[工学]第3章 矩阵特征值与特征向量的计算.ppt

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[工学]第3章 矩阵特征值与特征向量的计算

第3章 矩阵特征值 与特征向量的计算 刘广利 引言 在科学技术的应用领域中,许多问题都归为求解一个特征系统。 如动力学系统和结构系统中的振动问题,求系统的频率与振型; 物理学中的某些临界值的确定等等。 引言 定理4及定理5给出了矩阵特征值的估计方法及界。 例1 设有 估计A的特征值的范围。 解:由圆盘定理: D1为弧立圆盘且包含A的一个实特征值?1(因为虚根成对出现的原理),则3≤?1≤5。而?2、?3?D2∪D3,则 例2 用规范化乘幂法计算矩阵A的主特征值及相应特征向量 原点移位法是一个矩阵变换过程,变换简单且不破坏原矩阵的稀疏性。 但由于预先不知道特征值的分布,所以应用起来有一定困难,通常对特征值的分布有一个大略估计,设定一个参数?0进行试算,当所取?0对迭代有明显加速效应以后再进行确定计算 2.雅克比方法 先以二阶矩阵为例: 练习: 3.4 Householder方法 计算A的部分或全部特征值、特征向量 计算过程: 利用正交相似变换将A化为对称的三对角矩阵C 应用对分法计算C的特征值 计算相应的特征向量 3.4.1 实对称矩阵的三对角化 旋转变换:C=PTAP,将A化为三对角矩阵,使某个 事实上,只需 记上述旋转矩阵P=Pi,j,k 取P下标231,241,…,2n1;342,352, …,3n2;(n-1)n(n-2)依次对A进行正交相似变换,便可将A化为三对角C Householder 变换 Householder 变换 将A化为三对角矩阵的具体作法 令A0=A,根据下面公式定义的H将A0的第3~n个分量化为零,此时对称矩阵A1=H1A0H1的第1行第1列成为三对角 再按照下面的公式构造H2,如此下去就可以 3.4.2 求对称三角矩阵特征值的对分法 考虑对称三角阵 记C-λI的左上角的k阶主子式为pk(λ),且p0(λ)=1,可得: 同号数 定理 防止高次多项式求值溢出! 作业: 教材:P92-8题 第3章 矩阵特征值与特征向量 一、考核知识点: 乘幂法、逆幂法、雅可比法 二、考核要求: 1.知道乘幂法,逆幂法的基本思想;会用乘幂法求矩阵的特征值与特征向量。 2.知道雅可比法的基本思想;会用雅可比法计算对称矩阵的特征值与特征向量。 反射变换 反射矩阵 或 Householder矩阵 性质: (1) 对称矩阵: (2) 正交矩阵: (3) 对合矩阵: (4) 保模变换: 定理 设 x, y ? Rn, x ? y 且 ||x||2 = ||y||2,则存在 n 阶反射变换 H,使得 y = Hx 。 证: 取 又 定理表明: 对任意的非零向量 x ? Rn,存在反射矩阵 H,使得 Hx = ?e1,其中|?|= ||x||2, e1= (1, 0, ..., 0)T ,且 注:为了防止 ? 与 x1 互相抵消,通常取 ? = -sign(x1)·||x||2 对固定的λ,序列{ pk(λ) }相邻两数符号相同的个数。如果为0则规定与前一个数同号。 关于矩阵B的乘幂公式为 为加快收敛速度,适当选择参数?0,使 达到最小值。 当?i (i = 1, 2, …, n)为实数,且?1?2 ≥…≥?n时,取 则为? (?0) 的极小值点。这时 3.2 子空间迭代法 斯密特(Schmidt)正交化过程: 设?1,?2,?3 为R3上的三个线性无关的向量, 令 ,则?1为单位长度的向量,再令 可以验证(?1, ?2)= 0,即?1与?2正交。若令 则 即与?1, ?2正交,将其单位化为 于是向量组?1, ?2, ?3构成R3上一组标准正交基,且 其中Q = [?1, ?2, ?3]为正交矩阵,R是上三角阵。 对n维向量空间,设?1, …, ?n为Rn上n个线性无关的向量, 类似有 … … … … 即 Q为正交阵,R 为上三角阵 将n个线性无关向量变换为n个两两正交向量的方法称为 斯密特正交化方法。 斯密特正交化过程将可逆阵A分解为正交阵与上三角阵的乘积。 子空间迭代法也称平行迭代法,是乘幂法的推广,一次可以求出矩阵的前几个按模最大的特征值和特征向量。 3.3 雅克比 (Jacobi) 旋转法 1.预备知识 1)若B是上(或下)三角阵或对角阵, 则B的主对角元素即是B的特征值。 2)若矩阵P满足PTP = I,则称P为正交矩阵。 显然PT = P-1,且P1, P2,…, 是正交阵时, 其乘积P = P1P2…Pk

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