线性代数实对称矩阵的特征值和特征向量.ppt

一、 实对称矩阵特征值的性质 二、 实对称矩阵对角化方法 * §3.3 实对称矩阵特征值和特征向量 永远可以对角化。 实数域上的对称矩阵简称为实对称矩阵。 这类矩阵的最大优点是特征值都是实数， 定理3.12 实对称矩阵的特征值都是实数。 一、 实对称矩阵特征值的性质 证明：设 是 阶实对称矩阵， 是矩阵 的在复数 域上的任一特征值， 属于 的特征向量为 两边取复数共轭得到 则 ， 于是， (3.11) 由于 ， 对最后一式取复数转置， 得到 两边再右乘 ， 得到 所以有 特征值都是实数。 这样， 是实数。 由 的任意性， 实对称矩阵 的 特征向量都是实数向量。 附注： 进一步地有， 实对称矩阵 的属于特征值的 定理3.12 实对称矩阵 的特征值都是实数。 对上面第一式两边左乘 ， 的特征向量。 定理3.13 实对称矩阵 的属于不同 特征向量相互正交。 证明： 特征值的 设 ， 是实对称矩阵 的不同特征值， ， 分别是属于特征值 ， 于是 ， 得到 （3.12） 而 于是有 这样，由 得到 是正交的。 ，即 与 特征向量相互正交的线性无关组。 【注】 实对称矩阵 的属于不同特征值的 向量 和 对应特征向量 在§3.1中例4中， 例1 矩阵 是实对称矩阵， 特征值 （二重） 对应特征 都正交。 把它们化为标准正交组。 当然， 彼此不正交， 但可以通过 标准正交化方法 为 矩阵。 把 分块为 ， 也是 的属于 的 定理3.14 设 是 n阶 实对称矩阵, 则 存在正交阵 , 使 为对角阵. 下面证明对于n阶实对称矩阵来说定理成立。 证明： 对矩阵 的阶数 用数学归纳法。 当 时, 定理结论显然成立. 假设对于所有 阶实对称矩阵来说定理成立。 故不妨设 是单位向量， 设 是 的一个特征值， 是属于特征值 的 特征 向量, 显然单位向量 特征向量. 第一列任意正交矩阵。 记 是以 为 其中 则 及 与 的各列向量都正交， 注意到 根据归纳法假设， 其中 为 阶实对称矩阵。 使得 对 存在 阶正交矩阵 所以 并且 令 ， 则 均为 阶正交矩阵， 这表明 阶实对称矩阵定理结论成立。 为对角矩阵。 根据数学归纳法原理， 对任意 对每个 , 其中 为 重的， 具体步骤如下: 根据定理3.14， 任意一个实对称矩阵都可以对角化。 求出 的所有特征值, 第一步 对给定实对称矩阵 ， 解特征方程， 设 的所有不同的特征值为 ； 第二步 解齐次线性方程组 求出它的一个基础解系 ； 得到正交向量组 ， 第三步 利用施米特正交化方法， 把 正交化， 再把 单位化， 得到一个 标准正交组 ， ； 注意： 它们都是属于 的线性无关特征向量！！ 且 第四步 令 ， 则 是正交阵, 为对角阵， 与 中正交列向量组（特征向量！）排列顺序相对应。 附注： 矩阵 主对角线元素（特征值！）排列顺序 （实对称矩阵A 的标准形！！） 在不计排列顺序情况下， 这种对角化形式 是唯一的。 例2 对矩阵 求一正交阵 , 使 成对角矩阵。 的特征多项式为 解： 矩阵 解特征方程得特征值 （二重）， 。 即求解 对于 ， 解齐次线性方程组 得到一个基础解系 ， 。 对于 ，