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Día: 12 de diciembre de 2025

ALG: Autovectores y autovalores con maxima

Posted on 12 de diciembre de 2025

El pasado día vimos que para calcular los valores propios o autovalores necesitamos el polinomio característico.

Ejercicio: Determinar los autovalores de la matriz \[\begin{bmatrix}1 & 1 & 0\\
2 & 0 & 2\\ -3 & -2 & -1\end{bmatrix}\]

(%i3) A:matrix([1,1,0],[2,0,2],[–3,–2,–1])$
ecu_caract:expand(determinant(A–x*ident(3)))=0;
solve(ecu_caract,[x]);

(ecu_caract)−x3−x=0(%o3) [x=−%i,x=%i,x=0]


Ejercicio: Determinar los autovalores de la matriz \[\begin{bmatrix}4 & 3 & 0\\
-6 & -5 & 0\\ 3 & 3 & 1\end{bmatrix}\]

(%i3) A:matrix([4,3,0],[–6,–5,0],[3,3,1])$
ecu_caract:expand(determinant(A–x*ident(3)))=0;
solve(ecu_caract,[x]);

(ecu_caract)−x3+3⁢x−2=0(%o3) [x=−2,x=1]


Recodad que definíamos los autovectores, o vectores propios, como

Recordemos que dada una matriz, \(\mathbf{A}\in\mathcal{M}_n(\mathbb{K})\), decimos que \(\vec{v} \in\mathbb{K}^n\) es un autovector, o vector propio de la matriz, sí \[\mathbf{A}\vec{v}=\lambda\vec{v},\] siendo \(\lambda\in\mathbb{K}\). Al escalar \(\lambda\) se le denomina autovalor o valor propio de la matriz.

Si determinamos los valores propios, o autovalores, saber los vectores propios, o autovalores, será equivalente a resolver el sistema \[(\mathbf{A}-\lambda\, I)\vec{x}=\vec{0},\] para cada valor propio \(\lambda\) raíz de la ecuación característica(el resultado de igualar el polinomio característico a cero). Así, para cada valor propio habrá un vector propio, al menos.

Cada valor propio tiene asociado un conjunto \(C_\lambda=\{\vec{v}\in\mathbb{K}^n\}\), que se determina resolviendo el sistema homogeneo \((\mathbf{A}-\lambda\, I)\vec{x}=\vec{0}\), que se denomina subespacio propio de \(\lambda\). Las bases de estos subespacios son los vectores propios de la matriz.

Ejercicio: Determinar los subespacios propios de la matriz \[\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\]

(%i6) A:matrix([2,1],[1,2])$
determinant(A−x·ident(2));
s:solve(%,x);
aut:[]$
for i:1 thru length(s) do (
   aut:append(aut,[ev(x,s[i])])
)$
aut;

\[{{\left( 2-x\right) }^{2}}-1\]

\[\left[ x=3,x=1\right] \]

\[\left[ 3,1\right] \]

Tenemos dos autovalores, veamos cuales son los subespacios propios de cada autovalor.

Para el primer autovalor

(%i10) X:matrix([x],[y])$
(A−aut[1]·ident(2)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1]],[x,y]);
v:[ev([x,y],[ev(s,%rnum_list[1]=1)])];

\[\begin{bmatrix}y-x\\x-y\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (2)\]

\[\left[ x={\mathrm{\% r1}},y={\mathrm{\% r1}}\right] \]

\[\left[ \left[ 1,1\right] \right] \]

Para el segundo autovalor.

(%i13) (A−aut[2]·ident(2)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1]],[x,y]);
v:append(v,[ev([x,y],[ev(s,%rnum_list[1]=1)])]);

\[\begin{bmatrix}y+x\\y+x\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (2)\]

\[\left[ x=-{\mathrm{\% r2}},y={\mathrm{\% r2}}\right] \]

\[\left[ \left[ 1,1\right] ,\left[ -1,1\right] \right] \]


Ejercicio: Determinar los subespacios propios de la matriz \[\begin{bmatrix}3&2&{-1}\\2&3&1\\0&0&5\end{bmatrix}\]

(%i6) A:matrix([3,2,−1],[2,3,1],[0,0,5])$
rat(determinant(A−x·ident(3)))=0;
s:solve(%,x);
aut:[]$
for i:1 thru length(s) do (
   aut:append(aut,[ev(x,s[i])])
)$
aut;

\[-{{x}^{3}}+11 {{x}^{2}}-35 x+25=0\]

\[\left[ x=1,x=5\right] \]

\[\left[ 1,5\right] \]

Tenemos dos autovalores, veamos cuales son los subespacios propios de cada autovalor.

