Valeur propre

Plonge dans le monde fascinant des mathématiques de l'ingénieur en décortiquant le concept de valeur propre. Ce guide inestimable vise à démystifier ce sujet complexe et permet de comprendre en profondeur la signification, la décomposition et les applications de la valeur propre, des fondements théoriques fondamentaux aux exemples pratiques. Découvre la portée et les applications de la valeur propre en ingénierie et plonge dans les subtilités des valeurs propres liées aux matrices. Explore l'impact profond des applications des valeurs propres sur la résolution des problèmes d'ingénierie du monde réel. Ce guide complet est conçu pour élucider l'essence des valeurs propres dans les mathématiques de l'ingénierie afin d'améliorer ton parcours d'apprentissage.

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    Comprendre les valeurs propres : Un guide complet

    Dans le domaine fascinant des mathématiques de l'ingénieur, tu peux rencontrer un terme qui semble compliqué, mais qui est en fait central pour comprendre de nombreux concepts disciplinaires : Valeur propre.

    Décoder la signification de la valeur propre en mathématiques de l'ingénieur

    Tu te demandes peut-être ce qu'est exactement cette valeur propre ? Et pourquoi est-elle cruciale en mathématiques de l'ingénieur ? Décodons cela ensemble.

    Une valeur propre est un scalaire associé à un système d'équations linéaires ; c'est un concept d'une immense importance dans les équations différentielles, la physique et bien d'autres domaines.

    Le concept s'articule autour de la transformation linéaire, des matrices et des vecteurs. Pour comprendre les valeurs propres, tu dois te familiariser avec les termes vecteurs et matrices.

    • Un vecteur (en termes simples) peut être considéré comme une quantité définie par une magnitude et une direction.
    • La matrice, quant à elle, est un arrangement rectangulaire de nombres en lignes et en colonnes.

    La valeur propre signifie le facteur par lequel un vecteur correspondant (appelé vecteur propre) est étiré ou écrasé sous une transformation ou une opération donnée.

    Pour calculer les valeurs propres, tu dois te familiariser avec le concept du déterminant d'une matrice. En outre, tu dois comprendre comment résoudre les équations caractéristiques, qui sont des équations polynomiales dérivées des matrices.

    Wolfgang Krull, mathématicien allemand renommé, a été le premier à utiliser le terme valeur propre dans le contexte de l'algèbre linéaire. Le terme "Eigen" est un mot allemand qui signifie "soi-même" ou "propre".

    Simplifier le concept de valeur propre

    Simplifions un peu plus les choses. Dans un scénario, imagine que tu as fait correspondre une matrice spécifique à un vecteur. Maintenant, dans le cadre de ce mappage, le vecteur est étiré, écrasé ou parfois ne change pas du tout. Ce "changement" ou ce "non-changement" est ce que la valeur propre mesure pour le vecteur spécifique.

    La formule de la valeur propre peut être représentée par \(Av = \lambda v\), où \(v\) est le vecteur propre, \(\lambda\) est la valeur propre, et \(A\) est une matrice carrée.

    Prenons une illustration : Étant donné une matrice carrée A = \[\combinaison{matrice} 4 & 1 \combinaison{matrice} 2 & 3 \cfin{matrice}\], trouvons ses valeurs propres. Tout d'abord, tu formes l'équation caractéristique det(A - \lambdaI) = 0, où I est la matrice d'identité, et \(\lambda\) indique les valeurs propres. Après avoir résolu cette équation polynomiale, tu obtiens les valeurs propres.

    Différents points de vue sur la signification des valeurs propres

    Bien que nous ayons principalement discuté des valeurs propres en termes de matrices et de vecteurs, il est important de noter que la portée du concept ne se limite pas à cela. Les valeurs propres jouent un rôle crucial dans diverses branches de l'ingénierie et au-delà.

    Domaine Application
    Ingénierie électrique Analyse de la stabilité des systèmes
    Ingénierie mécanique Analyse des vibrations
    Science des données Analyse des composantes principales dans l'apprentissage automatique
    Physique quantique Pour trouver des états quantiques et des niveaux d'énergie

    Comprendre les valeurs propres ouvre en effet une pléthore de concepts et d'applications intrigants dans ton parcours d'ingénieur.

    Théologie de la décomposition des valeurs propres

    En mathématiques de l'ingénieur, la valeur propre est l'un des aspects sur lesquels on se concentre. Pourtant, il existe un autre concept allié et tout aussi fascinant à explorer : La décomposition des valeurs propres. Comprendre la décomposition des valeurs propres permet une exploration plus approfondie des systèmes d'équations linéaires et offre une compréhension profonde des transformations géométriques.

    Étapes et approche de la décomposition en valeurs propres

    La décomposition en valeurs propres, également connue sous le nom de décomposition spectrale, est la factorisation d'une matrice sous une forme canonique. Cette procédure permet d'exprimer la matrice en fonction de ses valeurs propres et de ses vecteurs propres.

    Mais, avant de te plonger dans la décomposition en valeurs propres, il est crucial de savoir trouver les valeurs propres et les vecteurs propres associés.

    Voici une approche méthodique de la décomposition des valeurs propres :

    1. Commence par calculer les valeurs propres de la matrice donnée.
    2. Calcule ensuite les vecteurs propres correspondant à chaque valeur propre distincte.
    3. Diagonalise la matrice en utilisant les vecteurs propres et les valeurs propres calculés.

    La diagonale principale de la matrice diagonalisée est constituée des valeurs propres, et les colonnes correspondantes de la matrice résultante sont les vecteurs propres respectifs.

    En termes mathématiques, la décomposition des valeurs propres d'une matrice \(A\) peut être représentée par \(A = PDP^{-1}\), où \(D\) est la matrice diagonale comprenant les valeurs propres de \(A\), et \(P\) est la matrice formée par les vecteurs propres correspondants.

    Exemples de décomposition des valeurs propres en mathématiques de l'ingénieur

    Comprendre la décomposition des valeurs propres à l'aide d'exemples peut démystifier les expressions mathématiques intimidantes et le processus global impliqué.

    Considérons une matrice \( A = \[ \N- début{matrice} 4 & 1 \N- 2 & 3 \N- fin{matrice} \N] \N). Commence par trouver les valeurs propres et les vecteurs propres correspondants. En simplifiant, les valeurs propres \(\lambda1\) et \(\lambda2\) sont respectivement 2 et 5. Désignons les vecteurs propres correspondants par \(v1\) et \(v2\). Plaçons maintenant les vecteurs propres dans une matrice \( P = \[ \begin{matrix} v1 & v2 \end{matrix} \] \) et les valeurs propres comme éléments diagonaux dans une matrice \( D = \[ \begin{matrix} \lambda1 & 0 \\\0 & \lambda2 \end{matrix} \] \). Trouve ensuite \Npour P^-1 \Nqui est l'inverse de \Npour P \N. La décomposition de \N( A \N) serait alors donnée comme \N( A = PDP^-1 \N).

    Implications pratiques de la décomposition des valeurs propres

    Bien qu'il soit possible de plonger profondément dans ses aspects théoriques, la véritable beauté de la décomposition en valeurs propres réside dans son utilité dans de multiples domaines d'application.

    • Apprentissage automatique et science des données : La décomposition des valeurs propres joue un rôle essentiel dans l'analyse en composantes principales (ACP), une technique utilisée pour réduire la dimensionnalité de grands ensembles de données, en préservant autant de variabilité que possible.
    • Physique : La décomposition des valeurs propres contribue de manière cruciale à la compréhension des tenseurs de moment d'inertie en physique mécanique et des états quantiques en mécanique quantique.
    • Traitement du signal : Elle est utilisée dans des domaines tels que le traitement des images et le traitement des signaux vocaux.
    • Ingénierie structurelle : Elle est utile dans l'analyse des structures et des machines.

    En conclusion, la décomposition en valeurs propres, bien qu'il s'agisse d'un concept mathématique complexe, apporte une valeur significative à divers domaines, qu'il s'agisse d'ingénierie, de physique ou de science des données. Comprendre son fonctionnement et ses applications peut te permettre de faire un bond en avant dans tes capacités mathématiques.

    Exploration d'exemples de valeurs propres en mathématiques

    Les valeurs propres trouvent leur utilité dans une grande variété de disciplines mathématiques et scientifiques. Des exemples pratiques peuvent t'aider à élucider les fondements théoriques complexes de ce concept et te permettre d'en saisir plus facilement les applications.

    Comprendre à l'aide d'exemples de valeurs propres

    Pour comprendre efficacement le concept des valeurs propres, il est essentiel de travailler à partir d'exemples pratiques. Prenons un exemple de calcul étape par étape pour bien comprendre ce concept.

    Considérons une matrice 2x2 \N( A = \N[ \Nbegin{matrix} 4 & 1 \N2 & 3 \Nend{matrix} \N] \N).

    Tout d'abord, tu dois dériver l'équation caractéristique de cette matrice. La forme générale de l'équation caractéristique est donnée par la formule det \(A - \lambda I\), où \(\lambda\) représente les valeurs propres inconnues que nous devons résoudre, \(I\) est la matrice identité, et \(A\) est la matrice donnée.

    À la suite de substitutions et de calculs, tu obtiens une équation quadratique. Désignons-la par \(f(\lambda) = \lambda^2 - 7\lambda + 10\).

    En résolvant cette équation quadratique, tu peux déduire que les valeurs propres de cette matrice sont \N( \lambda1 = 2 \N) et \N( \lambda2 = 5 \N). Ce résultat informe que sous la transformation représentée par cette matrice, les vecteurs sont mis à l'échelle soit par un facteur de 2, soit par un facteur de 5.

    Exemples de valeurs propres basés sur des applications

    Les problèmes de valeurs propres ont une importance significative dans un grand nombre de scénarios du monde réel. La description de la forme du terrain, le traitement des images, l'analyse des flux de circulation et les systèmes de reconnaissance faciale sont quelques domaines dans lesquels les équations des valeurs propres sont généralement utilisées.

    Par exemple, dans le cas de la reconnaissance faciale, une base de données de visages est recherchée. Les images sont transformées en vecteurs et organisées en une matrice massive. La décomposition des valeurs propres de cette matrice permet d'obtenir un ensemble de vecteurs propres, connus sous le nom de "faces propres". Ces visages propres, essentiellement un ensemble réduit de caractéristiques, sont ensuite utilisés pour comparer et reconnaître différents visages.

    L'algorithme PageRank de Google constitue une autre illustration fascinante. Cet algorithme calcule l'importance d'une page web par rapport aux autres pages web du réseau Internet. Dans une représentation simplifiée, l'internet est modélisé comme un graphe, où les pages web sont des nœuds, et les liens entre elles des arêtes. L'algorithme PageRank résout un problème de valeur propre avec téléportation pour identifier les pages ayant la plus grande "importance" ou le plus grand "trafic".

    Résolution des problèmes de valeurs propres à l'aide d'exemples

    La résolution des problèmes de valeurs propres est un moyen de mieux comprendre le comportement des systèmes linéaires dans les contextes des mathématiques, de la physique et de l'ingénierie.

    Étape 1: Formuler l'équation des valeurs propres pour le système donné, qui comprend généralement une matrice et un vecteur inconnu.
    Étape 2: Résoudre l'équation caractéristique dérivée de la matrice pour calculer les valeurs propres inconnues.
    Étape 3: Substituer chaque valeur propre calculée dans l'équation des valeurs propres pour calculer les vecteurs propres correspondants.
    Étape 4: S'il y en a, déboguer toute incohérence mathématique ou erreur de calcul dans le processus.
    Étape 5: Analyse les résultats dans le contexte du problème, comme la stabilité du système, les états de propriété ou les transformations géométriques.

    En fait, un problème de valeurs propres bien formulé peut être résolu à l'aide de divers logiciels mathématiques, tels que MATLAB et Mathematica, qui intègrent des fonctions et des outils de visualisation optimisés pour la résolution de problèmes de valeurs propres.

    En prenant MATLAB comme exemple, l'extrait de code ci-dessous peut être utilisé pour calculer les valeurs propres et les vecteurs propres d'une matrice :

    [A,V] = eig(A) ;

    Dans le code ci-dessus, \N( A \N) est la matrice donnée et \N( [A,V] \N) sont les vecteurs propres et les valeurs propres qui en résultent.

    En conclusion, bien que complexe par nature, la compréhension des valeurs propres à l'aide d'exemples et d'applications clarifie considérablement ce concept vital. De plus, cela t'ouvre des portes pour appliquer ces principes à la résolution de problèmes dans un contexte réel, axé sur l'application.

    Portée et applications des valeurs propres en ingénierie

    Le concept de valeur propre est omniprésent dans ton étude des mathématiques de l'ingénieur, car il joue un rôle essentiel dans divers domaines de l'ingénierie. En étudiant les équations mathématiques, les valeurs propres te permettent de comprendre et d'analyser certaines propriétés qui restent inchangées sous l'effet des transformations, ce qui aide à déterminer les caractéristiques inhérentes d'un système et son évolution dans le temps.

    Applications des valeurs propres dans divers domaines

    Les valeurs propres sont largement utilisées dans divers domaines des mathématiques, de la physique et de l'ingénierie et offrent de nombreuses possibilités de compréhension et de manipulation des systèmes.

    Examinons leur importance dans plusieurs disciplines :

    • Transformations linéaires : Les valeurs propres consistent essentiellement à transformer une fonction en une autre tout en conservant la même structure sous-jacente. Cela permet de mieux comprendre le fonctionnement réel de nombreux phénomènes, notamment le son, la lumière et les particules quantiques.
    • Systèmes de contrôle : Dans les systèmes de contrôle, les valeurs propres aident à déterminer la stabilité d'un système en transmettant des informations sur la réponse du système à une entrée donnée. Un système avec des valeurs propres positives peut être considéré comme instable car il diverge avec le temps, alors qu'un système avec des valeurs propres négatives est stable car il a tendance à converger vers zéro avec le temps.
    • Ingénierie structurelle : En ingénierie structurelle, les valeurs propres sont utilisées sous forme de fréquence et de facteur de charge dans l'étude des problèmes de stabilité élastique linéaire. Les valeurs propres de la matrice de rigidité de la structure aident à déterminer les charges critiques et les formes de flambage pour différents modes de défaillance.
    • Dynamique des fluides : dans la dynamique des fluides, les valeurs propres peuvent être utilisées pour diagnostiquer et prédire les schémas d'écoulement des fluides. Les valeurs propres peuvent aider à caractériser différents types d'écoulement, tels que le tourbillon, le cisaillement ou l'irrotation.
    • Analyse des vibrations : Les valeurs propres sont largement utilisées dans l'analyse des vibrations des systèmes simples et complexes, où elles représentent les fréquences naturelles du système vibrant.

    Mathématiquement, tu peux représenter ces opérations en utilisant les valeurs propres par l'équation des valeurs propres : \[Av = \lambda v\] où \(A\) est une matrice carrée, \(\lambda\) est la valeur propre et \(v\) est le vecteur propre correspondant.

    Utilisation de la valeur propre dans des problèmes d'ingénierie réels

    Les problèmes d'ingénierie dans le monde réel impliquent souvent des systèmes complexes qu'il peut être difficile d'analyser directement. Cependant, ces systèmes peuvent être décomposés en parties plus simples à l'aide de l'analyse des valeurs propres.

    Par exemple, en électrotechnique, les valeurs propres sont utilisées dans l'analyse des systèmes linéaires invariants dans le temps (LTI), qui décrivent tout système qui effectue une opération linéaire et dont la sortie ne change pas dans le temps. Les valeurs propres de la matrice du système fournissent des informations cruciales sur la stabilité du système.

    Dans une procédure connue sous le nom d'analyse pôle-zéro, les valeurs propres de la matrice du système (les pôles du système) peuvent être déterminées. Le point auquel la sortie du système devient infinie (les zéros du système) peut également être calculé en raison de leur relation directe avec les valeurs propres.

    Un autre exemple convaincant de l'utilisation des valeurs propres dans un problème d'ingénierie réel est la conception et l'analyse des structures en treillis dans le domaine du génie civil. Le problème des valeurs propres des fermes, formulé à l'aide de la matrice de rigidité de la structure, permet à l'ingénieur de calculer la charge critique (la charge à laquelle le flambage se produit) et la forme du mode de flambage correspondant.

    Impact et importance des applications des valeurs propres

    Les applications des valeurs propres constituent l'épine dorsale de l'analyse technique moderne, jouant un rôle essentiel dans l'élucidation des systèmes complexes et la promotion de l'innovation.

    Par exemple, l'analyse des valeurs propres dans les systèmes de contrôle favorise le développement de mécanismes de contrôle plus précis et plus efficaces. Cette précision et cette efficacité se traduisent par des procédures industrielles plus sûres et plus fiables, comme les processus d'automatisation dans les secteurs manufacturiers.

    De même, en génie civil et structurel, l'analyse des valeurs propres permet aux professionnels de concevoir des infrastructures plus sûres et plus fiables. Cette prévision facilite l'identification des conditions de charge critiques, garantissant ainsi une meilleure sécurité de la construction.

    Le domaine de l'ingénierie environnementale utilise les techniques des valeurs propres pour évaluer les niveaux de pollution, la dynamique des flux et d'autres aspects fondamentaux. Même dans le domaine de l'informatique, la décomposition en valeurs propres (une méthode liée aux valeurs propres) constitue la base de nombreux algorithmes importants, comme le PageRank de Google et les méthodes de reconnaissance des visages dans les images.

    Comme l'illustrent ces exemples, l'impact et l'importance des applications des valeurs propres ne peuvent être surestimés. Une bonne compréhension des valeurs propres et de leurs applications peut favoriser l'innovation et la résolution de problèmes dans diverses disciplines d'ingénierie.

    Approfondir les valeurs propres liées aux matrices

    L'exploration des valeurs propres dans le contexte des matrices permet de mieux comprendre la nature des transformations et les propriétés inhérentes à certaines matrices. Surtout, elle montre comment les matrices peuvent changer fondamentalement de forme, tout en conservant la même structure sous-jacente.

    Valeurs propres d'une matrice : Une plongée en profondeur

    Les valeurs propres d'une matrice sont un ensemble de scalaires associés à une transformation linéaire donnée qui découle des éléments de l'espace vectoriel soumis à la transformation. Elles présentent des informations essentielles sur le facteur d'échelle par lequel la longueur des vecteurs est modifiée dans le cadre du processus de transformation.

    Par définition, une valeur propre \(\lambda\) d'une matrice carrée \(A\) est un scalaire tel que si \(v\) est un vecteur (non nul) satisfaisant à l'équation \(Av = \lambda v\), alors le vecteur \(v\) est un vecteur propre correspondant à la valeur propre \(\lambda\).

    L'importance des valeurs propres va au-delà de la simple information sur l'échelle. Elles sont également essentielles pour comprendre la stabilité des systèmes, la conservation des quantités physiques, et ouvrent les portes du vaste domaine de la diagonalisation et du théorème spectral.

    • Stabilité des systèmes : Les valeurs propres sont utilisées pour identifier les caractéristiques de stabilité de divers systèmes. Par exemple, dans le cas des systèmes dynamiques, une partie réelle positive d'une valeur propre indique un système instable, tandis qu'une partie réelle négative suggère un système stable.
    • Conservation des quantités physiques : En mécanique quantique, les valeurs propres sont utilisées pour identifier les quantités physiques conservées d'un système donné. Il s'agit de quantités qui restent constantes sous l'effet d'une transformation, ce qui donne des indications précieuses sur la dynamique du système.
    • Diagonalisation et théorème spectral : Les valeurs propres servent de base à la diagonalisation des matrices, un processus qui simplifie les opérations sur les matrices et aide à comprendre la structure sous-jacente d'une matrice. De même, le théorème spectral, qui s'applique aux matrices symétriques, permet de décomposer une matrice en un ensemble d'équations plus simples et découplées.

    Valeurs propres d'une matrice symétrique : Signification et importance

    Dans le contexte des matrices symétriques, les valeurs propres possèdent des propriétés uniques et primordiales. Une matrice symétrique est une matrice dont les éléments situés de part et d'autre de la diagonale principale sont des images miroir l'une de l'autre, représentée mathématiquement par \(A = A^{T}\) où \(T\) désigne l'opération de transposition.

    Les matrices symétriques sont particulièrement importantes car elles ont toujours des valeurs propres réelles, même dans les espaces vectoriels complexes. Cette propriété est remarquable car elle garantit l'existence d'une valeur propre réelle pour chaque vecteur propre, ce qui rend ces matrices plus faciles à gérer d'un point de vue informatique.

    En outre, les matrices symétriques possèdent la propriété d'orthogonalité parmi leurs vecteurs propres, ce qui signifie que les vecteurs propres correspondant à des valeurs propres distinctes sont orthogonaux, ou perpendiculaires, l'un à l'autre. Cette propriété simplifie considérablement les calculs, en particulier dans des disciplines telles que la physique où de telles conditions d'orthogonalité se produisent régulièrement.

    Approche de la recherche des valeurs propres d'une matrice

    Le calcul des valeurs propres d'une matrice implique une série d'étapes ancrées sur l'équation caractéristique. L'équation caractéristique est dérivée du déterminant de la différence entre la matrice et le produit de la valeur propre inconnue et de la matrice identité, représentée mathématiquement par \(|A - \lambda I| = 0\). En résolvant cette équation, tu peux obtenir les valeurs propres de la matrice en question.

    Les étapes à suivre sont les suivantes :

    • Formule l'équation caractéristique : Pour une matrice donnée "A", soustrais \(\lambda\) (la valeur propre inconnue) fois la matrice identité, "I", de "A". Détermine ensuite le déterminant de la matrice résultante et égalise-le à zéro. Cette équation est l'équation caractéristique.
    • Résous l'équation caractéristique : Résous maintenant l'équation de \(\lambda\) pour trouver les valeurs de \(\lambda\) qui satisfont l'équation. Ce sont tes valeurs propres.
    • Répète l'opération pour toutes les valeurs propres : Le processus doit être répété pour chaque valeur propre dérivée de l'équation caractéristique afin de garantir une solution complète.

    Prenons l'extrait de code Python suivant qui utilise la bibliothèque NumPy et qui calcule les valeurs propres d'une matrice 2x2 donnée :

    import numpy as np matrix = np.array([[4, 1], [2, 3]]) eigenvalues = np.linalg.eigvals(matrix) print(eigenvalues)

    Dans ce code, la fonction linalg.eigvals de NumPy calcule les valeurs propres de la matrice spécifiée.

    En fait, la relation entre les matrices et les valeurs propres est puissante, car elle permet de disséquer des transformations complexes et de comprendre la structure et les propriétés fondamentales du système représenté par la matrice.

    Valeurs propres - Principaux enseignements

    • La décomposition en valeurs propres, également connue sous le nom de décomposition spectrale, est la factorisation d'une matrice en une forme canonique exprimée en termes de valeurs propres et de vecteurs propres.
    • Le processus de décomposition des valeurs propres implique le calcul des valeurs propres de la matrice donnée, le calcul des vecteurs propres pour chaque valeur propre distincte et la diagonalisation de la matrice à l'aide des vecteurs propres et des valeurs propres calculés.
    • Les applications de la décomposition des valeurs propres comprennent des utilisations dans l'apprentissage automatique, la science des données, la physique, le traitement des signaux et l'ingénierie structurelle.
    • Les valeurs propres sont essentielles pour comprendre et résoudre des scénarios du monde réel tels que les descriptions de formes de terrain, le traitement d'images, l'analyse des flux de circulation, les systèmes de reconnaissance faciale.
    • Les valeurs propres jouent un rôle essentiel dans divers domaines de l'ingénierie en permettant la compréhension et l'analyse de certaines propriétés qui restent inchangées sous l'effet des transformations, en aidant à déterminer les caractéristiques inhérentes d'un système et son évolution dans le temps.
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    Questions fréquemment posées en Valeur propre
    Qu'est-ce qu'une valeur propre en ingénierie?
    Une valeur propre est un nombre caractéristique associé à une matrice ou un opérateur linéaire, indiquant les facteurs par lesquels un vecteur propre est étiré.
    Comment trouve-t-on les valeurs propres?
    Pour trouver les valeurs propres, on résout l'équation caractéristique det(A - λI) = 0, où A est la matrice donnée et λ représente les valeurs propres.
    Pourquoi les valeurs propres sont-elles importantes en technologie?
    Les valeurs propres sont cruciales pour analyser les systèmes dynamiques, la stabilité des constructions et les vibrations des structures en ingénierie.
    Quelle est la relation entre vecteurs propres et valeurs propres?
    Un vecteur propre associé à une valeur propre λ est un vecteur qui, multiplié par une matrice, donne un vecteur colinéaire à lui-même, étiré par λ.

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