3 − 3 − 5 − λ 3 6 − 6 4 − λ ] \begin{bmatrix}
1-\lambda & -3 & 3 \\
-3 & -5-\lambda & 3 \\
6 & -6 & 4-\lambda
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 − λ − 3 6 − 3 − 5 − λ − 6 3 3 4 − λ ⎦ ⎤
= [ − 3 3 − 3 3 − 3 − 6 − 3 3 3 6 − 6 3 − 3 3 ] =\begin{bmatrix}
-3\sqrt{3} & -3 & 3 \\
-3 & -6-3\sqrt{3} & 3 \\
6 & -6 & 3-3\sqrt{3}
\end{bmatrix} = ⎣ ⎡ − 3 3 − 3 6 − 3 − 6 − 3 3 − 6 3 3 3 − 3 3 ⎦ ⎤ R 1 = − 3 R 1 / 9 R_1=-\sqrt{3}R_1/9 R 1 = − 3 R 1 /9
[ 1 3 / 3 − 3 / 3 − 3 − 6 − 3 3 3 6 − 6 3 − 3 3 ] \begin{bmatrix}
1 & \sqrt{3}/3 & -\sqrt{3}/3 \\
-3 & -6-3\sqrt{3} & 3 \\
6 & -6 & 3-3\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 − 3 6 3 /3 − 6 − 3 3 − 6 − 3 /3 3 3 − 3 3 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 + 3 R 1 R_2=R_2+3R_1 R 2 = R 2 + 3 R 1
[ 1 3 / 3 − 3 / 3 0 − 6 − 2 3 3 − 3 6 − 6 3 − 3 3 ] \begin{bmatrix}
1 & \sqrt{3}/3 & -\sqrt{3}/3 \\
0 & -6-2\sqrt{3} & 3-\sqrt{3} \\
6 & -6 & 3-3\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 6 3 /3 − 6 − 2 3 − 6 − 3 /3 3 − 3 3 − 3 3 ⎦ ⎤ R 3 = R 3 − 6 R 1 R_3=R_3-6R_1 R 3 = R 3 − 6 R 1
[ 1 3 / 3 − 3 / 3 0 − 6 − 2 3 3 − 3 0 − 6 − 2 3 3 − 3 ] \begin{bmatrix}
1 & \sqrt{3}/3 & -\sqrt{3}/3 \\
0 & -6-2\sqrt{3} & 3-\sqrt{3} \\
0 & -6-2\sqrt{3} & 3-\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 3 /3 − 6 − 2 3 − 6 − 2 3 − 3 /3 3 − 3 3 − 3 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 / ( − 6 − 2 3 ) R_2=R_2/(-6-2\sqrt{3}) R 2 = R 2 / ( − 6 − 2 3 )
[ 1 3 / 3 − 3 / 3 0 1 − 1 + 3 / 2 0 − 6 − 2 3 3 − 3 ] \begin{bmatrix}
1 & \sqrt{3}/3 & -\sqrt{3}/3 \\
0 & 1 & -1+\sqrt{3} /2\\
0 & -6-2\sqrt{3} & 3-\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 3 /3 1 − 6 − 2 3 − 3 /3 − 1 + 3 /2 3 − 3 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 − R 2 / 3 R_1=R_1-R_2/\sqrt{3} R 1 = R 1 − R 2 / 3
[ 1 0 − 1 / 2 0 1 − 1 + 3 / 2 0 − 6 − 2 3 3 − 3 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & -1/2 \\
0 & 1 & -1+\sqrt{3} /2\\
0 & -6-2\sqrt{3} & 3-\sqrt{3}
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 1 − 6 − 2 3 − 1/2 − 1 + 3 /2 3 − 3 ⎦ ⎤ R 3 = R 3 + ( 6 + 2 3 ) R 2 R_3=R_3+(6+2\sqrt{3})R_2 R 3 = R 3 + ( 6 + 2 3 ) R 2
[ 1 0 − 1 / 2 0 1 − 1 + 3 / 2 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & -1/2 \\
0 & 1 & -1+\sqrt{3} /2\\
0 & 0 & 0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 1 0 − 1/2 − 1 + 3 /2 0 ⎦ ⎤
If we take w 3 = t , w_3=t, w 3 = t , then w 1 = t / 2 , w 2 = ( 2 − 3 ) t / 2 , w 3 = t . w_1=t/2, w_2=(2-\sqrt{3})t/2, w_3=t. w 1 = t /2 , w 2 = ( 2 − 3 ) t /2 , w 3 = t .
Thus the eigenvector is
w = [ 1 / 2 ( 2 − 3 ) / 2 1 ] \bold w=\begin{bmatrix}
1/2 \\
(2-\sqrt{3})/2 \\
1
\end{bmatrix} w = ⎣ ⎡ 1/2 ( 2 − 3 ) /2 1 ⎦ ⎤
Form the matrix P , P, P , whose column i i i is eigenvector no. i : i: i :
P = [ 0 1 / 2 1 / 2 1 1 + 3 / 2 1 − 3 / 2 1 1 1 ] P=\begin{bmatrix}
0 & 1/2 & 1/2 \\
1 & 1+\sqrt{3}/2 & 1-\sqrt{3} /2\\
1 & 1 & 1
\end{bmatrix} P = ⎣ ⎡ 0 1 1 1/2 1 + 3 /2 1 1/2 1 − 3 /2 1 ⎦ ⎤ Form the matrix D D D whose element at row i , i, i , column i i i is eigenvalue no. i : i: i :
D = [ − 2 0 0 0 1 − 3 3 0 0 0 1 + 3 3 ] D=\begin{bmatrix}
-2 & 0 & 0 \\
0 & 1-3\sqrt{3} & 0\\
0 & 0 & 1+3\sqrt{3}
\end{bmatrix} D = ⎣ ⎡ − 2 0 0 0 1 − 3 3 0 0 0 1 + 3 3 ⎦ ⎤ The matrices P P P and D D D are such that the initial matrix
A = [ 1 − 3 3 − 3 − 5 3 6 − 6 4 ] = P D P − 1 A=\begin{bmatrix}
1 & -3 & 3 \\
-3 & -5 & 3 \\
6 & -6 & 4
\end{bmatrix}=PDP^{-1} A = ⎣ ⎡ 1 − 3 6 − 3 − 5 − 6 3 3 4 ⎦ ⎤ = P D P − 1
Comments