Lineare Algebra Beispiele

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}]$

Schritt 1

Bestimme die Eigenwerte.

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Schritt 1.1

Stelle die Formel auf, um die charakteristische Gleichung $p (λ)$ zu ermitteln.

$p (λ) = Determinante (A - λ I_{2})$

Schritt 1.2

Die Identitätsmatrix oder Einheitsmatrix der Größe $2$ ist die $2 \times 2$ Quadratmatrix mit Einsen auf der Hauptdiagonalen und Nullen überall anders.

$[\begin{array}{c} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}]$

Schritt 1.3

Setze die bekannten Werte in $p (λ) = Determinante (A - λ I_{2})$ ein.

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Schritt 1.3.1

Ersetze $A$ durch $[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}]$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] - λ I_{2})$

Schritt 1.3.2

Ersetze $I_{2}$ durch $[\begin{array}{c} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}]$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] - λ [\begin{array}{c} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}])$

Schritt 1.4

Vereinfache.

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Schritt 1.4.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 1.4.1.1

Multipliziere $- λ$ mit jedem Element der Matrix.

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ \cdot 1 & - λ \cdot 0 \\ - λ \cdot 0 & - λ \cdot 1 \end{array}])$

Schritt 1.4.1.2

Vereinfache jedes Element der Matrix.

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Schritt 1.4.1.2.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $1$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ & - λ \cdot 0 \\ - λ \cdot 0 & - λ \cdot 1 \end{array}])$

Schritt 1.4.1.2.2

Multipliziere $- λ \cdot 0$ .

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Schritt 1.4.1.2.2.1

Mutltipliziere $0$ mit $- 1$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ & 0 λ \\ - λ \cdot 0 & - λ \cdot 1 \end{array}])$

Schritt 1.4.1.2.2.2

Mutltipliziere $0$ mit $λ$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ & 0 \\ - λ \cdot 0 & - λ \cdot 1 \end{array}])$

Schritt 1.4.1.2.3

Multipliziere $- λ \cdot 0$ .

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Schritt 1.4.1.2.3.1

Mutltipliziere $0$ mit $- 1$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ & 0 \\ 0 λ & - λ \cdot 1 \end{array}])$

Schritt 1.4.1.2.3.2

Mutltipliziere $0$ mit $λ$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ & 0 \\ 0 & - λ \cdot 1 \end{array}])$

Schritt 1.4.1.2.4

Mutltipliziere $- 1$ mit $1$ .

$p (λ) = Determinante ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} - λ & 0 \\ 0 & - λ \end{array}])$

Schritt 1.4.2

Addiere die entsprechenden Elemente.

$p (λ) = Determinante [\begin{array}{c} - 16 - λ & 8 + 0 \\ 8 + 0 & - 4 - λ \end{array}]$

Schritt 1.4.3

Simplify each element.

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Schritt 1.4.3.1

Addiere $8$ und $0$ .

$p (λ) = Determinante [\begin{array}{c} - 16 - λ & 8 \\ 8 + 0 & - 4 - λ \end{array}]$

Schritt 1.4.3.2

Addiere $8$ und $0$ .

$p (λ) = Determinante [\begin{array}{c} - 16 - λ & 8 \\ 8 & - 4 - λ \end{array}]$

Schritt 1.5

Find the determinant.

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Schritt 1.5.1

Die Determinante einer $2 \times 2$ -Matrix kann mithilfe der Formel $| \begin{array}{c} a & b \\ c & d \end{array} | = a d - c b$ bestimmt werden.

$p (λ) = (- 16 - λ) (- 4 - λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2

Vereinfache die Determinante.

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Schritt 1.5.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 1.5.2.1.1

Multipliziere $(- 16 - λ) (- 4 - λ)$ aus unter Verwendung der FOIL-Methode.

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Schritt 1.5.2.1.1.1

Wende das Distributivgesetz an.

$p (λ) = - 16 (- 4 - λ) - λ (- 4 - λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.1.2

Wende das Distributivgesetz an.

$p (λ) = - 16 \cdot - 4 - 16 (- λ) - λ (- 4 - λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.1.3

Wende das Distributivgesetz an.

$p (λ) = - 16 \cdot - 4 - 16 (- λ) - λ \cdot - 4 - λ (- λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2

Vereinfache und fasse gleichartige Terme zusammen.

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Schritt 1.5.2.1.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 1.5.2.1.2.1.1

Mutltipliziere $- 16$ mit $- 4$ .

