5、线性代数之特征值、矩阵相似(知识总结)

1、特征值、特征向量的定义

是个n阶矩阵,是一个数,存在一个非零向量,使得

那么称的特征值,的对应与特征值的特征向量。

1.1、如何求解特征值和特征向量

是特征方程,可以求出

例题:

,求特征值和特征向量

解:

,解出,再带入求出特征向量;

我们列举一下为10的特征向量例子

把10带入,得到矩阵

现在我们要把这个矩阵化简为行阶梯矩阵,由于这个矩阵是带入特征值,所以它一定不是满秩的,我们可以看出它的秩就是2,直接把一行写成0,再进行化简就简单多了。

1.2、如何快速求解特征方程的根

①我们直接使用特征值的性质提取出一个公因子

②看出0,1,-1,2,-2这些显然的因子,然后再使用多项式的带余除法

③如果多项式的系数都是整数,则有理根一定都是整数,且均是常数项的因子

2、特征值的性质

的特征值,如果给了,可以带入求中的未知数。

②若的特征值

③若的特征值,则

证明:

3、特征向量的性质

的属于的特征向量的非零解。可以用来求A中的未知数

重特征值至多只有个线性无关的特征向量(其次方程的基础解系数量为k)。

③若的属于不同特征值的特征向量,则线性无关。

④若的属于不同特征值的特征向量,则当,不是的任何特征值的特征向量。(常考情形)

⑤ 一个特征向量是不能属于两个不同的特征值的。

4、常用矩阵的特征值和特征向量

,由于,所以伴随矩阵的特征值等于任意两个特征值的乘积。

的特征值还是,但是特征向量需要重新计算。

对于一个秩为1的矩阵,其特征值

证明:

因为,所以,则,故0为的特征值。

,根据前面的特征向量的性质,0至少为n-1重根。

5、矩阵的相似(重点)

定义:设是两个阶方阵,若存在阶可逆矩阵,使得,则称相似于,记成

5.1、相似矩阵的性质

这些性质即使全满足也不能推出两个矩阵是相似的,还需要从定义出发

;由下面的④推过来

(或

各阶主子式之和分别相等

5.2、重要结论

①若,则

对于除转置外的相似,他们用的都是相同的手段,即P相同。

②若,则

5.3、如何证明两个矩阵相似

①定义法:找出P使得,

②传递法(后面重点):,则

③性质(只能证否)

6、矩阵的相似对角化

若存在n阶可逆矩阵P,使得,其中B是对角矩阵 ,则称A可相似对角化,记作,称B是A的相似标准型

6.1相似对角化的条件

①A可以相似对角化A有n个线性无关的特征向量

②A可以相似对角化A对应于每个重特征值都有个线性无关的特征向量

③n阶矩阵A有n个不同的特征向量A可以相似对角化

④n阶矩阵A为实对称矩阵A可以相似对角化(后面证明)

6.2、求可逆矩阵P,使得

①求的特征值****

②求n个特征值对应的线性无关的特征向量

③令,则

6.3、判别一个矩阵是否相似于对角矩阵

①判断是否是实对称矩阵,实对称矩阵必相似于对角矩阵

②特征值是否都是实单根

③特征值是重根,若对应有个线性无关的特征向量,则相似于对角矩阵;若对应的线性无关的特征向量少于个,则不能相似于对角矩阵。

回顾之前的结论无论对于A,B是否可逆都满足

6.4、可以求解哪些问题

①求一个矩阵的高次幂

②已知特征值和特征向量,可以求A矩阵

7、实对称矩阵的相似对角化

7.1、实对称矩阵的性质

①实对称矩阵的不同特征值的特征向量正交。

②相同特征值的特征向量可能正交 也可能线性无关

③对于任意的阶实对称矩阵,存在阶正交矩阵,使得

这里的的特征向量**正交化、单位化(其实只有特征值相同的需要)**后的矩阵;这里因为特征值相同时,把两个向量正交,依然是原来的空间,所以不影响。

实对称矩阵一定可以通过正交矩阵相似对角化,普通矩阵一定不能。

7.2、实对称矩阵相似对角化的基本步骤

①求的特征值****

②求特征值对应的特征向量

③将正交化(若需要的话)、单位化为

④令 ,则为正交矩阵,且

施密特正交化公式:

线性无关但不正交,令

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