Para el primer autovalor

(%i10) X:matrix([x],[y],[z])$
(A−aut[1]·ident(3)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1]],[x,y,z]);
v:[ev([x,y,z],[ev(s,%rnum_list[1]=1)])];

\[\begin{bmatrix}-z+2 y+2 x\\z+2 y+2 x\\4 z\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (1)\]

\[\left[ x={\mathrm{\% r1}},y=-{\mathrm{\% r1}},z=0\right] \]

\[\left[ \left[ 1,-1,0\right] \right] \]

Para el segundo autovalor.

(%i13) X:matrix([x],[y],[z])$
(A−aut[2]·ident(3)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1]],[x,y,z]);

\[\begin{bmatrix}-z+2 y-2 x\\z-2 y+2 x\\0\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (3 2)\]

\[\left[ x=-\frac{{\mathrm{\% r2}}-2 {\mathrm{\% r3}}}{2},y={\mathrm{\% r3}},z={\mathrm{\% r2}}\right] \]

Tenemos dos parámetros: saldrán dos vectores propios.

(%i15) v:append(v,[ev([x,y,z],[ev(s,[%rnum_list[1]=1,%rnum_list[2]=0])])])$
v:append(v,[ev([x,y],z,[ev(s,[%rnum_list[1]=0,%rnum_list[2]=1])])]);

\[\left[ \left[ 1,-1,0\right] ,\left[ -\frac{1}{2},0,1\right] ,\left[ 1,1\right] \right] \]


Ejercicio: Cuántos vectores propio tiene la matriz \[\begin{bmatrix}4 & -1 & 6 & 0\\
2 & 1 & 6 & 0\\
2 & -1 & 8 & 0\\
0 & 2 & 0 & 1\end{bmatrix}\]

(%i6) A:matrix([4,−1,6,0],[2,1,6,0],[2,−1,8,0],[0,2,0,1])$
rat(determinant(A−x·ident(4)))=0;
s:solve(%,x);
aut:[]$
for i:1 thru length(s) do (
    aut:append(aut,[ev(x,s[i])])
)$
aut;

\[{{x}^{4}}-14 {{x}^{3}}+53 {{x}^{2}}-76 x+36=0\]

\[\left[ x=9,x=1,x=2\right] \]

\[\left[ 9,1,2\right] \]

Tenemos tres autovalores, veamos cuales son los subespacios propios de cada autovalor.

Para el primer autovalor

(%i10) X:matrix([x],[y],[z],[t])$
(A−aut[1]·ident(4)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1],%[4,1]],[x,y,z,t]);
v:[ev([x,y,z,t],[ev(s,%rnum_list[1]=1)])];

\[\begin{bmatrix}6 z-y-5 x\\6 z-8 y+2 x\\-z-y+2 x\\2 y-8 t\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (1)\]

\[\left[ x={\mathrm{\% r1}},y={\mathrm{\% r1}},z={\mathrm{\% r1}},t=\frac{{\mathrm{\% r1}}}{4}\right] \]

\[\left[ \left[ 1,1,1,\frac{1}{4}\right] \right] \]

Para el segundo autovalor.

(%i12) (A−aut[2]·ident(4)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1],%[4,1]],[x,y,z,t]);

\[\begin{bmatrix}6 z-y+3 x\\6 z+2 x\\7 z-y+2 x\\2 y\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (1)\]

\[\left[ x=0,y=0,z=0,t={\mathrm{\% r2}}\right] \]

(%i13) v:append(v,[ev([x,y,z,t],[ev(s,%rnum_list[1]=1)])]);

\[\left[ \left[ 1,1,1,\frac{1}{4}\right] ,\left[ 0,0,0,1\right] \right] \]

Para el tercer autovalor.

(%i15) (A−aut[3]·ident(4)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1],%[4,1]],[x,y,z,t]);

\[\begin{bmatrix}6 z-y+2 x\\6 z-y+2 x\\6 z-y+2 x\\2 y-t\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (3 1)\]

\[\left[ x={\mathrm{\% r3}},y=6 {\mathrm{\% r4}}+2 {\mathrm{\% r3}},z={\mathrm{\% r4}},t=12 {\mathrm{\% r4}}+4 {\mathrm{\% r3}}\right] \]

Tenemos dos parámetros: saldrán dos vectores propios.