$p (λ) = 64 - 16 (- λ) - λ \cdot - 4 - λ (- λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.2

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 16$ .

$p (λ) = 64 + 16 λ - λ \cdot - 4 - λ (- λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.3

Mutltipliziere $- 4$ mit $- 1$ .

$p (λ) = 64 + 16 λ + 4 λ - λ (- λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.4

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

$p (λ) = 64 + 16 λ + 4 λ - 1 \cdot - 1 λ \cdot λ - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.5

Multipliziere $λ$ mit $λ$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 1.5.2.1.2.1.5.1

Bewege $λ$ .

$p (λ) = 64 + 16 λ + 4 λ - 1 \cdot - 1 (λ \cdot λ) - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.5.2

Mutltipliziere $λ$ mit $λ$ .

$p (λ) = 64 + 16 λ + 4 λ - 1 \cdot - 1 λ^{2} - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.6

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 1$ .

$p (λ) = 64 + 16 λ + 4 λ + 1 λ^{2} - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.1.7

Mutltipliziere $λ^{2}$ mit $1$ .

$p (λ) = 64 + 16 λ + 4 λ + λ^{2} - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.2.2

Addiere $16 λ$ und $4 λ$ .

$p (λ) = 64 + 20 λ + λ^{2} - 8 \cdot 8$

Schritt 1.5.2.1.3

Mutltipliziere $- 8$ mit $8$ .

$p (λ) = 64 + 20 λ + λ^{2} - 64$

Schritt 1.5.2.2

Vereine die Terme mit entgegengesetztem Vorzeichen in $64 + 20 λ + λ^{2} - 64$ .

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Schritt 1.5.2.2.1

Subtrahiere $64$ von $64$ .

$p (λ) = 20 λ + λ^{2} + 0$

Schritt 1.5.2.2.2

Addiere $20 λ + λ^{2}$ und $0$ .

$p (λ) = 20 λ + λ^{2}$

Schritt 1.5.2.3

Stelle $20 λ$ und $λ^{2}$ um.

$p (λ) = λ^{2} + 20 λ$

Schritt 1.6

Setze das charakteristische Polynom gleich $0$ , um die Eigenwerte $λ$ zu ermitteln.

$λ^{2} + 20 λ = 0$

Schritt 1.7

Löse nach $λ$ auf.

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Schritt 1.7.1

Faktorisiere $λ$ aus $λ^{2} + 20 λ$ heraus.

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Schritt 1.7.1.1

Faktorisiere $λ$ aus $λ^{2}$ heraus.

$λ \cdot λ + 20 λ = 0$

Schritt 1.7.1.2

Faktorisiere $λ$ aus $20 λ$ heraus.

$λ \cdot λ + λ \cdot 20 = 0$

Schritt 1.7.1.3

Faktorisiere $λ$ aus $λ \cdot λ + λ \cdot 20$ heraus.

$λ (λ + 20) = 0$

Schritt 1.7.2

Wenn irgendein einzelner Faktor auf der linken Seite der Gleichung gleich $0$ ist, dann ist der ganze Ausdruck gleich $0$ .

$λ = 0$

$λ + 20 = 0$

Schritt 1.7.3

Setze $λ$ gleich $0$ .

$λ = 0$

Schritt 1.7.4

Setze $λ + 20$ gleich $0$ und löse nach $λ$ auf.

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Schritt 1.7.4.1

Setze $λ + 20$ gleich $0$ .

$λ + 20 = 0$

Schritt 1.7.4.2

Subtrahiere $20$ von beiden Seiten der Gleichung.

$λ = - 20$

Schritt 1.7.5

Die endgültige Lösung sind alle Werte, die $λ (λ + 20) = 0$ wahr machen.

$λ = 0, - 20$

Schritt 2

The eigenvector is equal to the null space of the matrix minus the eigenvalue times the identity matrix where $N$ is the null space and $I$ is the identity matrix.

$ε_{A} = N (A - λ I_{2})$

Schritt 3

Find the eigenvector using the eigenvalue $λ = 0$ .

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Schritt 3.1

Setze die bekannten Werte in die Formel ein.

$N ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + 0 [\begin{array}{c} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}])$

Schritt 3.2

Vereinfache.

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Schritt 3.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 3.2.1.1

Multipliziere $0$ mit jedem Element der Matrix.

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 0 \cdot 1 & 0 \cdot 0 \\ 0 \cdot 0 & 0 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 3.2.1.2

Vereinfache jedes Element der Matrix.

