线性代数学习笔记——特征值与特征向量

矩阵的特征值与特征向量

特征值与特征向量的概念

  • A A A n n n阶矩阵, λ 0 \lambda_0 λ0是一个数,如果存在 n n n维非零列向量 η \eta η,使得 A η = λ 0 η , A\eta=\lambda_0\eta, Aη=λ0η则称 λ 0 \lambda_0 λ0 A A A特征值 η \eta η A A A的相应于特征值 λ 0 \lambda_0 λ0特征向量
  • ∣ λ 0 E − A ∣ |\lambda_0E-A| λ0EA称为矩阵 A A A特征多项式 ∣ λ 0 E − A ∣ = 0 |\lambda_0E-A|=0 λ0EA=0为矩阵A的特征方程

特征值的性质

  • 设矩阵 A = ( a i j ) n × n A=(a_{ij})_{n\times n} A=(aij)n×n,则 ∣ λ E − A ∣ |\lambda E-A| λEA n n n次多项式,且其 n n n次项的系数为1, n − 1 n-1 n1次项的系数为 − ( a 11 + a 22 + ⋯ + a n n ) -(a_{11}+a_{22}+\cdots+a_{nn}) (a11+a22++ann),常数项为 ( − 1 ) n ∣ A ∣ (-1)^n|A| (1)nA a 11 + a 22 + ⋯ + a n n a_{11}+a_{22}+\cdots+a_{nn} a11+a22++ann为矩阵 A = ( a i j ) n × n A=(a_{ij})_{n\times n} A=(aij)n×n,记为迹 ( A ) (A) (A),或 t r ( A ) tr(A) tr(A)
  • 设矩阵 A = ( a i j ) n × n A=(a_{ij})_{n\times n} A=(aij)n×n的特征值是 λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ n \lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n λ1,λ2,,λn,则 ∑ i = 1 n λ i = t r ( A ) , ∏ i = 1 n λ i = ∣ A ∣ \sum_{i=1}^{n}\lambda_i=tr(A),\prod_{i=1}^{n}\lambda_i=|A| i=1nλi=tr(A)i=1nλi=A
  • 矩阵 A = ( a i j ) n × n A=(a_{ij})_{n\times n} A=(aij)n×n是可逆的当且仅当 A A A的特征值均不为零
  • 矩阵的特征值具有如下性质:
     ①如果 λ 0 \lambda_0 λ0是可逆矩阵 A A A的特征值,则 λ 0 ≠ 0 \lambda_0 \ne 0 λ0=0,且 λ 0 − 1 \lambda_0^{-1} λ01 A − 1 A^{-1} A1的特征值
     ②如果 λ 0 \lambda_0 λ0是矩阵 A A A的特征值, f ( λ ) f(\lambda) f(λ)是多项式,则 f ( λ 0 ) f(\lambda_0) f(λ0) f ( A ) f(A) f(A)的特征值
     ③设 A A A是方阵, f ( λ ) f(\lambda) f(λ)是多项式,并且 f ( A ) = 0 f(A)=0 f(A)=0(称这样的多项式 f ( λ ) f(\lambda) f(λ) A A A化零多项式),且 A A A的特征值全是 f ( λ ) f(\lambda) f(λ)的根

相似矩阵

矩阵的相似关系

  • A , B A,B A,B都是 n n n阶矩阵,如果存在可逆矩阵 P P P使得 B = P − 1 A P , B=P^{-1}AP, B=P1AP则称矩阵 A A A相似 B B B,记为 A A A~ B B B,称 P P P相似变换矩阵
  • 相似关系满足反身性对称性传递性
  • 相似矩阵具有如下性质:
     ①若 A A A~ B B B,则 r ( A ) = r ( B ) r(A)=r(B) r(A)=r(B)
     ②若 A A A~ B B B,并且 A A A可逆,则 A − 1 A^{-1} A1~ B − 1 B^{-1} B1
     ③若 A A A~ B B B f ( λ ) f(\lambda) f(λ)为多项式,则 f ( A ) f(A) f(A)~ f ( B ) f(B) f(B)

