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2011xiu本征值向量1
方阵的特征值与特征向量
例 设矩阵与向量如下.计算并观察它与的关系.
解
可看到,向量α用矩阵A左乘后得到的向量β正好是4α. 这样的向量α具有特别的意义. 一般而言, n阶方阵与n维向量有密切的联系. 设A为n阶方阵,α为n维列向量,此例子给出一个值得重视的现象.由此引入下列定义.
定义1 设A是n阶方阵,是非0列向,若有复数λ 使
Aα=λα (1)
则称λ为A的特征值,为A的属于λ的特征向量.
从几何上看,矩阵A的一个特征向量经过A作用后的向量λ与特征向量是共线的,而比例系数λ就是特征向量所属的特征值.
引理1 若α1, α2, …, αs是A的属于λ的特征向量,则α1, α2, …, αs的任一非0线性组合β=k1α1+k2α2+…+ksαs 也是A的属于λ的特征向量.
证 由条件 Aαi=λαi, i=1, …, s
Aβ=A(k1α1+…+ksαs)= k1Aα1+…+ ksAαs
=k1λα1+…+ksλαs=λ (k1α1+…+ksαs)= λβ.
由定义1,β是A的属于λ的特征向量.
证毕.
由引理1 可知,若A有特征值λ,则A的属于λ的特征向量有无穷多个.
相反,若已知A有特征向量,则只能属于A的一个特征值. 事实上,若属于A特征值λ1,λ2,则A=λ1,A=λ2,从而λ1=λ2,得(λ1-λ2) =0,由于特征向量≠0,故λ1-λ2=0,即λ1=λ2.
特征值与特征向量的求法
设若是A的特征值,是属于的特征向量,则由
Aα = λα 得 λα-Aα = 0
即 (λI-A) = 0 (2)
下面寻找n维向量≠0使(2)式成立. 注意λI-A是一个n阶阵,把看作未知向量,(2)就是一个齐次线性方程组
(3)
由于≠0,x1,…, xn不全为0,即x1,…, xn是(3)的非0解. 而齐次方程组(3)有非0解的充要条件是它的系数行列式为0:即
.
定义2 设A是n阶方阵,λ是变量. 矩阵λI-A称为A的特征矩阵.
它的行列式
称为A的特征多项式.它是λ为变元的一个n次多项式.
上面分析说明,如果λ是方阵A的特征值,则λ必是A的特征多项式的一个根;反之,如果λ是A的特征多项式的一个根,则线性方程组(3)必有非0解. 这样,λ就是A的一个特征值,而(3)的非0解= (x1,…,xn)T就是A的属于λ的特征向量.
方阵A的特征值与特征向量的方法:
(1)写出A的特征多项式|λI-A|,并求出它的根(称为A的特征根),这些根也就是A的全部特征值;
(2)把所得特征值逐个代入方程组(3),对每个特征值解方程组(3),求出它的基础解系,它们就是属于这个特征值的线性无关特征向量.
例 求n阶数量矩阵kI的特征值与特征向量.
解 kI 的特征多项式为
,
特征多项式的根为λ=k,即kI的特征值只有k,它是一个n重根.
把λ=k代入(λI-kI)α =0, 得
0 α = 0.
它的非零解为任意非0向量. 故任何非0向量都是kI的特征向量.
直接由特征向量的定义也可知,矩阵kI左乘任何向量α后得到kα.
例 设
为实数域R上的矩阵, 求A的特征值与特征向量.
解 A特征多项式
,
有两个复数根
有两个复特征向量
注意:A在实数域R中没有实特征值,没有实特征向量
例 设
为实数的矩阵, 求A的特征值与特征向量.
解 A的特征多项式为
故的特征值是:-1(二重根) 和5.
把特征值-1代入齐次方程组
它的基础解是
.
故属于-1的两个线性无关特征向量就是1,2,而属于-1的全部特征向量是k11+ k22, 其中k1, k2不同时为0.
再把特征值5与代入:
它的基础解系是它是属于5的一个线性无关特征向量.
属于5的全部特征向量就是k3,.
注意在本例中,特征值 (=-1的重数恰好等于其对应的线性无关的特征向量的个数,但一般而言,结论未必成立.
例 设
为实数域R上的矩阵, 求A的特征值与特征向量.
解 A的特征多项式为
故的特征值是(1=1,和
(2=(3=3(二重根) .
把特征值(1=1代入齐次线性方程组
,
它的基础解是
属于(1=1的线性无关特征向量是1,而属于(1=1的全部特征向量是k11 其中k1不为0.
再把特征值(2=(3=3与代入|3I-A|= 0得
它的基础解是,它就是属于(2=(3=3的一个线性无关特征向量. 属于(2=(3=3的全部特征向量是k2 , .
注意在本例中,二重特征值(2=(3=3所对应的线性无关的特征向量的个数只有一个.
有如下定理
定理1 ( 任
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