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Schritt 3.2.1.2.1

Mutltipliziere $0$ mit $1$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 0 & 0 \cdot 0 \\ 0 \cdot 0 & 0 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 3.2.1.2.2

Mutltipliziere $0$ mit $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 0 & 0 \\ 0 \cdot 0 & 0 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 3.2.1.2.3

Mutltipliziere $0$ mit $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 0 & 0 \\ 0 & 0 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 3.2.1.2.4

Mutltipliziere $0$ mit $1$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{array}]$

Schritt 3.2.2

Adding any matrix to a null matrix is the matrix itself.

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Schritt 3.2.2.1

Addiere die entsprechenden Elemente.

$[\begin{array}{c} - 16 + 0 & 8 + 0 \\ 8 + 0 & - 4 + 0 \end{array}]$

Schritt 3.2.2.2

Simplify each element.

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Schritt 3.2.2.2.1

Addiere $- 16$ und $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 + 0 \\ 8 + 0 & - 4 + 0 \end{array}]$

Schritt 3.2.2.2.2

Addiere $8$ und $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 + 0 & - 4 + 0 \end{array}]$

Schritt 3.2.2.2.3

Addiere $8$ und $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 + 0 \end{array}]$

Schritt 3.2.2.2.4

Addiere $- 4$ und $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}]$

Schritt 3.3

Find the null space when $λ = 0$ .

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Schritt 3.3.1

Write as an augmented matrix for $A x = 0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 & 0 \\ 8 & - 4 & 0 \end{array}]$

Schritt 3.3.2

Ermittele die normierte Zeilenstufenform.

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Schritt 3.3.2.1

Multiply each element of $R_{1}$ by $- \frac{1}{16}$ to make the entry at $1, 1$ a $1$ .

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Schritt 3.3.2.1.1

Multiply each element of $R_{1}$ by $- \frac{1}{16}$ to make the entry at $1, 1$ a $1$ .

$[\begin{array}{c} - \frac{1}{16} \cdot - 16 & - \frac{1}{16} \cdot 8 & - \frac{1}{16} \cdot 0 \\ 8 & - 4 & 0 \end{array}]$

Schritt 3.3.2.1.2

Vereinfache $R_{1}$ .

$[\begin{array}{c} 1 & - \frac{1}{2} & 0 \\ 8 & - 4 & 0 \end{array}]$

Schritt 3.3.2.2

Perform the row operation $R_{2} = R_{2} - 8 R_{1}$ to make the entry at $2, 1$ a $0$ .

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Schritt 3.3.2.2.1

Perform the row operation $R_{2} = R_{2} - 8 R_{1}$ to make the entry at $2, 1$ a $0$ .

$[\begin{array}{c} 1 & - \frac{1}{2} & 0 \\ 8 - 8 \cdot 1 & - 4 - 8 (- \frac{1}{2}) & 0 - 8 \cdot 0 \end{array}]$

Schritt 3.3.2.2.2

Vereinfache $R_{2}$ .

$[\begin{array}{c} 1 & - \frac{1}{2} & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}]$

Schritt 3.3.3

Use the result matrix to declare the final solution to the system of equations.

$x - \frac{1}{2} y = 0$

$0 = 0$

Schritt 3.3.4

Write a solution vector by solving in terms of the free variables in each row.

$[\begin{array}{c} x \\ y \end{array}] = [\begin{array}{c} \frac{y}{2} \\ y \end{array}]$

Schritt 3.3.5

Write the solution as a linear combination of vectors.

$[\begin{array}{c} x \\ y \end{array}] = y [\begin{array}{c} \frac{1}{2} \\ 1 \end{array}]$

Schritt 3.3.6

Write as a solution set.

${y [\begin{array}{c} \frac{1}{2} \\ 1 \end{array}] | y \in R}$

Schritt 3.3.7

The solution is the set of vectors created from the free variables of the system.

${[\begin{array}{c} \frac{1}{2} \\ 1 \end{array}]}$

Schritt 4

Find the eigenvector using the eigenvalue $λ = - 20$ .

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Schritt 4.1

Setze die bekannten Werte in die Formel ein.

$N ([\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + 20 [\begin{array}{c} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}])$

Schritt 4.2

Vereinfache.

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Schritt 4.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 4.2.1.1

Multipliziere $20$ mit jedem Element der Matrix.

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 20 \cdot 1 & 20 \cdot 0 \\ 20 \cdot 0 & 20 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 4.2.1.2

Vereinfache jedes Element der Matrix.

