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线性代数入门/特征值和特征向量

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在讨论特征值、特征向量对角化之前,我们先提供一些动机。

示例。 (对角矩阵的幂公式) 令 . 那么, 对于每个正整数 ,因为 我们可以通过归纳法证明对角矩阵的幂公式。

示例.. 那么,可以计算出 . 令 . 那么,

从这个例子可以看出,对于一些特殊的矩阵,它们的幂可以通过以下形式方便地计算出来:,其中 是可逆矩阵, 是对角矩阵。

当然,给定一个矩阵,我们会想知道它是否可以表示为 的形式,如果可以, 是什么,以便我们可以方便地计算它的幂。 这是本章的主要目标。

特征值,特征向量和对角化

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鉴于动机部分,我们有以下定义。

定义。 (可对角化矩阵) 方阵 可对角化 的,如果存在一个 可逆 矩阵 ,使得 是对角矩阵。

备注。 等价的条件是 对于一些对角矩阵 和可逆矩阵 ,这与动机部分的形式相匹配。 因此,如果一个矩阵是 可对角化 的,我们可以方便地计算它的幂。

示例。 矩阵 可对角化 的,因为存在 ,使得 是对角矩阵(即 )。 此外,存在 ,使得

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练习。

选择所有 可对角化 矩阵。

零矩阵。
对角矩阵。


以下是与对角化在某种程度上相关的重要的通用概念。

定义。(特征向量和特征值)设 为方阵。如果存在一个标量 使得 ,则一个 非零 向量 的一个 特征向量,则 对应于 特征向量 的一个 特征值

备注。

  • 表示将向量 乘以矩阵 等价于将其乘以一个标量(向量的缩放)。
  • 前缀 eigen- 的意思是“自己的”、“适当的”和“特征的”。

示例。(单位矩阵的特征向量)每个向量 的一个特征向量,因为 对于每个向量 ,它们的对应特征值都是

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练习。

选择所有正确的语句。

如果 是可逆矩阵 的一个特征向量,那么它也是 的一个特征向量。
如果 的一个特征值,那么 的一个特征值。
每个向量 都是零矩阵 的特征向量。
零向量是每个方阵的特征向量。
如果一个矩阵存在特征向量,那么这个矩阵就有无穷多个特征向量。


以下定理将可对角化矩阵与特征向量和特征值联系起来。

定理。 (对角化) 设 是一个 矩阵。那么,可对角化 的当且仅当 具有 线性无关特征向量。如果 线性无关特征向量,对应于 特征值 (其中一些可能是相同的),我们可以 定义 一个 可逆 矩阵 ,其 ,以及一个 对角 矩阵 ,其 对角元素,使得

证明。 以下我们使用 来表示以 为列向量,按此顺序排列的矩阵。 我们现在已经证明了 特征向量。 现在剩下要证明的是它们是 线性无关 的,这可以通过以下论据证明:它们是 线性无关 当且仅当 可逆,根据可逆性与线性无关的关系命题可知。

备注。

  • 我们可以将特征向量放入 作为列向量,以 任意 顺序,只要我们将特征值放入 的对应列中,例如,我们可以将 放入 的第 3 列,但我们需要将 放入 的第 3 列。
  • 由此可知,对角化的表达式 并不唯一,实际上有无限多个表达式。
  • 根据矩阵乘法的定义,我们有 例如,

接下来,我们将介绍一种方便的方法来找到 特征值。在此之前,我们先介绍一个与这种寻找特征值的方法相关的术语。

定义. (特征多项式)设 矩阵。 关于变量 特征多项式 是多项式

备注。

  • 我们可以使用任意字母来表示变量。
  • 等价地,特征多项式 of 的行列式,其对角线元素减去 .

示例. 特征多项式.

命题. (特征值等价条件) 设 是一个 矩阵。则,特征值 当且仅当 ,即它是 特征多项式 的根。

证明. .

接下来,我们将介绍一个与特征向量相关的概念。

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练习。

选择所有正确的语句。

一个方阵有 个不同的特征值,如果其特征多项式有 个根。
如果大小为 的矩阵 有两个线性无关的特征向量 ,分别对应特征值 ,那么我们可以定义一个可逆矩阵 和一个对角矩阵 ,使得
如果大小为 的矩阵 有两个线性无关的特征向量,那么我们可以定义一个可逆矩阵 和一个对角矩阵 ,使得


定义。 (特征空间)令 为一个 矩阵。假设 的一个 特征值。那么,,记作 ,是 对应特征空间

备注。

  • 由于零空间是 的子空间,因此 特征空间 也是 的子空间。
  • 由零向量(因为它是一个子空间)和所有对应于 特征向量 组成,因为

在介绍了这些术语和概念之后,我们有以下用于对 矩阵进行对角化的算法步骤

  1. 通过求解 计算 的所有 特征值
  2. 对于矩阵 的每个特征值 ,找到对应 特征空间
  3. 如果 包含 个向量 (如果没有,则 不可对角化),定义
  4. 我们有 ,其中 是一个 对角 矩阵,其 对角 元素是对应于 特征值

备注。

  • 可以证明,对应于 不同特征值特征向量线性无关 的(证明过程在此省略)。
  • 因此, 的列向量线性无关,所以 是可逆的。
  • 如果 不同的特征值,那么 是可对角化的[1],因为有 对应于 特征值,它们共同包含 个向量 .
  • 每个特征值有无限多个可能的基,但我们只需要其中一个。

例子。 矩阵的对角化) 回忆一下动机部分的例子,给定矩阵 是可对角化的,并且它的 形式的表达式也被给出。我们将使用上述过程来推导出给定的表达式。

首先, 所以,矩阵的特征值为 .

