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Aufgabe:

Zeigen Sie: Wenn eine Matrix A ∈ Q2×2 die Eigenwerte 1 und 2 hat, dann gilt
A =\( \frac{a}{ad-bc} \) \( \begin{pmatrix} ad-2bc & ab \\ -cd & 2ad-bc \end{pmatrix} \)
für gewisse a, b, c, d ∈ Q.


Problem/Ansatz:

Ich habe jetzt umgeformt, wie die Eigenvektoren in Bezug auf a,b,c,d aussehen müssten, aber das hilft mir grade auch nicht weiter. Könnte mir jemand bitte weiterhelfen?

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Wie sehen die denn aus ?

Bei Eigenwert = 1 habe ich \( \begin{pmatrix} \frac{bc-ad}{bc-ab}\\\frac{ad-bc}{ad-cd} \end{pmatrix} \) und bei Eigenwert = 2 \( \begin{pmatrix} \frac{ad-bc}{ab-ad}\\\frac{bc-ad}{cd-bc} \end{pmatrix} \).

\(\)----\(\)

Oh nein, stimmt du hast recht! Der Rest ist aber korrekt.

Eine rationale 2×2-Matrix mit zwei verschiedenen Eigenwerten ist bekanntlich diagonalisierbar.
Es existieren also eine nichtsinguläre 2×2-Matrix \(T\), sowie eine 2×2-Diagonalmatrix \(D\) mit \(A=TDT^{-1}\).
Es existieren \(a,b,c,d\in\mathbb Q\) mit \(T=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\).
Die Inverse von \(T\) berechnet sich zu \(T^{-1}=\frac1{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}\).
Die Diagonalmatrix lautet z.B. \(D=\begin{pmatrix}1&0\\0&2\end{pmatrix}\).
Nun berechne das Produkt \(\frac1{ad-bc}\cdot\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}1&0\\0&2\end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}\) und erhalte die Aussage.

Jetzt verstehe ich es, danke dir!           

1 Antwort

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Aloha :)

Vorbetrachtung

Wir betrachten die 2x2-Matrix:$$A=\begin{pmatrix}a & b\\c & d\end{pmatrix}$$Ihr charakteristisches Polynom lautet:$$p(\lambda)=\left|\begin{array}{cc}a-\lambda & b\\c & d-\lambda\end{array}\right|=(a-\lambda)(d-\lambda)-bc=ad-\lambda d-a\lambda+\lambda^2-bc$$$$p(\lambda)=\lambda^2-(a+d)\lambda+(ad-bc)$$

Wenn die Matrix \(A\) zwei Eigenwerte \(\lambda_1=1\) und \(\lambda_2=2\) hat, besitzt das charakteristische Polynom diese 2 Nullstellen und kann wie folgt geschrieben werden:$$p(\lambda)=(\lambda-1)(\lambda-2)=\lambda^2-3\lambda+2$$

Der Vergleich beider Darstellungen des charakteristischen Polynoms liefert:$$\red{a+d=3}\quad;\quad \green{ad-bc=2}$$Diese beiden Bedingungen müssen für jede quadratische Matrix mit den Eigenwerten \(1\) und \(2\) gelten. Und umgekehrt hat eine Matrix, deren Komponenten diese beiden Gleichungen erfüllen, die Eigenwerte \(1\) und \(2\). Es handelt sich also um eine Äuqivalenz. Eine quadratische Matrix hat genau dann die beiden Eigenwerte \(1\) und \(2\), wenn diese beiden Gleichungen erfüllt sind.

Das eigentlichen Problem

Nun haben wir folgende Matrix \(A\) vorliegen:$$A=\frac{a}{ad-bc}\left(\begin{array}{cc}ad-2bc & ab\\-cd & 2ad-bc\end{array}\right)$$

Da ihre Eigenwerte nach Voraussetzung \(1\) und \(2\) sind, muss die Summe der Diagonalelemente gleich \(3\) sein (rote Gleichung):$$\red3\stackrel!=\frac{a}{ad-bc}\left((ad-2bc)+(2ad-bc)\right)=\frac{a}{ad-bc}\cdot3(ad-bc)=3a\implies \pink{a=1}$$

Die Determinante dieser Matrix muss gleich \(2\) sein (grüne Gleichung):$$\green2\stackrel!=\frac{a}{ad-bc}\left((ad-2bc)(2ad-bc)+abcd\right)\stackrel{(\pink{a=1})}{=}\frac{1}{d-bc}\left((d-2bc)(2d-bc)+bcd\right)$$$$\phantom 2=\frac{1}{d-bc}\cdot(2d^2-4bcd-bcd+2b^2c^2+bcd)=\frac{1}{d-bc}\cdot2(d^2-2(bc)d+(bc)^2)$$$$\phantom2=\frac{1}{d-bc}\cdot2(d-bc)^2=2(d-bc)\quad\implies\quad\pink{d-bc=1}$$

Unter Berücksichtigung der pinken Nebenbedingngen hat jede 2x2-Matrix mit den Eigenwerte \(1\) und \(2\) eine Darstellung in der angegebenen Form.

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