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数 学
矩 阵 的 特 征 值
与 特 征 向 量 矩 阵 的 特 征 值
与 特 征 向 量
矩阵的特征值与特征向量
1.1
特征值与特征向量
定义1 设A为n阶方阵,若存在数 和n维非零列
向
量 使得
(1)
则称数 为矩阵A的特征值,称非零列向量 为
矩阵A对应于特征值的特征向量。
式(1)可改写成为
(2)
式(2)为一齐次线性方程组,根据定义1 A的特
即 (3)
方程组(3)式的左端 为 的n次多项式,
因此A的特征值就是该多项式的根,即
其中设
看作未知数,
A是以 为未知数的
一元n次方程式,这个方程式成为矩阵A的特征方程,多项
式 可称为矩阵A的特征多项式,A的特征值
也就是特征方程的根。通常还称矩阵 为A的特
征矩阵。
1.2 特征值与特征向量的求法
例
求3阶矩阵
的
特征值以及相应的线
性无关的特征向量。
解 先写出A的特征多项式为
再求特征多项式的根,即解
得到A的3个特征值为 ,
求特征向量,对 将 代入(2)式,
求出的该齐次线性方程组的所有非零解为对应于
的特征向量,即
(4)
通过初等行变换化为阶梯形矩阵容易算出的
系数矩阵。
1
因为 因此齐次线性方程组(4)的基
础解系只有一个线性无关的向量,取 为自由元,
得到基础解系。
于是对于任意常数 ,均为(4)式
的非零解,也均为矩阵A对应于特征值1的线性无关
的特征向量。
再求矩阵A对应于特征值 的特征向
量,将 代入式(2)可得齐次方程组
(5)
先计算
得
因为 因此齐次线性方程组(5)式的
基础解系有2个线性无关的向量,取 和 为自
由元,得到基础解系为
,
于是 所有非零线性组合 (其中
为不全为零的任意常数)均为(5)式的非
零解,可知,它也是矩阵A对应于特征值2的线性
无关的2个特征向量,于是A的线性无关的特征向
量有3个,正好等于矩阵A的阶3。当取便
定理1 设A为n阶方阵,则数 为A的特征值的充
分
必要条件是: 是A的特征多项式 的根;n
维向量 是A对应于特征值 的特征向量的充分
必要条件为: 是齐次线性方程组 的
非零解。
我们总结一下求矩阵特征值与特征向量的具体
步骤如下:
第一步:求出n阶矩阵A的特征多项式,这需要计
算一个n阶行列式 。
第二步:求解特征方程 ,得到n个
根(一般情况下是复根),就是A的n个特征值。
第三步:将各个特征值依次代入特征矩阵,求
出齐次线性方程组 的解,这些解就
是矩阵A的特征向量。
定理2 n阶实对称矩阵A有n个特征值。只要证明
A的任一特征值必是实数就可以了。
定理3 设 是矩阵A的S个互不相同的
特征值且 分别是关于
的S个特征向量,则 是一组线性
无关的向量。
例
求A的特征值与特征向量。
解 A的特征方程
因此A的特征值为 ,不难验证向量
都是A的关于1的特征向量,显然这二个向量线性无
关。
推论 设n阶方阵A有n个不同的特征值,则A有一组
由n个线性无关的向量组成的特征向量组。
数 学
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