対称行列の固有値と固有ベクトルの性質の証明

固有方程式は $\lambda^2-7\lambda+6=0$ なので，固有値は $\lambda=1,6$

$\lambda=1$ に対応する固有ベクトルは $\begin{pmatrix}1\\-2\end{pmatrix}$

$\lambda=6$ に対応する固有ベクトルは $\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}$

固有値は実数で，二本の固有ベクトルは直交する！

$A$ の一つの固有値を $\lambda$ ，対応する固有ベクトルを $x$ とおく。

固有値，固有ベクトルの定義より $Ax=\lambda x$

両辺の共役転置を取ると $x^{*}A=\overline{\lambda}x^*$

ここで，二次形式 $x^*Ax$ について二通りの変形をする。

一つ目の式より，$x^*Ax=\lambda x^*x=\lambda\|x\|^2$

二つ目の式より，$x^*Ax=\overline{\lambda}x^*x=\overline{\lambda}\|x\|^2$

以上から $\|x\|^2(\lambda-\overline{\lambda})=0$

固有ベクトルの定義より $x$ は $0$ ベクトルではないので $\|x\|\neq 0$ よって $\lambda=\overline{\lambda}$ となる。つまり $\lambda$ は実数。

• $\|x\|$ は $x$ のノルム（長さ）。つまり各成分の二乗和のルート。
• $x^*$は $x$ の共役転置。$(Ax)^*=x^*A^*$が成立する。実対称行列については $A^*=A$

$A$ の固有値 $\lambda_1$ に対応する固有ベクトルを $x$ ，$\lambda_2$ に対応する固有ベクトルを $y$ とおく：

$Ax=\lambda_1x,\:Ay=\lambda_2y$

二つ目の式の共役転置を取る $y^{*}A=\lambda_2 y^{*}$

ここで，二次形式 $y^{*}Ax$ について二通りの変形をする。

$x$ についての式より，$y^{*}Ax=\lambda_1y^{*}x$

$y$ についての式より，$y^{*}Ax=\lambda_2y^{*}x$

よって，$y^{*}x(\lambda_1-\lambda_2)=0$

$\lambda_1\neq \lambda_2$ のとき $y^{*}x=0$ となり $x$ と $y$ は直交する。