Lo studio di un sistema passa dai suoi modi naturali, e i modi si leggono in eAt. Con autovalori reali e distinti l'esponenziale si calcola diagonalizzando, A=UΛU−1: ogni autovalore dà un autovettore, e gli n autovettori formano U. Qui si tolgono due ipotesi, una alla volta: autovalori ripetuti, poi autovalori complessi.
Se gli autovalori sono reali ma non tutti distinti, il polinomio caratteristico ha K radici distinte, ciascuna con la sua molteplicità algebrica ri:
Le radici sono comunque n, alcune uguali fra loro. Per λ1 si risolve una sola volta (A−λ1I)u=0 e si contano le soluzioni indipendenti. Ne servono r1, cioè u11,…,u1r1:
dimker(A−λ1I)=r1
Se ci sono, U si completa come nel caso distinto: ha per colonne tutti gli autovettori e Λ ripete λ1 per r1 volte sulla diagonale. Si può usare A=UΛU−1.
Se mancano, U non si completa e A non è diagonalizzabile. Questo caso si tratta a parte, con la forma di Jordan.
Esempio: un autovalore doppio
Sia n=3, con λ1=1 di molteplicità algebrica 2 e λ2=2. Ci sono due autovettori indipendenti u11,u12 per λ1 e un autovettore u2 per λ2. I v sono le righe di U−1, nello stesso ordine:
I primi due termini hanno la stessa legge eλ1t, quindi si raccolgono:
xc(t)=eλ1t[u11v11+u12v12]x0+eλ2tu2v2x0
Ogni prodotto colonna per riga è una matrice n×n di rango 1. La somma fra parentesi è invece
u11v11+u12v12=(u11u12)(v11v12)
cioè una matrice n×2 per una 2×n: ha rango 2. Il rango del coefficiente di un esponenziale dà la molteplicità geometrica di quell'autovalore. Se in eAt di una matrice 3×3 compaiono solo et e e2t, un autovalore è ripetuto, e lo si riconosce dal rango del suo coefficiente.
Geometria. Con c11=v11x0 e c12=v12x0, uno stato iniziale nel piano di u11 e u12 è x0=c11u11+c12u12, e v2x0=0. Allora xc(t)=eλ1tx0: lo stato resta sulla retta che parte da x0. Il piano è invariante, e ogni suo vettore si comporta da autovettore. La scelta di u11 e u12 è arbitraria: è invariante il piano, non la base.
Un modo naturale è osservabile se la sua legge temporale compare nell'uscita. Supponiamo Cu11=0 e Cu12=0. Guardando solo u11 il modo sembrerebbe inosservabile, ma eλ1t compare comunque, attraverso u12. Nell'uscita la parte geometrica sparisce: si vede la legge eλ1t, non da quale autovettore viene. Inoltre u11 è una scelta arbitraria: con un'altra base dello stesso piano lo zero starebbe altrove. Perciò il modo è inosservabile solo se C annulla tutto l'autospazio, cioè Cu11=Cu12=0. Così la conclusione non dipende dalla base.
Per l'eccitabilità vale lo stesso con B: il modo non è eccitabile quando v11B=v12B=0.
Autovalori complessi coniugati
Se A è reale, il polinomio caratteristico ha coefficienti reali, e gli autovalori complessi vengono in coppia: con λ=α+iω c'è anche λ∗=α−iω. Sono distinti fra loro: se lo sono anche gli altri autovalori, si hanno ancora n autovettori indipendenti. Coniugando (A−λI)u=0 si ottiene (A−λ∗I)u∗=0, perché A è reale: l'autovettore di λ∗ è u∗, senza altri calcoli.
U=(uu∗u3⋯un),Λ=diag(λ,λ∗,λ3,…,λn)
Il problema è che lo stato è reale, mentre qui compaiono i ovunque. Non si vede che andamento abbia eλt con λ complesso, e un autovettore come u=(1,2,1)⊤+i(0,1,1)⊤ non si disegna in R3. Le sue due parti, invece, sono vettori reali: (1,2,1)⊤ e (0,1,1)⊤. L'espressione finale è reale, quindi gli i si semplificano da soli: conviene toglierli prima.
Si può farlo perché ogni autovettore genera un sottospazio invariante, e ciò che accade in uno non è visto dagli altri. Si lavora solo nel sottospazio della coppia, e per scrivere meno si prende n=2, con Λ=diag(λ,λ∗).
Una base reale
Si scrive u=ua+iub, con ua e ub reali (nell'esempio sopra, (1,2,1)⊤ e (0,1,1)⊤), e si separa (A−αI−iωI)(ua+iub)=0 in parte reale e parte immaginaria, entrambe nulle:
(A−αI)ua+ωub=0,(A−αI)ub−ωua=0
È un sistema reale in ua e ub. Si legge anche così: Aua=αua−ωub e Aub=ωua+αub. Nella base (uaub) le coordinate di Aua e Aub sono (α,−ω)⊤ e (ω,α)⊤: le colonne del blocco J di A in quel piano.
Lo stesso blocco esce dal cambio di base. Poiché u=ua+iub e u∗=ua−iub (la matrice a destra è invertibile, quindi ua e ub sono indipendenti come u e u∗),
Tutto è tornato reale. eαt decide se l'evoluzione cresce o decade, seno e coseno la fanno oscillare con pulsazione ω.
Un blocco reale: spirale e oscillazione
ccomponente su uacomponente su ub
eJtc
t
eαtcosωt
eαt
−eαt
Con α<0 la spirale si chiude sull'origine, con α=0 è un cerchio, con α>0 si apre; ω dice quanto in fretta gira.
Cosa si perde
ua e ub non sono autovettori: sono combinazioni di due autovettori, invarianti solo insieme. Anche J non è diagonale. Nel piano generato da ua e ub nessuna retta reale è invariante: lo è il piano nel suo insieme. Riassumendo, un autovalore reale dà un sottospazio invariante di dimensione 1, una coppia complessa coniugata un sottospazio invariante di dimensione 2. Con gli altri autovalori la matrice resta a blocchi: