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1 -- 第 讲 一 特征值与特征向量的概念定义 设 是 阶矩阵 如果数 和 维非零列向量 x 使关系式 x x 成立 那末 这样的数 称为方阵 的特征值 非零向量 x称为 的对应于特征值 的特征向量 说明 特征向量 x 特征值问题是对方阵而言的 阶方阵 的特征值 就是使齐次线性方程组 ( E x 有非零解的 值 即满足方程 E 的 都是矩阵 的特征值 // // E a a a a a a a a a 称以 为未知数的一元 次方程 E 为 的特征方程 f 它是 的 次多项式 称其 记 ( E 为方阵 的特征多项式

2 -- 5 则有 ( 设 阶方阵 a j 的特征值为 ( a a a ( ; 6 求矩阵特征值与特征向量的步骤 : 计算 的特征多项式 det( E; ( E 求特征方程 det 的全部根 就是 的全部特征值 ; 对于特征值 ( E 求齐次方程组 x 的非零解 就是对应于 的特征向量 // // 7 例 求 的特征值和特征向量 解 的特征多项式为 ( 8 6 ( ( 所以 的特征值为 当 时 对应的特征向量应满足 x x 8 x x 即 x x 解得 x x 所以对应的特征向量可取为 p 当 时 由 x 即 x x x 解得 x x 所以对应的特征向量可取为 p // //

3 -- 9 例 的特征值和特征向量求矩阵 解 的特征多项式为 // ( ( E 所以 的特征值为 由时解方程当 ( x E ~ E p 得基础解系 // ( kp k 所以是对应于的全部特征向量由时解方程当 ( x E ~ E p 得基础解系 ( kp k 所以是对应于的全部特征向量 // 例 设 求 的特征值与特征向量 解 E // E ( ( ( ( 令 得 的特征值为 返回 Slde 7

4 -- 当 E x 时解方程 ( 由 当 E x 时解方程 ( 由 E ~ 得基础解系 p 故对应于 的全体特征向量为 k p ( k E ~ 得基础解系为 : p p 所以对应于 的全部特征向量为 : k p k p ( k k 不同时为 // // 5 例 证明 : 若 是矩阵 的特征值 x是 的属于 的特征向量 则 ( 是 的特征值 ( 是任意自然数 ( 当 可逆时 是 的特征值 证明 ( x x ( x ( x ( x ( x 再继续施行上述步骤 征向量 次 就得 故 是矩阵 的特征值 且 x是 x x x x 对应于 的特 6 ( 当 可逆时 由 x x 可得 x x ( ( x x x 故 是矩阵 的特征值 且 x是 对应于 的特征向量 设 ϕ( a E a a 类似地 ϕ( 是矩阵 ϕ( 的特征值 且 x 是 ϕ ( 对应于 ϕ ( 的特征向量 : x ae a a x aex ax a x a a a x ϕ( x ϕ( ( ( 即 ϕ( x ϕ( x 证毕 ax ax a x // //

5 -- 7 二 特征值和特征向量的性质 定理 设 是方阵 的 个特征值 p p p 依次是与之对应的特征向量 如果 各不相等 则 p p p 线性无关 证明 ( 略 设有常数 x x x 使 x p x p x p // 参见 Slde 返回 Slde x p x p x p 返回 Slde x p x p x p 即 则 ( k k k 类推之 有 x p x p x p k ( 把上列各式两端的列向量 xp xp x p xp xp x p xp xp x p 各自并置在一个矩阵里 各得一个 列的矩阵 ( 8 xp xp x p xp xp xp xp xp x p ( ( x p x p ( // x p 9 ( x p x p x p ( 上式等号左端第二个矩阵的行列式为范德蒙行列 式 当各 不相等时 该行列式不等于 从而该矩阵可逆 于是有 ( x p x p x p ( 即 x p ( j 但 故 ( j j // j 所以向量组 p p p 线性无关 p j x j 注意 属于不同特征值的特征向量是线性无关 的 属于同一特征值的特征向量的非零线性 组合仍是属于这个特征值的特征向量 x x x x x x αx β x ( αx β x α x βx α x β x α ( x β x 矩阵的特征向量总是相对于矩阵的特征值而言的 一个特征值具有的特征向量不唯一 ; 一个特征向量不能属于不同的特征值 // 5

6 -- 因为 如果设 x同时是 的属于特征值 的 ( 的特征向量 即有 x x x x x x ( x 由于 则 x 与定义矛盾 三 特征值与特征向量的求法例 5 设 是 阶方阵 其特征多项式为 ( f E a a a 求 T 的特征多项式 解 f T ( T E ( E T E a a a // // 这是因为 * * ( * ( 已证 设 是 的特征值 ϕ( a E a a ϕ ( 是矩阵 ϕ( 的特征值 当 可逆时是的特征值 x x ϕ( x ( E x x x Ex x xx ( x ϕ( x 由定理 // // 6

7 -- 四 小结 思考题 5 求矩阵特征值与特征向量的步骤 : 计算 的特征多项式 det( E; ( E 的全部根 求特征方程 det 就是 的全部特征值 ; 6 设 阶方阵 满足条件 :det T ( E Edet < 求 的一个特征值 ( E 对于特征值 求齐次方程组 x 的非零解 就是对应于 的特征向量 // // 7 思考题解答解因为 det < 故 可逆由 det( E 知 是 的一个特征值 从而 是 的一个特征 T T 值 又由 E得 det( det(e 6 即 (det 6 于是 det ± 但 det < 因此 det 故 有一个特征值为 8 第 节相似矩阵 一 相似矩阵和相似变换的概念二 相似矩阵和相似变换的性质三 利用相似变换将方阵对角化四 小结思考题 // // 7