(%i17) v:append(v,[ev([x,y,z,t],[ev(s,[%rnum_list[1]=1,%rnum_list[2]=0])])])$
v:append(v,[ev([x,y,z,t],[ev(s,[%rnum_list[1]=0,%rnum_list[2]=1])])]);

\[\left[ \left[ 1,1,1,\frac{1}{4}\right] ,\left[ 0,0,0,1\right] ,\left[ 1,2,0,4\right] ,\left[ 0,6,1,12\right] \right] \]


Ejercicio: Cuál es el producto escalar de [1,-2,3,-4] por el autovector unitario del mayor valor propio de la matriz \[\begin{bmatrix}4 & 2 & 0 & 0 \\
3 & 3 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 5 \\
0 & 0 & 0 & 2\end{bmatrix}\]

Veamos quienes son los autovalores:

(%i6) A:matrix([4,2,0,0],[3,3,0,0],[0,0,2,5],[0,0,0,2])$
rat(determinant(A−x·ident(4)))=0;
s:solve(%,x);
aut:[]$
fori:1thrulength(s)do(
   aut:append(aut,[ev(x,s[i])])
)$
aut;

\[{{x}^{4}}-11 {{x}^{3}}+38 {{x}^{2}}-52 x+24=0\]

\[\left[ x=6,x=1,x=2\right] \]

\[\left[ 6,1,2\right] \]

Tenemos tres autovalores y el mayor es 6. Veamos cuales son los vectores propios asociados a su subespacio propio.

(%i10) X:matrix([x],[y],[z],[t])$
(A−6·ident(4)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1],%[4,1]],[x,y,z,t]);
v:ev([x,y,z,t],[ev(s,%rnum_list[1]=1)]);

\[\begin{bmatrix}2 y-2 x\\3 x-3 y\\5 t-4 z\\-4 t\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (1)\]

\[\left[ x={\mathrm{\% r1}},y={\mathrm{\% r1}},z=0,t=0\right] \]

\[\left[ 1,1,0,0\right] \]

El producto que nos piden será:

(%i12) [1,−2,3,−4].v/sqrt(v.v);
%,numer;

\[-\frac{1}{\sqrt{2}}\]

\[-0.7071067811865475\]


Ejercicio: Cuál es el producto escalar de [1,-2,3,-4] por el autovector unitario del mayor valor propio de la matriz \[\begin{bmatrix}4 & 1 & 0 & 1\\
2 & 3 & 0 & 1\\
-2 & 1 & 2 & -3\\
2 & -1 & 0 & 5\end{bmatrix}\]

Veamos quienes son los autovalores:

(%i6) A:matrix([4,1,0,1],[2,3,0,1],[−2,1,2,−3],[2,−1,0,5])$
rat(determinant(A−x·ident(4)))=0;
s:solve(%,x);
aut:[]$
fori:1thrulength(s)do(
   aut:append(aut,[ev(x,s[i])])
)$
aut;

\[{{x}^{4}}-14 {{x}^{3}}+68 {{x}^{2}}-136 x+96=0\]

\[\left[ x=6,x=4,x=2\right] \]

\[\left[ 6,4,2\right] \]

Tenemos tres autovalores y el mayor es 6. Veamos cuales son los vectores propios asociados a su subespacio propio.

(%i10) X:matrix([x],[y],[z],[t])$
(A−6·ident(4)).X;
s:linsolve([%[1,1],%[2,1],%[3,1],%[4,1]],[x,y,z,t]);
v:ev([x,y,z,t],[ev(s,%rnum_list[1]=1)]);

\[\begin{bmatrix}y-2 x+t\\-3 y+2 x+t\\-4 z+y-2 x-3 t\\-y+2 x-t\end{bmatrix}\]\[solve: dependent equations eliminated: (4)\]

\[\left[ x={\mathrm{\% r1}},y={\mathrm{\% r1}},z=-{\mathrm{\% r1}},t={\mathrm{\% r1}}\right] \]

\[\left[ 1,1,-1,1\right] \]

El producto que nos piden será:

(%i11) [1,−2,3,−4].v/sqrt(v.v);

\[-4\]


Ejercicio:Cuántos suman los coeficientes del polinomio característico de la matriz \[\left[\begin{smallmatrix}0 & -1 & -1 & 0\\ -2 & 1 & -1 & 0 \\ -2 & 2 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 0 & -1\end{smallmatrix}\right].\]

  • 1
  • 3
  • 4

C.)

Calculemos el polinomio característico.

(%i3) A:matrix([0,–1,–1,0],[–2,1,–1,0],[–2,2,2,0],[0,0,0,–1])$
define(f(x),expand(determinant(A–x*ident(4))));
f(1);

(%o2) f⁡(x):=x4−2⁢x3−3⁢x2+4⁢x+4(%o3) 4

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