矩阵相似的必要条件

  • 若矩阵 A A A~ B B B,则 ∣ λ E − A ∣ = ∣ λ E − B ∣ |\lambda E-A|=|\lambda E-B| λEA=λEB
  • A A A~ B B B,则 A , B A,B A,B有相同的特征值,从而有 t r ( A ) = t r ( B ) tr(A)=tr(B) tr(A)=tr(B)并且 ∣ A ∣ = ∣ B ∣ |A|=|B| A=B

可对角化问题

  • n n n阶矩阵 A A A可以相似对角化的充分必要条件是 A A A n n n个线性无关的特征向量
  • λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ s \lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_s λ1,λ2,,λs是矩阵 A A A的互不相同的特征值, η 1 , η 2 , ⋯   , η s \eta_1,\eta_2,\cdots,\eta_s η1,η2,,ηs是相应的特征向量,则 η 1 , η 2 , ⋯   , η s \eta_1,\eta_2,\cdots,\eta_s η1,η2,,ηs线性无关
  • n n n阶矩阵 A A A n n n个互不相同的特征值,则 A A A相似于对角阵
  • λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ s \lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_s λ1,λ2,,λs是矩阵 A A A的互不相同的特征值, η i 1 , η i 2 , ⋯   , η i t i \eta_{i1},\eta_{i2},\cdots,\eta_{it_i} ηi1,ηi2,,ηiti A A A相应于特征值 λ i \lambda_i λi的线性无关的特征向量,则向量组 η 11 , η 12 , ⋯   , η 1 t 1 , η 21 , η 22 , ⋯   , η 2 t 2 , ⋯   , η s 1 , η s 2 , ⋯   , η s t s \eta_{11},\eta_{12},\cdots,\eta_{1t_1},\eta_{21},\eta_{22},\cdots,\eta_{2t_2},\cdots,\eta_{s1},\eta_{s2},\cdots,\eta_{st_s} η11,η12,,η1t1,η21,η22,,η2t2,,ηs1,ηs2,,ηsts线性无关
  • 如果 λ 0 \lambda_0 λ0是矩阵 A A A k k k重特征值,则称 k k k λ 0 \lambda_0 λ0代数重数;如果相应于特征值 λ 0 \lambda_0 λ0 A A A m m m个线性无关的特征向量,则称 m m m λ 0 \lambda_0 λ0几何重数
  • 矩阵 A A A相似于对角阵的充分必要条件是其每个特征值的几何重数等于其代数重数

实对称矩阵的正交相似对角化

实对称矩阵的性质

  • 实对称矩阵的特征值都是实数
  • 实对称矩阵的属于不同特征值的特征向量相互正交
  • A A A是实对称矩阵,则存在正交矩阵 Q Q Q,使得 Q T A Q Q^TAQ QTAQ是对角阵

实对称矩阵正交相似对角化的计算

  • 第一步:计算矩阵 A A A的特征多项式 ∣ λ E − A ∣ |\lambda E-A| λEA,并求 A A A的全部互不相同的特征值 λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ s \lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_s λ1,λ2,,λs
  • 第二步:对每一个特征值 λ i \lambda_i λi,求齐次线性方程组 ( λ i E − A ) x = 0 (\lambda_i E-A)x=0 (λiEA)x=0的一个基础解系 η i 1 , η i 2 , ⋯   , η i t i \eta_{i1},\eta_{i2},\cdots,\eta_{it_i} ηi1,ηi2,,ηiti
  • 第三步:用Schmidt正交化方法将 η i 1 , η i 2 , ⋯   , η i t i \eta_{i1},\eta_{i2},\cdots,\eta_{it_i} ηi1,ηi2,,ηiti正交化、单位化,得到一个与 η i 1 , η i 2 , ⋯   , η i t i \eta_{i1},\eta_{i2},\cdots,\eta_{it_i} ηi1,ηi2,,ηiti等价的标准正交向量组 γ i 1 , γ i 2 , ⋯   , γ i t i \gamma_{i1},\gamma_{i2},\cdots,\gamma_{it_i} γi1,γi2,,γiti
  • 第四步:令 Q = ( γ 11 , γ 12 , ⋯   , γ 1 t 1 , γ 21 , γ 22 , ⋯   , γ 2 t 2 , ⋯   , γ s 1 , γ s 2 , ⋯   , γ s t s ) Q=(\gamma_{11},\gamma_{12},\cdots,\gamma_{1t_1},\gamma_{21},\gamma_{22},\cdots,\gamma_{2t_2},\cdots,\gamma_{s1},\gamma_{s2},\cdots,\gamma_{st_s}) Q=(γ11,γ12,,γ1t1,γ21,γ22,,γ2t2,,γs1,γs2,,γsts) Λ = ( λ 1 E t 1 λ 2 E t 2 ⋱ λ s E t s ) , \Lambda=\left(\begin{matrix}\lambda_1E_{t_1}&\\ &\lambda_2E_{t_2}&\\ & &\ddots&\\ & & &\lambda_sE_{t_s} \end{matrix}\right), Λ=λ1Et1λ2Et2λsEts, Q Q Q是正交阵,且 Q T A Q = Λ Q^TAQ=\Lambda QTAQ=Λ

