线性代数 第四章 矩阵的特征值和特征向量
《线性代数》矩阵的特征值与特征向量
《线性代数》矩阵的特征值与特征向量矩阵的特征值与特征向量是线性代数中非常重要的概念。
在许多实际问题的分析和求解中，特征值和特征向量扮演着重要的角色。
本文将从定义、性质和应用三个方面来详细介绍矩阵的特征值与特征向量。
一、定义给定一个n阶方阵A，若存在非零向量x和标量λ，使得满足以下等式：Ax=λx则称λ为矩阵A的特征值，x为矩阵A对应于特征值λ的特征向量。
特征向量是描述线性变换的方向，在变换过程中保持方向不变，特征值是对应于特征向量的缩放因子。
二、性质1.特征值与特征向量的存在性和唯一性对于n阶方阵A，它一定存在n个特征值，但不一定有n个线性无关的特征向量。
每个特征值对应的特征向量也不一定唯一2.特征值的性质（1）特征值的和等于方阵的迹，即λ1 + λ2 + ... + λn =tr(A)。
（2）特征值的积等于方阵的行列式，即λ1 * λ2 * ... * λn = det(A)。
3.特征向量的性质（1）对于同一个特征值λ，存在无穷多个线性无关的特征向量。
（2）特征向量的线性组合仍然是一个特征向量。
三、应用矩阵的特征值与特征向量在多个学科和领域中都有广泛的应用。
1.物理学在量子力学中，特征值与特征向量的概念被用来描述量子态和量子测量。
2.工程学在结构力学中，特征值与特征向量可以用来分析弹性体的振动频率和振动模态。
3.数据分析特征值与特征向量可以用于主成分分析（PCA），以降低数据的维度并提取最重要的特征。
4.图像处理特征值与特征向量可以用于图像压缩和图像恢复等领域。
5.机器学习在机器学习算法中，特征值与特征向量可以用于降维、分类和聚类等任务。
总结：矩阵的特征值与特征向量是线性代数中的重要概念，具有很多实际应用。
通过特征值与特征向量，我们可以分析矩阵的性质、求解特征方程、降低数据维度等。
理解和掌握矩阵的特征值与特征向量对于深入理解线性代数以及在实际问题中的应用都具有重要意义。
线性代数矩阵的特征值与特征向量
线性代数矩阵的特征值与特征向量矩阵的特征值和特征向量是线性代数中非常重要的概念，具有广泛的应用。
在此，我们将详细介绍特征值和特征向量的定义、性质和计算方法。
希望能对读者理解这两个概念有所帮助。
1.特征值和特征向量的定义在线性代数中，对于一个n阶矩阵A，如果存在一个非零向量x，使得Ax=λx，其中λ是一个标量，则称λ是矩阵A的特征值，x是对应于特征值λ的特征向量。
2.特征值和特征向量的性质（1）对于任意矩阵A和非零向量x，如果Ax=λx，则(x,λ)是(A-λI)的一个特征对，其中I是单位矩阵。
（2）对于任意非零常数k，kλ和kx也是特征值λ和特征向量x的特征对。
（3）如果矩阵A的特征向量x1和x2对应于不同的特征值λ1和λ2，则x1和x2线性无关。
（4）若矩阵A的特征值都不相同，则它一定能够对角化。
3.特征值和特征向量的计算（以2阶矩阵为例）对于一个2阶矩阵A，我们可以通过以下步骤来计算其特征值和特征向量：（1）解特征方程det(A-λI)=0，其中I是单位矩阵。
（2）将特征值代入(A-λI)x=0，求解x的向量，即为对应于特征值的特征向量。
4.实对称矩阵的特征值和特征向量对于实对称矩阵，其特征值一定是实数且存在线性无关的特征向量。
具体计算方法为：（1）求解特征方程det(A-λI)=0，得到特征值λ1, λ2, ..., λn。
（2）将特征值代入(A-λI)x=0，解出x的向量，即为对应于特征值的特征向量。
5.正交矩阵的特征值和特征向量对于正交矩阵，其特征值的模一定是1，且特征向量是两两正交的。
具体计算方法同样为求解特征方程和特征向量方程。
6.特征值和特征向量的应用特征值和特征向量有广泛的应用，例如：（1）主成分分析（PCA）：利用特征值和特征向量可以找到数据的主要特征方向，用于数据降维和分析。
（2）图像处理：利用特征值和特征向量可以进行图像压缩、增强和分析。
（3）物理学中的量子力学：波函数的特征值和特征向量对应着物理量的测量结果和对应的本征态。
矩阵的特征值与特征向量
矩阵的特征值与特征向量矩阵是线性代数中一个重要的概念，广泛应用于数学、物理、工程等领域。
在矩阵的研究中，特征值与特征向量是非常重要的概念。
本文将以简明扼要的方式介绍矩阵的特征值与特征向量及其在实际问题中的应用。
一、什么是矩阵的特征值与特征向量？在矩阵A中，如果存在一个非零向量v，使得Av=kv，其中k为一个实数或复数，则k为该矩阵的特征值，而v为对应的特征向量。
特征值和特征向量总是成对出现的，特征向量对应于一个或多个特征值。
特征值和特征向量是描述矩阵变换特性的重要指标，在许多科学和工程应用中具有重要意义。
二、如何计算矩阵的特征值与特征向量？要计算矩阵的特征值与特征向量，我们需要解决一个特征方程，即|A-λI|=0其中A为矩阵，λ为特征值，I为单位矩阵。
解特征方程可以得到特征值的值，然后将特征值带入原方程(A-λI)v=0中，求解得到特征向量v。
特征值与特征向量的计算在实际问题中有多种方法，例如Jacobi方法、幂法等。
