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5.1 对角化、方阵的特征值与特征向量

对角矩阵的高次幂

2.1 线性方程组和矩阵 中我们介绍过对角矩阵的概念:

我们现在研究对角矩阵的幂。根据矩阵乘法法则,有

根据数学归纳法可得,对于

可见,对角矩阵的高次幂是很好求的。可是,如果要求其他方阵的高次幂呢?由此我们引入相似对角化的概念。

相似对角化

定义 都是 阶矩阵,若有可逆矩阵 ,使

则称 是可对角化的,这一操作称为相似对角化。

那这有什么用呢?

例 1

,满足 ,求

由于

因此有

则有

因此可对角化的矩阵的高次幂是很好求的。现在的问题变转化为,如何求 ?为此我们引入特征值和特征向量的概念。

特征值与特征向量

定义

方阵,如果数 非零列向量 使得关系式

成立,那么这样的数 称为矩阵 的特征值,非零向量 称为 的对应于特征值 的特征向量

求解

那么我们如何求解 呢?将定义式变形:

这是一个齐次线性方程组。由于 ,因此该方程组一定有无穷多解,因此系数矩阵 必定不是满秩的。

3.4 中讲满秩 时我们提过,矩阵可逆是矩阵满秩的充要条件。因此该矩阵是不可逆的。根据 2.3 中可逆的判定,该矩阵不可逆意味着其行列式的值为 。所以我们有

可以看出,对于 阶方阵 是一个 次多项式。我们将这个多项式称为方阵 特征多项式。因此, 是一个 次方程, 个根(包括实根和虚根,重根按重数计该方程称为方阵 特征方程

求出 之后,将其分别带回,相当于求解齐次线性方程组,可以求出 的通解

NOTE

但是这里好像有几个问题……

这里的 是重根的时候怎么办?带回之后,每个方程组的基础解系一定只有一个向量吗?

重根就当一个算。每个方程组的基础解系不一定只有一个向量。这些解均是对应于该特征值的特征向量。

例 2

求矩阵 的特征值与特征向量。

先求特征值:

解得

再分别求 对应于 的特征向量:

  1. 时,求解

    因此有 ,设自由变量 ,有

  2. 时,求解

    因此有 ,设自由变量 ,有

因此, 的特征值为

  • 是矩阵 的对应于特征值 的全部特征向量;
  • 是矩阵 的对应于特征值 的全部特征向量。

其中 是非零任意常数。

单位矩阵 的特征值与特征向量

考虑 阶单位矩阵 的特征方程:

得到 。将其带回,得到

这里 可以是任意 维向量,即该方程的解空间为

要找 的线性无关的特征向量的个数,取 的任意一个基都满足要求,因此, 个线性无关的特征向量。

特征值、特征向量与相似对角化的关系

我们把前面特征值与特征向量的定义式再拿出来看:

由于我们有很多的解 ,实际上线性无关的我们取 ,组成一个矩阵。由于矩阵乘法中,右边这个矩阵的列之间是完全不相干的,所以我们可以得到这个式子:

考虑对等好右边的内容变形。右边的这个矩阵可以看作由 经过 次倍乘初等列变换得到的(第一列乘以 ,第二列乘以 ,以此类推根据我们在 3.4 中介绍的初等矩阵的知识,可以将其看成 右乘若干个倍加初等阵得到:

而在 后面的初等阵又可以看作是对 进行的初等列变换,因此我们有

已经有感觉了。带回到原来的式子。由于 是线性无关的,因此组成的向量组是满秩的,因此该矩阵可逆。那两边同时左乘

这就是我们要求的 ,写得再明显一点就是就是:

WARNING

中的 所在的列一定要一一对应。

举例来说,比如

也可以写成

但不能写成

所以前面的例子中,

的特征值为

  • 是矩阵 的对应于特征值 的全部特征向量;
  • 是矩阵 的对应于特征值 的全部特征向量。

其对角化形式就可以写成:

现在有个自然而然的问题:这些 ,能凑到 个吗?

相似对角化的条件

例 3

已知矩阵 ,判断该矩阵能否相似对角化。

先求特征值:

解得

再求特征向量:

  1. ,求解

    其中 为任意常数。得基础解系

  2. ,求解

    其中 为任意常数。得基础解系

这里的情形和刚才不太一样。有重根,重根带回解出的基础解系有两个向量。直接按列对应写出:

带到 中,确实是成立的。因此原矩阵是可以对角化的。

例 4

已知矩阵 的特征值为 ,判断该矩阵能否相似对角化。

求特征向量:

  1. ,求解

    其中 为任意常数。得基础解系

  2. ,求解

    其中 为任意常数。得基础解系

这时,最后得到的基础解系总共只有两个向量,没有凑齐 3 个,写不出 。因此该矩阵无法相似对角化。

这里给出 阶方阵 可对角化的充要条件: 个线性无关的特征向量。