矩阵的Jordan标准型*

Hamilton-Cayley定理

  • n n n阶矩阵 A A A的特征多项式 c ( λ ) = ∣ λ E − A ∣ c(\lambda)=|\lambda E-A| c(λ)=λEA,则 c ( A ) = 0 c(A)=0 c(A)=0

最小多项式

  • 矩阵 A A A的最高项系数为1的次数最低的化零多项式称为 A A A最小多项式
  • 如果 φ ( λ ) \varphi(\lambda) φ(λ)是矩阵 A A A的化零多项式, m ( λ ) m(\lambda) m(λ) A A A的最小多项式,则 m ( λ ) m(\lambda) m(λ)能整除 φ ( λ ) \varphi(\lambda) φ(λ)
  • 任意矩阵 A A A的最小多项式是唯一的
  • c ( λ ) c(\lambda) c(λ)是矩阵 A A A的特征多项式, m ( λ ) m(\lambda) m(λ) A A A的最小多项式,则 m ( λ ) m(\lambda) m(λ)能整除 c ( λ ) c(\lambda) c(λ),且数 λ 0 \lambda_0 λ0 c ( λ ) c(\lambda) c(λ)的根当且仅当 λ 0 \lambda_0 λ0 m ( λ ) m(\lambda) m(λ)的根
  • 相似矩阵有相同的最小多项式
  • n n n阶矩阵的乘积 M 1 M 2 ⋯ M s = 0 M_1M_2\cdots M_s=0 M1M2Ms=0,则 ∑ i = 1 s r ( M i ) ≤ ( s − 1 ) n \sum^{s}_{i=1}r(M_i) \le(s-1)n i=1sr(Mi)(s1)n
  • n n n阶矩阵 A A A相似于对角阵当且仅当 A A A的最小多项式没有重根

Jordan标准型

  • 称形如 ( λ 0 1 λ 0 ⋱ ⋱ 1 λ 0 ) \left( \begin{matrix} \lambda_0 &1\\ &\lambda_0 &\ddots \\ & &\ddots &1 \\ & & &\lambda_0 \end{matrix}\right) λ01λ01λ0的矩阵为 J o r d a n Jordan Jordan块。以 J o r d a n Jordan Jordan块为对角线元素的分块对角阵称为 J o r d a n Jordan Jordan形矩阵。如果矩阵 A A A J o r d a n Jordan Jordan形矩阵 J J J相似,则称 J J J A A A J o r d a n Jordan Jordan标准形
  • 在复数范围内,任意方阵都相似于一个 J o r d a n Jordan Jordan形矩阵,即任意矩阵的 J o r d a n Jordan Jordan标准形是存在的。而且,如果不考虑 J o r d a n Jordan Jordan块的次序,任一矩阵的 J o r d a n Jordan Jordan标准形是唯一的。
  • 设矩阵 A A A的最小多项式是 m ( λ ) = ∏ i = 1 s ( λ − λ i ) t i m(\lambda)=\prod_{i=1}^{s}(\lambda-\lambda_i)^{t_i} m(λ)=i=1s(λλi)ti,则 A A A J o r d a n Jordan Jordan标准型中以 λ i \lambda_i λi为主对角元素的 J o r d a n Jordan Jordan块的最高阶数是 t i t_i ti
  • 矩阵 A , B A,B A,B相似的充分必要条件是 A , B A,B A,B有相同的 J o r d a n Jordan Jordan标准形

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