三、矩阵的特征值与特征向量的应用特征值和特征向量在现实世界中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 特征向量在图像处理中的应用特征向量可以用来表示图像的特征信息，例如图像识别中，利用特征向量可以提取图像的特征，从而进行图像分类、目标识别等任务。
2. 特征值与动力系统的稳定性在动力系统的稳定性研究中，特征值被用来描述系统的稳定性。
通过计算系统的特征值，可以判断系统是否稳定，并预测系统的行为。
3. 特征值与物理问题中的本征频率在物理学中，特征值与特征向量经常用来描述振动系统的本征频率与本征振动模态。
例如，通过计算结构的特征值与特征向量可以确定建筑物的地震响应。
4. 特征向量与网络分析在网络分析中，特征向量可以用来计算节点的中心性，从而衡量节点的重要性。
该方法在社交网络分析、蛋白质相互作用网络等领域中得到广泛应用。
总结：矩阵的特征值与特征向量是矩阵理论中的重要概念，具有广泛的应用价值。
矩阵的特征值和特征向量
矩阵的特征值和特征向量矩阵是线性代数中重要的概念之一，其特征值和特征向量也是矩阵理论中的核心内容。
本文将全面介绍矩阵的特征值和特征向量，包括定义、性质、求解方法以及应用等方面，为读者深入理解和应用矩阵的特征值和特征向量提供帮助。
一、特征值和特征向量的定义矩阵A是由m×n个数构成的矩形数表，其特征值和特征向量是矩阵的重要性质。
对于一个n阶矩阵A，如果存在一个非零向量x，使得Ax=kx，其中k为常数，那么k就是矩阵A的特征值，而非零向量x称为A对应于特征值k的特征向量。
特征值和特征向量的定义说明了矩阵在线性变换下的不变性。
特征向量表示了矩阵在该线性变换下的一个不变方向，而特征值则表示了该方向上的伸缩倍数。
二、特征值和特征向量的性质矩阵的特征值和特征向量具有以下性质：1. 特征值与矩阵的行列式和迹有关。
对于n阶矩阵A，其特征值λ1, λ2, …, λn满足λ1 + λ2 + … + λn = tr(A)，λ1 × λ2 × … × λn = |A|。
2. n阶方阵的特征向量个数不超过n，且特征向量线性无关。
3. 若λ是方阵A的特征值，则对于任意非零常数c，cλ也是A的特征值。
4. 若λ是方阵A的特征值，且x是A对应于λ的特征向量，则对于任意正整数k，λ^k是A^k的特征值，x是A^k对应于特征值λ^k的特征向量。
三、特征值和特征向量的求解方法求解特征值和特征向量是矩阵理论中一个重要的问题。
下面介绍两种常用的求解方法：1. 特征方程法：设A是一个n阶矩阵，λ是其特征值，x是对应于λ的特征向量，那么Ax = λx可以变形为(A - λI)x = 0，其中I是n阶单位矩阵。
由于x是非零向量，所以矩阵(A - λI)的行列式必须为零，即|A - λI| = 0，这样就可以得到特征值λ的值。
然后，通过解(A - λI)x = 0可以求得特征向量x。
2. 幂迭代法：这是一种迭代法的方法，通过矩阵的幂次迭代来逼近特征向量。
(线性代数)第四章 矩阵的特征值和特征向量
∴η1
=
a2 − a1
1 0 0 0 ,η 2 = 1 ,L ,η n −1 = 0 M M M 0 1 0
对应λ=0的 =0的 特征向量为 k1η1 + L + kn −1η n −1 , k ,L , k 不全 n −1 1
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
§4.1 相似矩阵 一. 相似矩阵的定义和性质 AP= 都是n阶方阵, 若有可逆矩阵P 设A, B都是n阶方阵, 若有可逆矩阵P, 使P−1AP=B, 则称矩阵A 相似. 记为A 相似变换矩阵. 则称矩阵A与B相似. 记为A~B. P为相似变换矩阵. 相似是相抵的特例 相似必相抵,反之不然. 特例: 注1: 相似是相抵的特例: 相似必相抵,反之不然. 注2: 矩阵间的相似关系是一种等价关系 (1) 反身性: A~A; 反身性: P−1AP =B (2) 对称性: A~B ⇒ B~A; 对称性: PBP−1 =A (3) 传递性: A~B, B~C ⇒ A~C. 传递性: 相抵关系下的不变量： 相抵关系下的不变量：矩阵的秩 相似关系下的不变量： 相似关系下的不变量： 矩阵的秩
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
解: |λE–A| = (λ+1)(λ –2)2. +1)( 所以A 所以A的特征值为λ1= –1, λ2= λ3= 2. (–E–A)x = 0的基础解系: ξ1=(1,0,1)T. 的基础解系: 对应于λ1= –1的特征向量为kξ1 (0≠k∈R). 的特征向量为k (0≠ (2E–A)x = 0的基础解系: (2E 的基础解系: ξ2=(0, 1, –1)T, ξ3=(1, 0, 4)T. =2的特征向量为 的特征向量为k 对应于λ2=λ3 =2的特征向量为k2ξ2 +k3ξ3 (k2, k3不同时为零). 不同时为零).
矩阵特征值与特征向量
矩阵特征值与特征向量在线性代数中，矩阵的特征值和特征向量是非常重要的概念。
它们在很多数学和工程领域都有广泛的应用。
本文将详细介绍矩阵特征值和特征向量的定义、性质以及计算方法。
一、特征值与特征向量的定义1. 特征值：对于一个n阶方阵A，如果存在一个非零向量X使得AX=kX，其中k为一个常数，那么k就是矩阵A的特征值。
我们可以把这个等式改写为(A-kI)X=0，其中I是单位矩阵。
这样，求解特征值就等价于求解矩阵(A-kI)的零空间。
2. 特征向量：特征向量是与特征值相对应的非零向量。
对于一个特征值k，其对应的特征向量X满足AX=kX。
二、特征值与特征向量的性质1. 特征值与特征向量是成对出现的，一个特征值对应一个特征向量。
2. 特征值的个数等于矩阵A的阶数。
特征值可以是实数或复数。
3. 特征向量可以乘以一个非零常数得到一个新的特征向量。
4. 如果矩阵A是实对称矩阵，那么其特征值一定是实数。
如果矩阵A是正定或负定矩阵，那么其特征值一定大于0或小于0。
5. 特征向量相互之间线性无关。
三、特征值与特征向量的计算方法1. 求特征值：求解特征值的常用方法是求解矩阵A的特征多项式的根。
特征多项式的形式为|A-kI|=0，其中|A-kI|表示矩阵A-kI的行列式。
2. 求特征向量：已知特征值k后，将k代入(A-kI)X=0即可得到特征向量。
可以使用高斯-约当消元法或者迭代法来求解。
四、矩阵特征值与特征向量的应用1. 特征值与特征向量广泛应用于机器学习和数据分析领域。
在主成分分析（PCA）中，我们可以通过计算数据的协方差矩阵的特征向量来实现数据降维和特征提取。
2. 特征值与特征向量也在图像处理和信号处理中有许多应用。
例如，在图像压缩算法中，我们可以利用矩阵的特征值和特征向量来实现图像的降噪和压缩。
3. 特征值和特征向量还可以应用于动力系统的稳定性分析。
通过求解动力系统的雅可比矩阵的特征值，我们可以判断系统的稳定性和临界点的类型。
矩阵的特征值与特征向量
矩阵的特征值与特征向量矩阵是现代数学中重要的一种数学工具，它在线性代数、微积分、概率论等不同领域都有广泛的应用。
矩阵的特征值与特征向量是矩阵理论中的重要概念，它们具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文将从理论和实际应用两个方面，详细介绍矩阵的特征值与特征向量。
一、特征值与特征向量的定义在介绍特征值与特征向量之前，首先我们需要明确矩阵的定义。
矩阵是由数个数或数的组合所构成的矩形阵列。
一个矩阵可以是多行多列的，其中每个元素都是一个实数或复数。
接下来，我们来介绍特征值与特征向量的概念。
设A是一个n阶矩阵，如果存在一个非零向量X，使得AX=kX，其中k是一个常数，则称k为矩阵A的特征值，X称为对应于特征值k的特征向量。
特征值与特征向量的存在性是基于以下的线性代数定理：对于任何n阶矩阵A，都存在至少一个特征值和对应的特征向量。
二、特征值与特征向量的求解如何求解矩阵的特征值与特征向量呢？求解特征值与特征向量可以通过矩阵的特征方程来实现。
设A是一个n阶矩阵，其特征方程为|A-λI|=0，其中λ为待求的特征值，I为单位矩阵。
解特征方程得到的根即为矩阵的特征值。
确定了特征值后，我们可以通过代入特征值到原特征方程，解线性方程组来求解对应的特征向量。
解出的特征向量需要满足非零向量的条件。
三、特征值与特征向量的性质矩阵的特征值与特征向量具有以下重要的性质：1. 矩阵的不同特征值对应的特征向量线性无关。
这意味着矩阵的特征向量可以构成矩阵的一个线性无关组。
2. 特征值的个数等于矩阵的秩。
这个性质对于推断矩阵的秩具有重要的参考价值。
3. 矩阵的特征值之和等于矩阵的迹。
矩阵的迹即主对角线上的元素之和。
这个性质在矩阵运算和推导中有重要的应用。
4. 矩阵的特征值与特征向量在相似矩阵之间具有不变性。
也就是说，相似矩阵具有相同的特征值。
四、特征值与特征向量的应用特征值与特征向量在实际应用中具有广泛的应用价值。
以下列举了一些常见的应用领域：1. 特征值与特征向量在物理学中有重要的应用。
第四章矩阵的特征值和特征向量
由定理4.1和齐次线性方程组解的性质，可以得到
推论1 如果 是A的属于特征值0的特征向量，则 c (c 0为任意常数)也是A的属于0的特征向量， 即，如果A 0 ( 0)，则（ A c ) 0 (c ) (c 0为任意常数).
推论2
如果1 , 2 都是A的属于特征值0的特征向量，
定义4.2 A (aij )为n阶矩阵，含有未知数的矩阵 E A称为 A的特征矩阵，其行列式
E A
a11 a12 a21 a22
an1 an 2
a1n a2 n
ann
称为A的特征多项式。 det( E A) 0称为A的特征方程。
定理4.1：设A (aij )为n阶矩阵，则0是A的特征值， 是 A的属于0的特征向量的充要条件是，0为特征方程 det( E A) 0的根， 是齐次线性方程组(0 E A) X 0 的非零解。
对于2＝7，解齐次线性方程组(7E-A)X＝0.求解 4 4 x1 0 x 5 5 2 0
解的基础解系 2 1,1 , 于是A的属于2 7的全部
T
特征向量为c2 2 (c2 0, 常数)
例4
求矩阵A的特征值和特征向量.其中 3 2 4 A 2 0 2 4 2 3
1.计算特征多项式 det( E A)；
2.求特征方程det(E-A)=0的所有根，即求得A的全部 特征值 1 , 2
（其中可能有重根）； n
3.对A的每一个特征值i , 求对应的齐次线性方程组 （iE-A）X=0的一个基础解系i1 , i2 , is，则A的属于
i的全部特征向量为 c1i c2i
矩阵的特征值与特征向量
矩阵的特征值与特征向量矩阵是线性代数中的重要概念，它在各个领域均有广泛的应用。
在研究矩阵的性质时，特征值与特征向量是一个不可或缺的概念。
本文将详细介绍矩阵的特征值与特征向量，探讨它们在矩阵理论和实际问题中的应用。
1. 特征值与特征向量的定义对于一个 n 阶方阵 A，如果存在一个非零向量 X 和一个实数λ，使得Ax = λX 成立，则称λ 为矩阵 A 的特征值，X 称为特征值λ 对应的特征向量。
2. 计算特征值与特征向量为了计算特征值与特征向量，我们可以使用特征值方程 det(A-λI) = 0。
其中，det() 表示矩阵的行列式，A 是待求特征值与特征向量的矩阵，I 是单位矩阵，λ 是未知数。
解特征值方程得到的λ 值即为矩阵的特征值。
3. 求解特征向量在得到特征值λ 后，我们可以通过代入特征值到方程 (A-λI)X = 0 中，求解出对应的特征向量 X。
需要注意的是，特征向量并不唯一，可以乘以一个非零常数得到不同的特征向量。
4. 特征值与特征向量的性质特征值与特征向量有以下重要性质：- 矩阵 A 的特征值的个数等于矩阵的阶数 n，包括重复的特征值。
- 所有特征值的和等于矩阵的迹（主对角线元素的和）。
- 矩阵 A 的特征向量构成的集合是线性无关的。
5. 矩阵的对角化与相似矩阵如果能找到一个可逆矩阵 P，使得 P^-1AP = D，其中 D 是对角矩阵，则称矩阵 A 是可对角化的。
对角矩阵 D 的对角线上的元素就是矩阵 A的特征值。
P 的列向量组成的矩阵就是 A 的特征向量矩阵。
6. 特征值与矩阵的性质关系矩阵的特征值与矩阵的性质之间存在一定的联系：- 如果矩阵 A 是奇异矩阵，则它的特征值中至少有一个为零。
- 如果矩阵 A 是对称矩阵，则它的特征值都为实数，并且相应的特征向量可以取为正交向量。
- 如果矩阵 A 是正定矩阵，则它的特征值都大于零。
7. 应用举例：主成分分析（PCA）主成分分析是一种常用的统计学方法，用于数据降维和特征提取。
矩阵的特征值与特征向量
矩阵的特征值与特征向量矩阵是线性代数中一个重要的概念，而矩阵的特征值与特征向量则是矩阵理论中的基本概念之一，它们在科学计算、物理学、工程学等领域都有着广泛的应用。
本文将对矩阵的特征值与特征向量进行详细的介绍。
一、特征值与特征向量的定义在矩阵理论中，给定一个n阶方阵A，如果存在一个非零n维向量x，使得Ax与x线性相关，即满足下式：Ax = λx其中，λ为非零常数，称为矩阵A的特征值；而向量x称为矩阵A 对应于特征值λ的特征向量。
从定义中可以看出，特征向量并不唯一，一个特征值可以对应多个特征向量，且特征值和特征向量是成对存在的。
二、求解特征值与特征向量的方法求解一个矩阵的特征值与特征向量可以使用多种方法，其中比较常用的有特征值问题的特征多项式法和幂法。
1. 特征多项式法特征多项式法是一种较为直观的方法，其基本思想是通过解矩阵的特征方程来求解特征值。
对于一个n阶方阵A，其特征方程可以表示为：|A-λI| = 0其中，I是n阶单位矩阵，λ是一个未知量。
解特征方程可以得到矩阵A的所有特征值。
解特征方程得到特征值后，再带入Ax = λx中，可以求解对应的特征向量。
2. 幂法幂法是一种迭代的方法，通过不断迭代矩阵的幂次来逼近特征值和特征向量。
算法的基本思想是：(1)选择一个任意的非零向量x0；(2)计算x1 = Ax0；(3)计算x2 = Ax1；......(4)迭代到某一步，得到xk与x(k-1)之间的变化很小时，停止迭代。
在迭代过程中，向量x逐渐趋近于特征向量，而矩阵B = A^k中的最大特征值则逐渐趋近于特征值，因此可以通过幂法来估计特征值与特征向量。
三、特征值与特征向量的性质矩阵的特征值和特征向量具有多个重要性质。
1. 特征值的性质（1）特征值的个数等于矩阵的阶数n；（2）特征值的和等于矩阵的迹（即主对角线上元素之和）；（3）特征值的积等于矩阵的行列式；（4）特征值具有可交换性，即两个矩阵AB和BA具有相同的特征值。
线性代数 第四章 矩阵的特征值与特征向量
例 设 是 A 的一个特征值，证明：(1) 2 是 A2 的一个特征值；(2)当 A 可逆时， 1 是 A1 的一个 特征值.
证 设 是 A 的属于特征值 的特征向量，即 Aα α （ 0 ）
(1)在 Aα α 两边左乘 A ，得 A2α Aα 2α 所以， 2 是 A2 的一个特征值，且 是 A2 的属于特 征值 2 的特征向量.
在上述讨论中，表达式 A0 40 反映了矩阵 A 作用在向量0 上只改变了常数倍，我们把具有这 种性质的非零向量0 称为矩阵 A 的特征向量，数 4 称为对应于0 的特征向量.
定义 1 设 A 是 n 阶方阵，如果存在数 和非零 列向量 ，使得 Aα α .则称 为 A 的一个特征值， 称为矩阵 A 的属于特征值 的一个特征向量.
(2)当 A 可逆时，由 Aα α 有 α A1α ,因为 0 ， 知 0 ，故 A1α 1α ，则 1 是 A1 的一个特征值.
将此例推广为一般情况，有
结论：若 是 A 的一个特征值，则 m （ m N ） 是 Am 的一个特征值；() 是 ( A) 的特征值，其中 ( ) a0 a1 L am m ， ( A) a0 E a1 A L am Am .
例
已知向量
1 1
是
A
2 5
1 a
2 3
的一个特
1
1 b 2
征向量，试确定 a,b 及特征向量 所对应的特征值 .
解 由特征值和特征向量的定义 Aα α ，有
2 5 1
1 a b
2 3
1
1
1 1
即
2 1 1
1
2
a
b 1
于是 1 , 2 a ,b 1 所以 a 3, b 0, 1
《线性代数》第四章第二节 方阵的特征值与特征向量
若P是与对应的特征向量，则显然k 0时， kP也是与对应的特征向量.
6.属于同一特征值的特征向量的非零线性组合 仍是属于这个特征值的特征向量．
例1
设
A
=
−2 0
1 2
1 0,
求A的特征值与特征向量．
− 4 1 3
分析：
1.特征方程的根就是特征值；
2. (A-E)x=0的通解（去掉零解）就是特征值对应
所以对应于 2 = 3 = 2的全部特征向量为 :
k2 p2 + k3 p3 (k2 , k3不同时为0).
例2 证明：若 是矩阵A的特征值，x 是A的属于 的特征向量，则
(1) m是Am的特征值(m是任意常数).
(2) 当A可逆时,−1是A−1的特征值.
证明 (1) Ax = x A(Ax) = A(x) = (Ax) = (x) A2 x = 2 x
有x.
3. A − E = 0 为A的特征方程。
a11 −
a21
an1
a12
a22 −
an2
a1n
a2n
=0
ann −
记 f ( ) = A − E ,它是的n次多项式, 称其
为方阵A的 特征多项式 .
( ) 4. 设 n阶方阵A = aij 的特征值为1, 2 ,,
n ,则有 (1) 1 + 2 + + n = a11 + a22 + + ann; (2) 12 n = A .
将1 = 2 = 1代入(A − E )x = 0,
解之得基础解系
− 2
1 = 1 ,
0
矩阵的特征值与特征向量
1, 2, …, n), 则 P 可逆, 且 P-1AP=
1,
注: 对于实对称矩阵 A，一定有可逆阵 P，使 P－1AP为对角阵， P 的列向量为 A 的特征向量，对角阵中主对角线上的元素为 A 的特征值，而且也一定有正交阵 Q，使 Q－1AQ 为对角阵. 当 A 的特征 值互异时，其特征向量两两正交，只需将特征向量单位化 ，即可求得正交阵 Q；当 A 有 k 重特征值时，这个k 重特征值 一定对应有 k 个线性无关的特征向量，用施密特正交化方法将其 化为两两正交的向量并单位化，就求出正交阵 Q 来了.
矩阵的特征值与特征向量
一. 特征值与特征向量的求法
1.利用定义求特征值与特征向量
注: 用定义求特征值与特征向量，最重要的是求出特征值. 为此， 首先求出矩阵的特征多项式，并将它按降幂排列，然后通过试根或 因式分解将其化为一次式的乘积，从而求出特征值. 求特征向 量 即求齐次方程组(A- E)X=0 的基础解系.
2.利用公式求特征值与特征向量
二.A 与对角阵相似的解题方法
注: 当矩阵有重特征值时，我们用定理“A 与对角阵相似的充 要条件为 r(A- iE)=n-ri”来判定 A 能否与对角阵相似，其中 ri特征值 i的重数，n 为矩阵 A 的阶数.
注: 矩阵相似对角化的步骤: (1) 求出 A 的所有特征值 1, 2,…
三. 方阵 及其特征值、特征向量的互求
四.An 的求法
五.证明题
n,若
1, 2,…,
n 互异, 则 A 与对角阵相似；若
1, 2,…,
异的为
1, 2,…,
m, 每个
i 的重数为 ri, 当 r(A-
i E)=n-
(i=1,2,…m), A 与对角阵相似；否则 A 不能与对角阵相似
矩阵的特征值与特征向量
矩阵的特征值与特征向量矩阵是线性代数中的重要概念之一，特征值与特征向量是矩阵理论中常被提到的概念。
在本文中，我们将详细介绍矩阵的特征值与特征向量，以及它们之间的关系和应用。
一、特征值与特征向量的定义矩阵A是一个n阶方阵，那么非零向量x是矩阵A的特征向量，如果满足以下条件：Ax = λx其中λ为实数，称为矩阵A的特征值。
特征向量是指在变换矩阵作用下，只发生缩放而不改变方向的向量。
特征值则是衡量该变换强度的标量。
二、求解特征值与特征向量的方法1. 特征值的求解要求解特征值，我们需要解方程|A-λI|=0，其中I为单位矩阵。
解这个方程就可以得到矩阵A的特征值。
2. 特征向量的求解当求得特征值λ之后，我们可以将其代入方程(A-λI)x=0中，通过高斯消元法求解得到特征向量。
三、特征值与特征向量的性质1. 特征值的重要性质矩阵A的特征值个数等于其阶数n，且特征值具有唯一性。
2. 特征向量的重要性质特征向量x与特征值λ的关系为：Ax = λx。
这表明特征向量在矩阵A的作用下只发生了缩放，而未改变方向。
3. 特征值与特征向量的关系同一特征值对应的特征向量可由标量倍数唯一确定。
四、特征值与特征向量的应用1. 矩阵的对角化矩阵的特征值与特征向量可以被用于对矩阵进行对角化。
对角化使得矩阵运算更加简单，且能够揭示矩阵的某些性质。
2. 矩阵的相似性特征值与特征向量的概念也被用于定义矩阵的相似性。
相似矩阵具有相同的特征值。
3. 特征值在图像处理中的应用特征值与特征向量的概念在图像处理中有广泛的应用。
例如，它们可以用于图像压缩、边缘检测等领域。
五、总结矩阵的特征值与特征向量是线性代数中的重要概念。
特征值是矩阵的度量，而特征向量则是与特征值相关联的向量。
通过求解特征值和特征向量，我们可以得到揭示矩阵性质的重要信息，并应用于各种实际问题中。
特征值与特征向量的概念在科学领域中有着广泛的应用，如物理学、生物学、经济学等。
它们的理解与掌握对于深入理解矩阵理论以及解决实际问题具有重要的意义。
线性代数_第四章
从本例中,我们可看出,对角矩阵中的主对角
元素恰为矩阵A的特征值.相似因子阵P的各
列恰为A的对应于各特征值的特征向量.
定理7 n阶矩阵A相似于对角矩阵的充 要条件是A有n个线性无关的特征向量.
证明: (必要性)
设A相似于对角矩阵D=diag{l1, l2, …,ln} ,
则存在可逆矩阵P，使得P-1AP=D，即AP=PD。
即可求得对于该特征值的特征向量.
例4 设三阶方阵
1 2 2 A= 2 1 2 2 2 1
求A的特征值与对应于各特征值 的全部特征向量.
解: 求解特征方程|lI – A|=0,
l 1
| l I A |= 2 2 2 2 2 = (l 1) 2 (l 5) l 1
l 1
2
证明: 设A~B,则存在可逆矩阵X,使得B=X-1AX.
于是:
|B|=|X-1AX|=|X-1||A||X|=|A|
故行列式是相似不变量.
定理3
ห้องสมุดไป่ตู้
矩阵的迹是相似不变量.
定理4 矩阵的秩是相似不变量.
证明: 设矩阵A, B相似, 从而有A与B等价. 故A与B的秩相等. 因此, 矩阵的秩是相似不变量.
定理4 如果l1, l2, …,ls如(s<n)是n阶方阵A的
不同特征值,而 X , X , i1 i2
, X iri (i=1,…,s)是
A的对应于特征值li的ri个线性无关的特征向 量，那么向量组
X11 , X12 , , X1r1 , X 21, X 22 ,
, X 2r2
, X s1 , X s 2 ,
对P进行分块有：P=(X1, X2, …,Xn)，代入上式
线性代数 第四章矩阵的特征值和特征向量
m
线性无关.
推论 若 n 方阵有互不相同的特征值
1 , 2 ,, m
则其对应的特征向量 x1 , x2 ,, xm 线性无关。
定理3
设n阶方阵A的全部特征值是1，2， ，n，则 (1) 1 2 n a11 a22 ann aii
4.1.2 特征值与特征向量的性质
定理1 n 阶方阵 A 与它的转置矩阵 AT 有相同的特征值。
定理2
设 n 方阵 A 有互不相同的特征值 1，2， ，m， （i E A）x 0 的基础解系为 i1， i 2， ， iri （i 1， ，m）,则 2，
11 , 12 , , 1r ; 21 , 22 ,, 2 r ;; m1 , m 2 ,, mr
解 A的特征多项式为
2 0 4
1 2 1
1 0 3
2
A E
(2 )
2 4
1 3
(2 )( 2 6 4) (2 )( 2 2)
( 1)( 2)
A的特征值为
1 1, 2 3 2
B AB D
1
由B可逆便知： 1 , , n 都是非零向量，因而都是A的特征
向量，且
1 , , n
线性无关。
推论
如果n阶矩阵A的特征值 1 , , n 互不相同 则相似于对角矩阵
1 n
定理
n 阶 矩阵 A 与对角矩阵相似的充分必要条件是 对于每一个
AP P
P AP
1
必要性
设A相似于对角矩阵
d1 D dn
即存在可逆矩阵B，使得
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是线性代数中非常重要的概念，它们在许多领域的数学和科学问题中都起着至关重要的作用。
本文将介绍矩阵的特征值与特征向量的定义、性质以及它们在实际问题中的应用。
一、特征值与特征向量的定义给定一个n阶方阵A，如果存在一个非零向量v，使得满足下面的关系式：Av = λv其中λ是一个实数，那么称λ为A的特征值，v为对应于特征值λ的特征向量。
