Ein Skalar λ∈K heißt Eigenwert des Endomorphismusf:V→V, wenn dimEλ=dimker(f−λid)>0 ist, das heißt wenn ein Eigenvektorx∈V∖{0} existiert mit f(x)=λx. Eλ=ker(f−λid)⊆V heißt dann Eigenraum von f zum Eigenwertλ, und seine Dimensiond≥1 die geometrische Vielfachheit des Eigenwertesλ.
Bemerkungen
Der Nullvektor ist niemals Eigenvektor und kein Eigenraum ist 0-dimensional.
λEigenwert von f⟺dimker(f−λid)>0⟺f−λid nicht regulär (⟺det(f−λid)=0). Anders ausgedrückt (Fredholm-Alternative): Entweder ist λEigenwert von f, oder f−λid ist regulär.
Beispiele
Sei V=R2 und f(v)=(21002)v. f ist eine Streckung in y-Richtung und eine Stauchung in x-Richtung. (10) ist ein Eigenvektor zum Eigenwert21 und (01) ist Eigenvektor zum Eigenwert2. Sei V=R2 und f(v)=(0−110)v. f ist eine Drehung und hat gar keine Eigenvektoren. Die Nullabbildung hat nur den Eigenwert0 und alle Vektoren v∈V∖{0} sind Eigenvektoren. Die identische Abbildungid:V⟼V hat nur den Eigenwert1 und alle Vektoren v∈V∖{0} sind Eigenvektoren.
Einige Eigenschaften von Eigenwerten, Eigenräumen:
Satz 816H
Ein EigenraumEλ zum Eigenwertλ von f:V→V ist invariant, das heißt es gilt f[Eλ]⊂Eλ, sogar f[Eλ]=Eλ, falls λ=/0.
Beweis
y∈f[Eλ]⟹y=f(x) mit x∈Eλ⟹f(y)=f(f(x))=f(λ⋅x)=λ⋅f(x)=λ⋅y⟹y∈Eλx∈Eλ⟹λx=f(x)∈f[Eλ]⊆V⟹λ=/0x∈f[Eλ]. □
Satz 816I
Die Eigenvektorenx1,…,xm zu paarweise verschiedenen Eigenwertenλ1,…,λm eines Endomorphismusf:V→V sind linear unabhängig.
Beweis
Durch vollständige Induktion nach der Anzahl m: Induktionsanfang: Ein Eigenvektorx1 ist nach Definition nicht der Nullvektor, also linear unabhängig. Induktionsannahme: Die Behauptung gelte für je m Vektoren. Induktionsschluss: Wir nehmen an, die Eigenvektorenx1,…,xm+1 seien linear abhängig, das heißt es existiert eine nichttriviale Linearkombination
Dies ist für mindestens ein k eine nichttriviale Linearkombination aus mEigenvektoren, die Null ergibt, im Widerspruch zur Induktionsannahme. □Folgerung: Die Anzahl der verschiedenen Eigenwerte eines Endomorphismusf:V→V ist nicht größer als die Dimension von V. Eine weitere Folgerung ist:
Satz 816J
Die Summe E=Eλ1+⋯+Eλm⊆V von Eigenräumen zu paarweise verschiedenen Eigenwertenλ1,…,λm ist direkt, das heißt E=Eλ1⊕⋯⊕Eλm. Insbesondere haben Eigenräume zu verschiedenen Eigenwertenλ und μ nur den Nullvektor gemeinsam: λ=/μ⟹Eλ∩Eμ={0}.
Beweis
Indirekt:sei x∈E und x habe keine eindeutige Darstellung. Also x=x1+⋯+xm=y1+⋯+ym mit xi,yi∈Eλi und xj=/yj für mindestens ein j∈{1,…,m}⟹z1+⋯+zm:=(y1−x1)+⋯+(ym−xm)=0 mit zi∈Eλi und zj=/0 für mindestens ein j, etwa zj1,…,zjr=/0⟹zj1+⋯+zjr=0⟹zj1,…,zjrlinear abhängig. Widerspruch zu Satz 816I. □
Religion und Mathematik sind nur verschiedene Ausdrucksformen derselben göttlichen Exaktheit.