10. 特征值和特征向量

线性代数



周维祺

概念

  • 给定的矩阵A,若存在非零向量, 以及可为)满足,就称的一个特征值,所对应的特征向量



基本性质

  • 的一个特征值,所对应的特征向量,则对任意非零实数也都是的特征向量,特征值也是。若可逆,则还有,即也是的特征向量,对应的特征是

  • 的一个特征值,所对应的特征向量,则对任意不全为的实数也都是的特征向量,特征值也是

  • 的两个不同的特征值,分别是所对应的特征向量,那么线性无关

特征值的计算

  • ,则是非零向量

  • 是关于次多项式

  • 三角阵的特征值就是其主对角线上的元素,的特征值相同,的特征值是的每个特征值加

例子

  • 计算的特征值



练习

  • 计算以下矩阵的特征值





练习

计算以下矩阵的特征值

特征多项式

  • 称为的特征多项式

  • 该特征多项式在上总是有个根(含重根),其根的重数称为对应特征值的(代数)重数

  • 若特征多项式有个互不相同的根,且特征向量都是实向量,则这些实向量构成的一组基

  • 重特征值,则其有不超过个(几何重数)线性无关的特征向量

例子

  • 的特征值是,设分别是对应的特征向量





例子

  • 有二重特征值是,设是一个特征向量



  • 特征值的代数重数为,几何重数为

练习

  • 计算以下矩阵的特征向量





练习

计算以下矩阵的特征向量

特征值都为实数时可以取到都为实向量的特征向量

是实矩阵,是实向量,是实数,且
,则有,

特征值的积与和

  • 的特征值,则

  • 的特征多项式,则

  • ,因此
    注:此处按第一行对作Laplace展开可得前的系数是

  • 类似地,可得(迹)

对角化

  • 矩阵每个特征值的代数重数都=几何重数,则可以写作,其中特征方程的全部根(即的特征值), 可逆,且中的第列是的一个特征向量

  • ,即中的第列就是中的第列乘以

例子

  • 的特征值是,特征向量分别是



个特征值都互异的阶方阵总能对角化

存在无法对角化的矩阵

例:

对角化的形式

  • 对角化的形式不是唯一的

  • 改变中特征值的顺序,则中列的顺序也需要改变,例:

对角化的形式

  • 对角化的形式不是唯一的

  • 改变中列向量的长度,则中列的长度也需要改变,例:

一般令中每列的长度都为

幂和多项式运算

  • 可以对角化为,则

  • 是多项式,则

  • Cayley-Hamilton定理:若的特征多项式,则

可交换和相似矩阵

  • 都是对角阵,则显然

  • 可以被同一个对角化,即,,则

  • 若存在可逆矩阵,使,则称相似,相似矩阵的特征多项式相同

  • 注意相似与等价的区别

小结

  • 特征值与特征向量的概念及其计算

  • 特征多项式及其应用,特征值的和与积

  • 对角化的概念