特征值与特征向量的存在性是由代数基本定理所保证的。
在实际计算中，我们通常将这个关系式转化为一个线性方程组来求解特征值和特征向量。
二、特征值与特征向量的性质1. 相似矩阵具有相同的特征值如果两个矩阵A和B相似，即存在一个可逆矩阵P，使得P^{-1}AP = B。
那么A和B具有相同的特征值。
证明：设Av = λv，其中v是A的特征向量。
将上式两边同时左乘P^{-1}，得到(P^{-1}AP)(P^{-1}v) = B(P^{-1}v)。
令u = P^{-1}v，则Bu = λu，其中u是B的特征向量。
因此，λ也是B的特征值。
2. 特征向量可以线性组合如果v_1和v_2是矩阵A对应于相同特征值λ的特征向量，那么对于任意实数c_1和c_2，cv_1 + c_2v_2也是对应于特征值λ的特征向量。
证明：由于Av_1 = λv_1，Av_2 = λv_2，那么A(cv_1 + c_2v_2) = cAv_1 + c_2Av_2 = cλv_1 + c_2λv_2 = λ(cv_1 + c_2v_2)。
因此，cv_1 +c_2v_2也是对应于特征值λ的特征向量。
三、特征值与特征向量的应用1. 矩阵对角化将一个矩阵A通过相似变换P^{-1}AP = D变换为对角矩阵D，其中D的对角线上的元素为A的特征值。
这个过程称为矩阵的对角化。
对角化后的矩阵形式更加简洁，便于计算和分析。
2. 矩阵的幂对于一个对角化的矩阵A和一个非负整数k，有A^k = PD^kP^{-1}，其中D^k是D的每个元素都进行了k次幂运算。
矩阵特征值与特征向量
矩阵特征值与特征向量矩阵是线性代数中重要的概念之一，它在各个领域中都有广泛的应用。
矩阵的特征值和特征向量是矩阵的重要性质，具有很大的研究价值和应用潜力。
本文将介绍矩阵特征值与特征向量的概念、计算方法以及其在实际问题中的应用。
一、特征值与特征向量的定义矩阵A的特征值（eigenvalue）是一个标量λ，使得满足方程Av=λv 成立的非零向量v称为矩阵A的特征向量（eigenvector）。
其中，方程为矩阵特征值方程。
特征值与特征向量之间存在一一对应关系。
特征值与特征向量是描述矩阵在特定线性变换下的性质的重要指标。
特征值表示变换后的向量与原向量之间的比例关系，特征向量则表示在特定变换下保持方向不变的向量。
二、特征值与特征向量的计算为了求解矩阵的特征值和特征向量，可以通过解特征值方程来实现。
给定一个矩阵A，求解特征值和特征向量的步骤如下：1. 求解特征值方程det(A-λI)=0，其中I是单位矩阵，det()表示行列式。
2. 解得特征值λ1，λ2，...，λn。
3. 对每个特征值λi，求解方程组(A-λiI)v=0，得到特征向量vi。
特征向量vi可以有多个，对应于不同的特征值λi。
特征向量可以通过高斯消元法或其他方法求解。
三、特征值与特征向量的性质特征值与特征向量具有以下重要性质：1. 矩阵A与其特征向量组成的矩阵P的乘积AP=PD，其中D是一个对角矩阵，对角线上的值是矩阵A的特征值，P是由特征向量组成的矩阵。
2. 特征值的和等于矩阵的迹（trace），特征值的乘积等于矩阵的行列式的值。
3. 特征向量线性无关，可以构成矩阵的一组基。
这些性质为矩阵的分析和计算提供了便利。
四、特征值与特征向量的应用特征值和特征向量在实际问题中具有广泛的应用。
以下是几个经典的应用示例：1. 特征值分解：利用特征值和特征向量的分析，可以将矩阵分解为对角矩阵的形式，简化计算和求解问题。
2. 主成分分析（PCA）：主成分分析是一种常用的数据降维方法，通过求解协方差矩阵的特征值和特征向量，将原始数据转换为一组线性无关的主成分。
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求 A 的特征值与特征向量. 求 A 的特征值与特征向量.
解： A 的特征多项式为
2 A E 5 1 1 3 0 2 3 2
( 1) ,
3
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
3. 设矩阵 设矩阵
2 A 2 0
第四章 相似矩阵的性质 性质1. 设A~B, f是一个多项式, 则f(A)~ f(B).
证明: 设P 1AP =B, f(x) = anxn+…+a1x+a0, 则
P 1f(A)P = P 1(anAn+…+a1A+a0E)P = anP 1AnP+…+a1P 1AP+a0 P 1EP
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
特征值 特征矩阵 A = (E–A) = 0 |E–A| = 0 特征方程
(characteristic equation)
特征向量
E–A
特征多项式
(characteristic polynomial)
–a21 |E–A| = … –an1
可逆, 则矩阵 B 也可逆, 且 A-1 与 B-1 相似.
detA = detB , detA = detB ,
证明 由性质2, 若矩阵 A 与 矩阵 B 相似, 则 B 相似 证明 由性质, 若矩阵 A 与 矩阵
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
四. 相似对角化(diagonalize) 1. 定义:
A~ =
1 0 … 0 0 2 … 0
… … … … 0 0 … n
= P 1AP
P = (1, …, n)可逆 1, …, n线性无关 P 1AP = AP = P
(A1, …, An) = (11, …, nn)
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
2. 条件: 定理4.1. Ann ~ 对角矩阵
1, …, n和线性无关的1, …, n, s.t. Ai = ii (i = 1, …, n).
在此条件下, 令
P = (1, …, n), = diag(1, …, n), 则P 1AP = .