8 -- 一 相似矩阵与相似变换的概念 二 相似矩阵与相似变换的性质 9 定义 设 B都是 阶矩阵 若有可逆矩阵 使 B 则称 B 是 的相似矩阵 或说矩阵 与 B 相似 对 进 行运算 称为对 进行相似变换 可逆矩阵 称为把 变成 B的相似变换矩阵 等价关系 ( 反身性 与 本身相似 ( 对称性 ( 传递性 若 与 B相似 则 B与 相似 若 与 B相似 B与 C相似 则 与 C相似 ( ( ( ( 若 与 B相似则 与 B 相似 为正整数 ( 证明见后面 // // ( k k k k 其中 k k 是任意常数 定理 若 阶矩阵 与 B相似 则 与 B的特征多项式相同 从而 与 B的特征值亦相同 证明 与 B 相似 可逆阵 使得 B B E ( E ( E // E E 推论若 阶方阵 与对角阵 // Λ 相似 则 即是 的 个特征值 8

9 -- 利用对角矩阵计算矩阵多项式 // 若 B 则 k B B 的多项式 B B ϕ( a a a a E a B a B a B ϕ( B a E k 个 k ( a B a B a B a E B 特别地 若可逆矩阵 使 Λ为对角矩阵 k k 则 Λ ϕ( ϕ( Λ 对于对角矩阵 Λ 有 k k k Λ 利用上 k 述结论可以很方便地计 φ( φ Λ // φ( ( ( φ 算矩阵 的多项式 ϕ( 5 对于 φ( Λ 有 φ( Λ aλ aλ aλ ae a a a a a a a a a a a a a a a a φ( // φ( φ( 6 定理 设 f ( 是矩阵 的特征多项式 则 f ( O a a a a a a f( E a a a 证明 只证明 与对角矩阵相似的情形 若 与对角矩阵相似 则有可逆矩阵 使 Λ dag ( 其中 为 的特征值 f ( 由 Λ 有 f ( f ( f ( Λ f ( O O // 9

10 -- 7 三 利用相似变换将方阵对角化对 阶方阵 若可找到可逆矩阵 使 Λ为对角阵 这就称为把方阵 对角化 定理 阶矩阵 与对角矩阵相似 ( 即 能对角化 的充分必要条件是 有 个线性无关的特征向量 证明假设存在可逆阵 使 Λ为对角阵 把 用其列向量表示为 ( p p p 8 由 Λ 得 Λ 即 ( p p p ( p p p ( p p p p ( p p p ( p p 于是有 p p p ( p p p ( // // 9 可见 是 的特征值 而 的列向量 的对应于特征值 的特征向量 又由于 可逆 所以 p p p线性无关 p 就是 反之 假定 有 个线性无关的特征向量 p及相应的 个特征值 : p p ( ( p p p ( p p p ( p p p ( p p p 记 ( p p p 由于 p p p线性无关 所以矩阵 可逆 得 Λ // 命题得证 推论如果 阶矩阵 的 个特征值互不相等 则 与对角阵相似 参见定理 说明如果 的特征方程有重根 此时不一定有 个线性无关的特征向量 从而矩阵 不一定能对角化 但如果能找到 个线性无关的特征向量 还是能对角化 //

11 -- 例 判断下列实矩阵能否化为对角阵? ( ( 5 解 ( 由 E 得 ( ( 7 7 ( 将 代入 E x 得方程组 解之得基础解系 x x x x x x x x x α α // // ( 同理 对 7 由 E x 求得基础解系 α ( 由于 所以 α α α 线性无关 即 有 个线性无关的特征向量 因而 可对角 化 T ( 5 E 5 ( 所以 的特征值为 把 代入 ( E x 解之得基础解系 T ξ ( 故 不能化为对角矩阵 // //

12 -- 5 例 6 设 5 6 能否对角化? 若能对角化 则求出可逆矩阵 使 为对角阵 解 6 E 5 ( ( 6 所以 的全部特征值为 6 将 代入 ( E x 得方程组 x 6x x 6x x 6x 解之得基础解系 ξ ξ // // 7 解系 ( E 将 代入 x 得方程组的基础 T ( ξ 由于 ξ ξ ξ 线性无关 所以 可对角化 令 ( ξ ξ ξ 则有 8 注意 若令 ξ 则有 ( ξ ξ 即矩阵 的列向量和对角矩阵中特征值的位置要相互对应 // //

13 -- 9 四 小结 相似矩阵相似是矩阵之间的一种关系 它具有很多良好的性质 除了课堂内介绍的以外 还有 : ( 与 B相似 则 det( det( B; ( 若 与 B 相似 且 可逆 则 B 也可逆 且 与 B 相似 ; ( 与 B相似 则 k 与 kb 相似 k为常数 ; ( 若 与 B相似 而 f ( x 是一多项式 则 f ( 与 f ( B 相似 5 相似变换与相似变换矩阵 相似变换是对方阵进行的一种运算 它把 变成 而可逆矩阵 称为进行这一变换的相似变换矩阵 这种变换的重要意义在于简化对矩阵的各种运算 其方法是先通过相似变换 将矩阵变成与之等价的对角矩阵 再对对角矩阵进行运算 从而将比较复杂的矩阵的运算转化为比较简单的对角矩阵的运算 // // 思考题 思考题解答 5 判断下列两矩阵 B是否相似 B 5 解 因 det( E ( ( 的特征值为 又 是实对称矩阵 存在可逆 矩阵 使得 Λ dag( 还可求得 det( B E ( ( 即 B与 有相同的特征值 // //

14 -- 对应特征值 有 个线性无关的特征向量 故存在可逆矩阵 使得 5 从而 即 B Λ B B 故 与 B相似 //

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