5.1 对角化、方阵的特征值与特征向量
对角矩阵的高次幂
在 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
有
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 设 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
设 ,,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 和 ?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
设 是 阶方阵,如果数 和 维非零列向量 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 和 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。
在 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 的特征多项式。因此, 是一个 次方程, 有 个根(包括实根和虚根,重根按重数计
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:
时,求解
因此有 ,设自由变量 ,有
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, 有 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
求 和
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
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 和 ,写得再明显一点就是就是:
WARNING
和 中的 和 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:
,求解
其中 为任意常数。得基础解系 。
,求解
其中 为任意常数。得基础解系 和 。
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:
,求解
其中 为任意常数。得基础解系 。
,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: 有 个线性无关的特征向量。