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Schritt 4.2.1.2.1

Mutltipliziere $20$ mit $1$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 20 & 20 \cdot 0 \\ 20 \cdot 0 & 20 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 4.2.1.2.2

Mutltipliziere $20$ mit $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 20 & 0 \\ 20 \cdot 0 & 20 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 4.2.1.2.3

Mutltipliziere $20$ mit $0$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 20 & 0 \\ 0 & 20 \cdot 1 \end{array}]$

Schritt 4.2.1.2.4

Mutltipliziere $20$ mit $1$ .

$[\begin{array}{c} - 16 & 8 \\ 8 & - 4 \end{array}] + [\begin{array}{c} 20 & 0 \\ 0 & 20 \end{array}]$

Schritt 4.2.2

Addiere die entsprechenden Elemente.

$[\begin{array}{c} - 16 + 20 & 8 + 0 \\ 8 + 0 & - 4 + 20 \end{array}]$

Schritt 4.2.3

Simplify each element.

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Schritt 4.2.3.1

Addiere $- 16$ und $20$ .

$[\begin{array}{c} 4 & 8 + 0 \\ 8 + 0 & - 4 + 20 \end{array}]$

Schritt 4.2.3.2

Addiere $8$ und $0$ .

$[\begin{array}{c} 4 & 8 \\ 8 + 0 & - 4 + 20 \end{array}]$

Schritt 4.2.3.3

Addiere $8$ und $0$ .

$[\begin{array}{c} 4 & 8 \\ 8 & - 4 + 20 \end{array}]$

Schritt 4.2.3.4

Addiere $- 4$ und $20$ .

$[\begin{array}{c} 4 & 8 \\ 8 & 16 \end{array}]$

Schritt 4.3

Find the null space when $λ = - 20$ .

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Schritt 4.3.1

Write as an augmented matrix for $A x = 0$ .

$[\begin{array}{c} 4 & 8 & 0 \\ 8 & 16 & 0 \end{array}]$

Schritt 4.3.2

Ermittele die normierte Zeilenstufenform.

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Schritt 4.3.2.1

Multiply each element of $R_{1}$ by $\frac{1}{4}$ to make the entry at $1, 1$ a $1$ .

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Schritt 4.3.2.1.1

Multiply each element of $R_{1}$ by $\frac{1}{4}$ to make the entry at $1, 1$ a $1$ .

$[\begin{array}{c} \frac{4}{4} & \frac{8}{4} & \frac{0}{4} \\ 8 & 16 & 0 \end{array}]$

Schritt 4.3.2.1.2

Vereinfache $R_{1}$ .

$[\begin{array}{c} 1 & 2 & 0 \\ 8 & 16 & 0 \end{array}]$

Schritt 4.3.2.2

Perform the row operation $R_{2} = R_{2} - 8 R_{1}$ to make the entry at $2, 1$ a $0$ .

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Schritt 4.3.2.2.1

Perform the row operation $R_{2} = R_{2} - 8 R_{1}$ to make the entry at $2, 1$ a $0$ .

$[\begin{array}{c} 1 & 2 & 0 \\ 8 - 8 \cdot 1 & 16 - 8 \cdot 2 & 0 - 8 \cdot 0 \end{array}]$

Schritt 4.3.2.2.2

Vereinfache $R_{2}$ .

$[\begin{array}{c} 1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}]$

Schritt 4.3.3

Use the result matrix to declare the final solution to the system of equations.

$x + 2 y = 0$

$0 = 0$

Schritt 4.3.4

Write a solution vector by solving in terms of the free variables in each row.

$[\begin{array}{c} x \\ y \end{array}] = [\begin{array}{c} - 2 y \\ y \end{array}]$

Schritt 4.3.5

Write the solution as a linear combination of vectors.

$[\begin{array}{c} x \\ y \end{array}] = y [\begin{array}{c} - 2 \\ 1 \end{array}]$

Schritt 4.3.6

Write as a solution set.

${y [\begin{array}{c} - 2 \\ 1 \end{array}] | y \in R}$

Schritt 4.3.7

The solution is the set of vectors created from the free variables of the system.

${[\begin{array}{c} - 2 \\ 1 \end{array}]}$

Schritt 5

The eigenspace of $A$ is the list of the vector space for each eigenvalue.

${[\begin{array}{c} \frac{1}{2} \\ 1 \end{array}], [\begin{array}{c} - 2 \\ 1 \end{array}]}$