= an(P 1AP)n+…+a1P 1AP+a0E
= anBn+…+a1B+a0E
= f(B).
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
性质2. 设A~B, 则|A| = |B|.
证明: P 1AP = B |P 1AP| = |B| |P 1||A||P| |P|1|A||P| |A| = = =
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
例4. 设为方阵A的特征值, 证明2为A2的特征值. 证明: 因为为A的特征值, 即有非零向量x使Ax = x, 于是(A2)x = A(Ax) = A(x) = (Ax) = 2x, 所以2为A2的特征值.
例5. 设为方阵A的特征值, 证明() = 22 –3 +4. 为(A) = 2A2 –3A +4E的特征值. 证明: 因为为A的特征值, 即有非零向量x使Ax = x, 于是(A)x = (2A2 –3A +4E)x = 2(A2)x–3Ax +4x = 22x–3x +4x = (22 –3 +4)x = ()x, 所以()为(A)的特征值.
–a11
–a12 –a22 … –an2
… –a1n … –a2n … … … –ann
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
二. 计算 1. 理论依据 定理4.2. (1) 0为A的特征值 |0E–A| = 0. (2) 为A的对应于0特征向量 (0E–A) = 0. 2. 步骤 计算|E–A|
A = a0E+ a1A + … + amAm ,, A = a0E+ a1A + … + amAm 证明 是 A 的特征值. 证明 是 A 的特征值.
证明 因 是 A 的特征值, 故有 p 0 使
Ap = p. (1) Akp = Ak-1(Ap) = Ak-1(p) = (Ak-1p) = (Ak-2(Ap)) = 2(Ak-2p)
2 0 1 2 2 0
求 A 的特征值与特征向量. 求 A 的特征值与特征向量.
解： A 的特征多项式为
2 A E 2 0
( 1)( 4)( 2),
2
0
1 2 2
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
3 1 例1. 求A = 的特征值和特征向量. 1 3 –3 1 = (–2)(–4). 解: |E–A| = 1 –3
所以A的特征值为1=2, 2=4.
x1 + x 2 = 0 对于2=4, (4E–A)x = 0 即 x + x = 0 1 2 x1 1 (0 k R). 解之得 =k x2 1 k (0kR). A的对应于2=4的特征向量为 k
A11 = (PP1)(PP1)(PP1)…(PP1) = P11P1
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
二. 相似矩阵的定义
A与B相似(similar): P, s.t. P 1AP =B. 记为A~B.
易见, 矩阵间的相似关系满足 (1) 反身性: A~A; (2) 对称性: A~B B~A; (3) 传递性: A~B, B~C A~C. 即矩阵间的相似关系是一种等价关系. 且A与B相似 A与B相抵. 但反之未必.
求|E–A| = 0的根
求(E–A)x = 0的基础解系
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
3 1 例1. 求A = 的特征值和特征向量. 1 3 –3 1 = (–2)(–4). 解: |E–A| = 1 –3
所以A的特征值为1=2, 2=4.
x1 + x2 = 0 对于1=2, (2E–A)x = 0 即 x x = 0 1 2 x1 1 (0 k R). 解之得 =k x2 1 k (0kR). A的对应于1=2的特征向量为 k
三. 性质 性质6. 设A~B, 则|E–A| = |E–B|. 性质7. 设A = (aij)nn的特征值为1, …, n, 则 (1) 1 + … + n = tr(A). (2) 1…n = |A|.
推论. A 可逆1, …, n全不为零. 性质8. |E–A| = |E–AT|.
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
解: |E–A| = (+1)( –2)2. 所以A的特征值为1= –1, 2= 3= 2. (–E–A)x = 0的基础解系: p1=(1,0,1)T. 对应于1= –1的特征向量为kp1 (0kR). (2E–A)x = 0的基础解系: p2=(0, 1, –1)T, p3=(1, 0, 4)T. 对应于2=3 =2的特征向量为k2p2 +k3p3 (k2, k3不同时为零).
解： A 的特征多项式为
A E 1 1 1 1 1 1
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
2. 设矩阵 2. 设矩阵
2 2 5 A A 5 1 1
1 1 3 3 0 0
2 2 2 2 3 3
(2) tr(kA) = ktr(A); (3) tr(AB) = tr(BA).
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
性质4. 设A~B, 则tr(A) = tr(B).
证明: P 1AP = B tr(B) = tr(P 1AP) = tr(APP 1)
= tr(A). 性质5. 若矩阵 A 与 矩阵 B 相似, 且矩阵 A
性质3. 设A~B, 则r(A) = r(B).
证明: P 1AP = B r(A) = r(B).
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
a11 a12 a21 a22 A= … … an1 an2
… a1n … a2n … … … a1n
A的迹(trace): tr(A) = a11 + a22 + … + a1n (1) tr(A+B) = tr(A) + tr(B);
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
一般情况，设 设 是方阵 A 的特征值. 一般情况 是方阵 A 的特征值.
(1) 证明 k 是 Ak 的特征值(k 为正整数); (1) 证明 k 是 Ak 的特征值(k 为正整数);
(2) 设 = a0 + a1 + … + amm ,, (2) 设 = a0 + a1 + … + amm
2 1 1 例3. 求 A 0 2 0 的特征值和特征向量. 4 1 3
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.2 特征值与特征向量
练习
1. 设矩阵 1. 设矩阵
0 A 1 1
1 1 1 0 1 0
求 的特征值与特征向量. 求 A 的特征值与特征向量.
第四章 矩阵的特征值和特征向量
§4.1 相似矩阵
法国数学家柯西: