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矩阵的相似对角化.
学科分类号(二级)110.21 本科学生毕业论文(设计) 题 目 矩阵的对角化 姓 名 李 学 号 院、 系 数学学院 专 业 数学与应用数学 指导教师 职称(学历)副教授 矩阵的对角化 摘要:矩阵的对角化是高等代数课程的一个重要内容,相似的矩阵具有一些相同的性质,比如相同的特征值,秩,迹,行列式等.因此,对于可对角化的矩阵,可通过研究它的相似标准形来讨论这类矩阵的性质.本文总结了矩阵可对角化的条件,归纳了矩阵对角化的基本方法和步骤,并通过实际例子展现其具体应用. 关键词:特征值;特征向量;矩阵对角化 1 引言 鉴于矩阵对角化的重要性,许多学者在这方面展开了探讨. 王兴民,孙霞等人在文献[1]中阐述了矩阵的特征值与特征向量及其相似对角形的统一求法;在此基础上,王新民又在文献[2]中归纳了矩阵特征值与特征向量及其相似对角形的优化求法;许必才在文献[3]中探讨了用初等变换的方法求解相似对角形;曾文才在文献[4]中更加详尽的讨论了矩阵可对角化的充要条件及其变换矩阵的构造;刘学鹏,王文省在文献[5]中阐述了一类特殊矩阵,即实对称矩阵的对角化过程;张立群,郭伟在文献[6]中详细的讨论了矩阵对角化的判别方法;李丽花则在文献[7]中概括阐述了矩阵可相似对角化的条件.另外,在权威的高等代数教材[8]及专门介绍矩阵理论的书[9]中,我们可以找到矩阵对角化的相关概念和理论. 通过阅读上述文献,我们发现,这些文章涉及到的关于矩阵的相似对角化的方法部分是重复的,而且每篇论文只就某个方面展开论述. 本文将对这些方法和结论做系统的整理和归纳,这对于学习矩阵相似对角化及其应用具有一定意义. 2 任意数域上矩阵的对角化问题 本节具体讨论任意数域上矩阵对角化的条件及对角化的步骤. 先给出一些基本概念.设,是阶矩阵,若存在可逆矩阵,使得则称矩阵与矩阵相似,记为∽.若阶矩阵与对角矩阵相似,则称可相似对角化,记为∽,并称是的相似标准形.对于矩阵可相似对角化的条件,有以下定理. 定理2.1 设是数域上阶矩阵,下列条件等价: (1) 可对角化; (2) 在中有个线性无关的特征向量; (3) 的根全在中,且每个特征根的几何重数等于代数重数. 根据上述定理,可按以下步骤来处理矩阵的对角化问题: (1) 求出矩阵 的特征值,,…,; (2) 若,,…,互不相同,则可对角化,可直接进行步骤; (3) 若特征值有重根,则求该特征值有几个线性无关的特征向量,如果重特征值有个线性无关的特征向量,则可对角化,否则不可对角化. (4) 当可对角化时,求出各特征值对应的特征向量,,… ,;并排列成矩阵=(,,),则 =. 注:设是数域上阶矩阵,如果在中有个互不相同的特征值,那么在上可对角化.该条件仅仅是“在上可对角化”的充分条件,反之不成立. 例2.1 已知,判断是否可对角化. 解:由特征多项式 知0,1是的特征值,其中是的二重特征值.且 , 这表明二重根只有一个线性无关的特征向量,故不能相似对角化. 例2.2 设=,求可逆矩阵,把化为相似标准形,并写出对角矩阵. 解:先求出的特征值,特征向量.该矩阵的特征多项式是 ==. 所以的特征值为0,-1,1. 对于=0,解齐次方程组.由 = 可求得特征向量. 对于,解齐次方程组.由 = 可求得特征向量. 对于=1,解齐次方程,由 =. 可求得特征向量. 令 =. 则 . 3 实对称矩阵的对角化问题及其应用 实对称矩阵是一类相对特殊的矩阵,这类矩阵必可以相似对角化.由于其特征值全为实数,特征向量全为实向量,不同特征值的特征向量互相正交,故通常采用正交矩阵将其对角化.用正交矩阵对实对称矩阵对角化的步骤是: 求出矩阵的特征值,,…,; 求出对应的特征向量,,…,; 当的特征值互不相同时,将特征向量单位化即可构造矩阵;若存在特征值重根时,需检验特征向量是否正交,否则对其进行Schmidt正交法处理,构造正交矩阵,将矩阵对角化为 例3.1设矩阵为三阶实对称矩阵且各行元素之和均为3,向量,为线性方程组的两个解. 求的特征值与特征向量; 求正交矩阵和对角矩阵,使. 解:(1)由于,为线性方程组的两个解.所以,是对应于特征值0的两个线性无关的特征向量,又因为的各行元素之和均为3,所以3也是的特征值,是矩阵对应于特征值3的特征向量.经检验,所求得的两个向量并不正交,因此要对其进行正交化处理
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