Spectral Theorem

Spectral Theorem

Spectral Theorem Practice Quiz with a Step-by-Step Interactive Lesson

Use the question set below to practice the spectral theorem: recognizing real symmetric and complex Hermitian matrices, proving eigenvalues are real, using orthogonality of eigenspaces, building \(A=QDQ^T\) or \(A=UDU^*\), reading \(\operatorname{tr}A\), \(\det A\), rank, and powers from eigenvalues, expanding \(A=\sum_i\lambda_i q_iq_i^T\), classifying quadratic forms by eigenvalue signs, and spotting projection matrices with eigenvalues \(0\) and \(1\). Open the lesson for focused worked examples and quick checks.

Answer the question set and review your mistakes at the end.

How this spectral theorem practice works

  • 1. Take the practice set: answer questions about symmetric matrices, Hermitian matrices, orthogonal diagonalization, spectral decompositions, trace, determinant, rank, powers, Rayleigh quotients, and definiteness.
  • 2. Open the lesson: review the theorem, recognition tests, worked examples, and single-answer checks.
  • 3. Retry: return to the question set and first decide whether the problem asks about symmetry, eigenvectors, diagonal form, spectral data, or a quadratic form.

What you will learn in the spectral theorem lesson

Self-adjoint matrices

  • Real case: \(A^T=A\) is the signal for the real spectral theorem
  • Complex case: \(A^*=A\) is Hermitian and has real eigenvalues
  • Eigenspaces for distinct eigenvalues are orthogonal

Orthogonal diagonalization

  • Real symmetric matrices admit \(A=QDQ^T\) with \(Q^TQ=I\)
  • The columns of \(Q\) are an orthonormal eigenbasis
  • Repeated eigenvalues still allow orthonormal bases inside their eigenspaces

Spectral decomposition

  • Write \(A=\sum_i\lambda_i q_iq_i^T\) using rank-one orthogonal projections
  • Powers and functions act on eigenvalues: \(f(A)=Qf(D)Q^T\)
  • Trace, determinant, rank, and invertibility are read from eigenvalues

Quadratic forms and projections

  • Use \(x^TAx=\sum_i\lambda_i y_i^2\) after an orthonormal coordinate change
  • Positive definite means all eigenvalues are positive
  • Symmetric projections have eigenvalues only \(0\) and \(1\)

Practice set

ทฤษฎีบทสเปกตรัม practice questions with instant score

Answer all 10 questions below, then get your final score and a mistake review at the end so you know exactly what to improve.

0 / 10 answered
Question 1 Not answered

ทฤษฎีบทสเปกตรัมแบบจริงใช้ได้โดยตรงที่สุดกับเมทริกซ์ชนิดใด

Question 2 Not answered

เกี่ยวกับค่าเอกลักษณ์ของเมทริกซ์สมมาตรจริงกล่าวได้ว่าอย่างไร

Question 3 Not answered

เวกเตอร์ลักษณะเฉพาะของเมทริกซ์สมมาตรที่สอดคล้องกับค่าเอกลักษณ์ต่างกันเป็นอย่างไร

Question 4 Not answered

เมทริกซ์สมมาตรจริงหาเมทริกซ์ทแยงมุมได้โดยใช้

Question 5 Not answered

ถ้า \(A=QDQ^T\) โดยที่ \(Q\) เป็นเมทริกซ์ตั้งฉาก แล้ว \(Q^{-1}\) คืออะไร

Question 6 Not answered

ถ้าเมทริกซ์สมมาตรมีค่าเอกลักษณ์ \(1\) และ \(3\) ค่าบนแนวทแยงของรูปทแยงสเปกตรัมจะเป็นอะไร

Question 7 Not answered

เมทริกซ์ใดเป็นเมทริกซ์สมมาตร

Question 8 Not answered

ถ้าเมทริกซ์สมมาตรมีค่าเอกลักษณ์ที่ซ้ำกัน ทฤษฎีบทสเปกตรัมยังให้ได้ว่า

Question 9 Not answered

ความหมายทางเรขาคณิตของการทำให้เป็นทแยงมุมแบบตั้งฉากคืออะไร

Question 10 Not answered

สำหรับเมทริกซ์สมมาตรจริง การทำให้เป็นทแยงมุมรับประกันได้หรือไม่