<?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE document PUBLIC "-//CNX//DTD CNXML 0.5 plus MathML//EN" "http://cnx.rice.edu/cnxml/0.5/DTD/cnxml_mathml.dtd">
<document xmlns="http://cnx.rice.edu/cnxml" xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="m10738">

  <name>Matrix Diagonalization</name>
  
  <metadata>
  <md:version>2.5</md:version>
  <md:created>2002/07/16</md:created>
  <md:revised>2006/08/02 14:45:27.161 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist>
      <md:author id="mjhaag">
      <md:firstname>Michael</md:firstname>
      
      <md:surname>Haag</md:surname>
      <md:email>mjhaag@rice.edu</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

  <md:maintainerlist>
    <md:maintainer id="mariyah">
      <md:firstname>Mariyah</md:firstname>
      
      <md:surname>Poonawala</md:surname>
      <md:email>mariyah@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer id="prash">
      <md:firstname>Prashant</md:firstname>
      
      <md:surname>Singh</md:surname>
      <md:email>prash@ece.rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer id="mhutch">
      <md:firstname>Matthew</md:firstname>
      
      <md:surname>Hutchinson</md:surname>
      <md:email>mhutch@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
  </md:maintainerlist>
  
  

  <md:abstract>(Blank Abstract)</md:abstract>
</metadata>

  <content>
    
    <!--   <section id='intro'>
  <name>Introduction</name> -->

    <para id="p1_int">
      From our understanding of <cnxn document="m10736" strength="8">eigenvalues and eigenvectors</cnxn> we have
      discovered several things about our operator matrix,
      <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math>.  We know that if the
      eigenvectors of <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> span
      <m:math display="inline">
	<m:apply>
	  <m:power/>
	  <m:complexes/>
	  <m:ci>n</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math> 
      <emphasis>and</emphasis> we know how to express any vector 
      <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> in terms of
      <m:math display="inline">
	<m:apply>
	  <m:set>
	    <m:ci type="vector">
	      <m:msub>
		<m:mi>v</m:mi>
		<m:mn>1</m:mn>
	      </m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:ci type="vector">
	      <m:msub>
		<m:mi>v</m:mi>
		<m:mn>2</m:mn>
	      </m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:ci>…</m:ci>
	    <m:ci type="vector">
	      <m:msub>
		<m:mi>v</m:mi>
		<m:mi>n</m:mi>
	      </m:msub>
	    </m:ci>
	  </m:set>
	</m:apply>
      </m:math>, then we have the operator
      <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> all figured out.  If we have
      <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> acting on <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math>, then this is equal to
      <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> acting on the combinations of
      eigenvectors.  Which we know proves to be fairly easy!  </para>
    
    <para id="p2_int">
      We are still left with two questions that need to be
      addressed:

      <list id="list_int" type="enumerated">
	<item>
	  When do the eigenvectors 
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math> of  <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> span
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:complexes/>
	      <m:ci>n</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> 
	  (assuming <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math> are linearly independent)?
	</item>

	<item>
	  How do we express a given vector <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> in terms of
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math>?	    
	</item>
      </list>	
    </para>
    
    <section id="ans1">
      <name>Answer to Question #1</name>
      <para id="p1_ans1">

	<note type="Question #1">
	  When do the eigenvectors 
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math> of  <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> span
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:complexes/>
	      <m:ci>n</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>?
	</note>

	If <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> has
	<m:math><m:ci>n</m:ci></m:math> <emphasis>distinct</emphasis>
	eigenvalues

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:forall/>
	    <m:bvar>
	      <m:ci>i</m:ci>
	    </m:bvar>
	    <m:condition>
	      <m:apply>
		<m:neq/>
		<m:ci>i</m:ci>
		<m:ci>j</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:neq/>
	      <m:ci><m:msub>
		<m:mi>λ</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	      <m:ci><m:msub>
		<m:mi>λ</m:mi>
		<m:mi>j</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

	where <m:math><m:ci>i</m:ci></m:math> and
	<m:math><m:ci>j</m:ci></m:math> are integers, then 
	<m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> has
	<m:math><m:ci>n</m:ci></m:math> linearly independent
	eigenvectors
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:set>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math> 
	which then span
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:power/>
	    <m:complexes/>
	    <m:ci>n</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>.

	<note type="aside">
	  The proof of this statement is not very hard, but is not
	  really interesting enough to include here.  If you wish to
	  research this idea further, read Strang, G., "Linear Algebra
	  and its Application" for the proof.
	</note>

	Furthermore, <m:math><m:ci>n</m:ci></m:math> distinct
	eigenvalues means 
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:determinant/>
	      <m:apply>
		<m:minus/>
		<m:ci>A</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>λ</m:ci>
		  <m:ci>I</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:ci>λ</m:ci>
		  <m:ci>n</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mrow>
		    <m:mi>n</m:mi>
		    <m:mo>−</m:mo>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:mrow>
		</m:msub></m:ci>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:ci>λ</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>n</m:ci>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>c</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci>λ</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci><m:msub>
		<m:mi>c</m:mi>
		<m:mn>0</m:mn>
	      </m:msub></m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>

	has <m:math><m:ci>n</m:ci></m:math> distinct roots.
      </para>
    </section>


    <section id="ans2">
      <name>Answer to Question #2</name>
      <para id="p1_ans2">
	
	<note type="Question #2">
	  How do we express a given vector <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> in terms of
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math>?	    
	</note>

	We want to find 
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:in/>
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	    <m:complexes/>
	  </m:apply>
	</m:math>
	such that

	<equation id="eq1">
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mn>2</m:mn>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>

	In order to find this set of variables, we will begin by
	collecting the vectors
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:set>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>
	as columns in a n×n matrix <m:math><m:ci>V</m:ci>
	</m:math>.

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>V</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:matrix>
		<m:matrixrow>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:ci> </m:ci>
		  <m:ci>⋮</m:ci>		  
		</m:matrixrow>
		<m:matrixrow>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mn>2</m:mn>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>…</m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:matrixrow>
		<m:matrixrow>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:ci> </m:ci>
		  <m:ci>⋮</m:ci>		  
		</m:matrixrow>
	      </m:matrix>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

	Now <cnxn target="eq1" strength="8"/> becomes

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:matrix>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci> </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>		  
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>…</m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mi>n</m:mi>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci> </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>		  
		  </m:matrixrow>
		</m:matrix>
	      </m:apply>
	      <m:vector>
		<m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub>
	      </m:vector>
	    </m:apply>	   
	  </m:apply>
	</m:math>		
	
	or
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>V</m:ci>
	      <m:ci type="vector">α</m:ci>
	    </m:apply>	  
	  </m:apply>
	</m:math>	

	which gives us an easy form to solve for our variables in
	question, <m:math><m:ci type="vector">α</m:ci></m:math>:

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">α</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:ci>V</m:ci>
		<m:cn>-1</m:cn>
	      </m:apply>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>	
	
	Note that <m:math><m:ci>V</m:ci></m:math> is invertible since
	it has <m:math><m:ci>n</m:ci></m:math> linearly independent
	columns.
      </para>


      <section id="sub1_ans2">
	<name>Aside</name>
	<para id="p1_s1ans2">
	  Let us recall our knowledge of functions and there basis and
	  examine the role of <m:math><m:ci>V</m:ci></m:math>.
	  
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>V</m:ci>
		<m:ci type="vector">α</m:ci>
	      </m:apply>	  
	    </m:apply>
	  </m:math>	

	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:vector>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      </m:vector>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>V</m:ci>
		<m:vector>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		</m:vector>
	      </m:apply>	  
	    </m:apply>
	  </m:math>	
	  
	  where <m:math><m:ci type="vector">α</m:ci></m:math> is
	  just <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> expressed
	  in a different <cnxn document="m10734" target="sec_bas" strength="8">basis</cnxn>:

	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:vector>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:cn>0</m:cn>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:cn>0</m:cn>
		  </m:vector>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:vector>
		    <m:cn>0</m:cn>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:cn>0</m:cn>
		  </m:vector>
		</m:apply>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:vector>
		    <m:cn>0</m:cn>
		    <m:cn>0</m:cn>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:cn>1</m:cn>
		  </m:vector>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>

	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:vector>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		  </m:vector>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		   <m:vector>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		  </m:vector>
		</m:apply>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:vector>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mi>n</m:mi>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		  </m:vector>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	
	  <m:math><m:ci>V</m:ci></m:math> <term>transforms</term>
	  <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> from the
	  standard basis to the basis
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:set>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:set>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>
      </section>
    </section>

    <section id="md_out">
      <name>Matrix Diagonalization and Output</name>
      <para id="p1_mdout">
	We can also use the vectors 
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:set>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:msub>
		  <m:mi>v</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:set>
	  </m:apply>
	</m:math>
	to represent the output, <m:math><m:ci type="vector">b</m:ci>
	</m:math>, of a system:

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">b</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>A</m:ci>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>A</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mn>2</m:mn>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>A</m:ci>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>λ</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>λ</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mn>2</m:mn>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>…</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>α</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>λ</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci type="vector">
		  <m:msub>
		    <m:mi>v</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:ci type="vector">b</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>A</m:ci>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:matrix>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci> </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>		  
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mn>1</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mn>2</m:mn>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>…</m:ci>
		    <m:ci type="vector">
		      <m:msub>
			<m:mi>v</m:mi>
			<m:mi>n</m:mi>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci> </m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>		  
		  </m:matrixrow>
		</m:matrix>
	      </m:apply>
	      <m:vector>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>λ</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>λ</m:mi>
		    <m:mn>1</m:mn>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mi>n</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		</m:apply>
	      </m:vector>
	    </m:apply>	   
	  </m:apply>
	</m:math>		
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>A</m:ci>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>V</m:ci>
	      <m:ci>Λ</m:ci>
	      <m:ci type="vector">α</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>	

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>A</m:ci>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>V</m:ci>
	      <m:ci>Λ</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:ci>V</m:ci>
		<m:cn>-1</m:cn>
	      </m:apply>
	      <m:ci type="vector">x</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

	where <m:math><m:ci>Λ</m:ci></m:math> is the matrix
	with the eigenvalues down the diagonal:

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>Λ</m:ci>
	    <m:matrix>
	      <m:matrixrow>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>λ</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:matrixrow>
	      <m:matrixrow>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>λ</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:matrixrow>
	      <m:matrixrow>
		<m:cn>⋮</m:cn>
		<m:cn>⋮</m:cn>
		<m:ci>⋱</m:ci>
		<m:cn>⋮</m:cn>
	      </m:matrixrow>
	      <m:matrixrow>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:ci>…</m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>λ</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      </m:matrixrow>
	    </m:matrix>
	  </m:apply>
	</m:math>

	Finally, we can cancel out the <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci>
	</m:math> and are left with a final equation for
	<m:math><m:ci>A</m:ci></m:math>:
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>A</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>V</m:ci>
	      <m:ci>Λ</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:power/>
		<m:ci>V</m:ci>
		<m:cn>-1</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

      </para>

      <section id="interp">
	<name>Interpretation</name>
	<para id="p1_inter">
	  For our interpretation, recall our key formulas:

	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci type="vector">α</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:ci>V</m:ci>
		  <m:cn>-1</m:cn>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector">x</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>	

	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>b</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:sum/>
		<m:domainofapplication>
		  <m:ci>i</m:ci>
		</m:domainofapplication>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>α</m:mi>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci><m:msub>
		    <m:mi>λ</m:mi>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">
		    <m:msub>
		      <m:mi>v</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  
	  We can interpret operating on <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci></m:math> with
	  <m:math><m:ci>A</m:ci></m:math> as:
	  
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:tendsto/>
	      <m:apply>
		<m:tendsto/>
		<m:apply>
		  <m:tendsto/>
		  <m:vector>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  </m:vector>

		  <m:vector>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>α</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		    <m:ci>⋮</m:ci>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>α</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  </m:vector>
		</m:apply>
		<m:vector>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>λ</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>α</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci>⋮</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>λ</m:mi>
		      <m:mn>1</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		    <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>α</m:mi>
		      <m:mi>n</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  </m:apply>
		</m:vector>
	      </m:apply>
	      <m:vector>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>b</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub></m:ci>
		<m:ci>⋮</m:ci>
		<m:ci><m:msub>
		  <m:mi>b</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      </m:vector>
	    </m:apply>
	  </m:math>		      
	  
	  where the three steps (arrows) in the above illustration represent
	  the following three operations:
	  <list id="inter_list" type="enumerated">
	    <item>
	      Transform <m:math><m:ci type="vector">x</m:ci> </m:math>
	      using
	      <m:math>
		<m:apply>
		  <m:power/>
		  <m:ci>V</m:ci>
		  <m:cn>-1</m:cn>
		</m:apply>
	      </m:math>, which yields 
	      <m:math><m:ci type="vector">α</m:ci></m:math>
	    </item>
	    <item>
	      Multiplication by <m:math><m:ci>Λ</m:ci>
	      </m:math>
	    </item>
	    <item>
	      Inverse transform using <m:math><m:ci>V</m:ci>
	      </m:math>, which gives us <m:math><m:ci type="vector">b</m:ci></m:math>
	    </item>
	  </list>

	  <emphasis>This is the paradigm we will use for LTI systems!</emphasis>
	</para>

	<figure id="fig1">
	  <media type="image/png" src="eigv_sys.png"/>
	  <caption>
	    Simple illustration of LTI system!
	  </caption>
	</figure>

      </section><para id="element-342"><media type="application/x-labviewrpvi80" src="LinearAlgebraCalc3.llb">
		<param name="lvfppviname" value="Linear Algebra Calculator.vi"/>
		<param name="width" value="625"/>
		<param name="height" value="420"/>
	</media></para>


    </section>
    

  </content>
</document>