对于特征值 ,因为 ,并且可以证明其通解为 ,因此 的基为

对于特征值 ,因为 ,并且可以证明其通解为 ,因此 的基为

然后,我们令 (因为两个基底加起来包含两个向量),并且 然后,我们可以计算得到 因此,我们有 这与动机部分示例中给出的形式相同。一般来说,如果我们有 这在动机部分的示例中有所说明。从动机部分的示例来看,

示例: 矩阵的对角化)考虑矩阵 (它不是)。我们希望找到一个关于 的公式。首先, 因此,矩阵的特征值为

对于特征值 ,由于(有两个独立的未知数,所以每个特征空间的基的维数是,即每个基应该有两个向量), 的一个基是

对于特征值 ,由于 的一个基为 .

Then, we let , (since the two bases together contain three vectors) (we have two eigenvectors corresponding to the eigenvalue , so this eigenvalue is repeated two times). Then, we can compute that . It follows that and This is an interesting result.

例:(复特征值)令 [2] 由于特征值都是复数(因此不存在相应的实特征向量),不可 对角化的 在实矩阵上。另一方面, 是在复矩阵上可以对角化的,但我们在本书中不关注复矩阵上的对角化,并且我们没有定义复矩阵的运算。因此, 的形式表示如下,仅供参考:

例。 (不可对角化矩阵)考虑矩阵 (它是一个 幂零矩阵,满足 )。

首先,由于 唯一的特征值为 .

对于特征值 ,由于 所以, 的一个基是 。由于它只包含一个向量,而矩阵的大小为 不可对角化的。

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练习。

1 计算

.
.
.
.

2 选择所有正确的陈述。

在实矩阵上,特征空间可以是零空间,即仅包含零向量。
特征空间必须包含无限多个特征向量。
特征空间的每个基都包含线性无关的向量。
假设通过对角化,矩阵 可以表示为 ,其中 是一个可逆矩阵,而 是一个对角矩阵,那么,对于每个正整数 是一个对角矩阵。


在接下来的内容中,我们将讨论对角化的一些数学应用,包括推导出序列公式以及求解 常微分方程 (ODE) 系统。

示例. (斐波那契数列) 考虑 斐波那契数列 ,其中 以及对于每个非负整数 。对于每个非负整数 ,这个递推关系可以描述为

。那么,

为了得到 的表达式,只需要找到 的公式,我们可以通过对角化来找到它。

由于 黄金分割黄金分割共轭

对于特征值 ,因为对于 ,我们可以将表示此线性方程组的增广矩阵转换为行最简形式如下: [3] 因此,通解是 ,因此 的一个基是

对于特征值 ,因为 ,表示此线性方程组的增广矩阵的行最简形式是 ,这是由于对称性[4]。因此,通解是 ,因此 的一个基是

Then, we let , . We can compute that Then, , and thus Finally, we have Thus, in which and .

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练习。 定义一个数列 ,其中 且对于每个非负整数 成立。

1 以下哪个是 的正确公式?

.
.
.
.

2 定义另一个数列 ,其中 且对于每个非负整数 成立。以下哪个是 的正确公式?

.
.
.
.
.


示例. (常微分方程组) 考虑常微分方程组 ,初始条件为 ,当

Using the dot notation for differentiation, the system can be rewritten as in which . Suppose we can write in which is an invertible matrix and is a diagonal matrix. Let in which are some real numbers. Also, let , which implies and , and . It follows that and . Thus, Let , then the system can be simplified to in which are arbitrary constants, and .

然后,我们通过对角化 来求解 对于特征值 ,其通解为 ,因此 的一个基。

对于特征值 ,其通解为 ,因此 的基底为。

然后,令 以及 。由此可知,。然后,

因此,,所以 。应用初始条件 时, 时,这意味着 。因此, 因此,此微分方程组的解为

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练习。

1 求解以下微分方程组,初始条件为

.
.
.
.
.

2 求使以下常微分方程组不一致的 值。

不存在这样的
可以是任意实数。

3 求解以下系统,当 时,初始条件为

该系统不一致。



  1. 但即使 具有严格少于 个特征值, 仍然可以是对角化的。实际上, 最多有 个不同的特征值,因为 的特征多项式是 次多项式,根据代数基本定理,它有 个根(其中一些可能重复)。
  2. 它是复数 的矩阵表示形式。
  3. 因为
  4. 特别地,,因为都满足方程.
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