线性代数 矩阵的相似对角化
矩阵与行列式的相似矩阵与对角化
矩阵与行列式的相似矩阵与对角化在线性代数中，矩阵与行列式是两个非常重要的概念。
它们在许多数学和工程领域中都有广泛的应用。
而相似矩阵和对角化则是与矩阵与行列式密切相关的概念。
本文将重点介绍矩阵与行列式的相似矩阵和对角化。
1. 相似矩阵的定义及性质相似矩阵是指具有相同特征值的矩阵。
形式上，对于两个n阶矩阵A和B，如果存在一个可逆矩阵P，使得P⁻¹AP=B，则称矩阵A与B 相似。
相似矩阵有以下性质：(1) 相似矩阵具有相同的特征值；(2) 相似矩阵具有相同的迹；(3) 相似矩阵具有相同的行列式。
相似矩阵的概念在线性代数中有广泛的应用，可以简化对矩阵的运算和分析。
2. 对角化的概念及条件对角化是指将一个矩阵通过相似变换变为对角矩阵的过程。
对于一个n阶方阵A，如果存在一个可逆矩阵P，使得P⁻¹AP=D，其中D为对角矩阵，则称矩阵A可对角化。
对角化的条件有以下两个：(1) 矩阵A有n个线性无关的特征向量；(2) 矩阵A的特征向量构成n阶矩阵的一个特征向量空间的基。
具有对角化性质的矩阵在一些问题的求解中非常有用，可以简化矩阵的计算和分析过程。
3. 对角化的步骤对于一个可对角化的矩阵A，可以通过以下步骤实现对角化：(1) 求解特征值和特征向量：计算矩阵A的特征值和对应的特征向量；(2) 构建特征向量矩阵：将特征向量按列排列得到特征向量矩阵P；(3) 构建对角矩阵：将特征值按对角线排列得到对角矩阵D；(4) 计算相似矩阵：计算相似矩阵B=P⁻¹AP。
经过上述步骤，原矩阵A就可以被对角矩阵D所代替，即A=PDP⁻¹，完成对角化过程。
4. 对角化的应用对角化的概念和方法在许多数学和工程领域都有着重要的应用。
以下是对角化的一些应用：(1) 矩阵的幂计算：对对角矩阵求幂非常简单，只需要对对角线上的元素求幂即可。
这在很多数值计算和电路分析问题中非常有用；(2) 矩阵的指数函数：对角矩阵的指数函数可以通过对对角线上的元素分别求指数得到。
矩阵的相似与对角化
矩阵的相似与对角化矩阵是线性代数中的重要概念之一，而相似性与对角化是矩阵理论中的两个关键概念。
本文将从相似性与对角化的概念入手，探讨它们的定义、性质以及在线性代数中的应用。
1. 相似矩阵的定义与性质相似矩阵是线性代数中一个重要的概念，它描述了两个矩阵具有相同的特征值，但其特征向量的基和矩阵元素可能不同。
具体来说，如果存在一个可逆矩阵P，使得矩阵A和矩阵B满足A = PBP^(-1)，则可以称矩阵A和矩阵B是相似的。
相似矩阵的性质包括：1) 相似矩阵具有相同的特征值，即它们的特征多项式相同。
2) 相似矩阵的特征向量对应相同的特征值，但基可能不同。
3) 相似矩阵具有相同的迹、行列式和秩。
4) 相似矩阵具有相同的幂，即A^k与B^k相似。
2. 对角化的定义与性质对角化是线性代数中与相似性概念紧密相关的一个概念。
简而言之，对角化就是将一个矩阵通过相似变换变成对角矩阵的过程。
具体来说，如果一个n阶矩阵A相似于一个对角矩阵D，即存在一个可逆矩阵P，使得A = PDP^(-1)，则称矩阵A是可对角化的。
对角化的性质包括：1) 可对角化矩阵与其特征值和特征向量有关，特征向量构成的基是将矩阵对角化的基。
2) 可对角化矩阵具有简洁的形式，对角线上的元素是矩阵的特征值，其他元素都为0。
3) 可对角化矩阵的幂可以通过对特征值的幂进行对角化得到。
3. 相似与对角化的关系和应用相似的关系为矩阵的对角化提供了有力的理论基础。
具体而言，如果一个矩阵是可对角化的，那么它就必然与一个对角矩阵相似。
换句话说，对角化是相似的一种特殊情况。
相似与对角化的关系在线性代数中有广泛的应用，例如：1) 矩阵的相似性可以简化矩阵的计算，例如求解线性方程组、计算矩阵的幂等等。
2) 对角化可以简化矩阵的求幂运算，从而方便计算高阶矩阵的幂。
3) 对角化可以帮助我们理解矩阵的性质，例如特征向量的重要性、矩阵的谱分解等。
总结：本文从相似性与对角化的定义和性质出发，对相似矩阵与对角化的关系与应用进行了讨论。
矩阵相似和对角化
矩阵相似和对角化矩阵的相似和对角化是线性代数中重要的概念和技术。
它们在矩阵理论、线性变换和特征值理论等领域具有广泛的应用。
下面将对矩阵相似和对角化进行详细介绍和相关参考内容的分享。
1. 矩阵的相似性（Matrix Similarity）：矩阵相似性是指两个矩阵具有相同的特征值与特征向量。
具体来说，对于n阶矩阵A和B，如果存在一个可逆矩阵P，使得P^(-1)AP=B，则称矩阵A与B相似。
矩阵相似性的特性包括：(1) 相似矩阵具有相同的特征值，但不一定有相同的特征向量；(2) 相似矩阵具有相同的迹、行列式和秩；(3) 相似矩阵表示相同的线性变换，只是在不同的坐标系下表示。
矩阵的相似性在计算机图形学、信号处理和网络分析等领域有广泛的应用。
下面是几篇相关的参考文献：- "Matrix Similarity and Its Applications"（作者：Yu Zhang）是一篇介绍矩阵相似性及其应用的综述文章。
它详细讨论了相似矩阵的定义、性质和计算方法，并列举了相似矩阵在网络分析和信号处理中的应用案例。
- "On Similarity of Matrices"（作者：Pe tar Rajković et al.）是一篇关于相似矩阵的形式定义和性质研究的论文。
它推导了相似矩阵的充要条件和相似变换的表达式，并给出了相似矩阵的几何解释和应用示例。
- "Graph Similarity and Matching"（作者：Michaël Defferrard et al.）是一本关于图相似性和匹配算法的专著。
它介绍了基于矩阵相似性的图匹配方法，包括谱聚类、图嵌入和子图匹配等技术，对于矩阵相似性的理解和应用具有参考价值。
2. 矩阵的对角化（Matrix Diagonalization）：矩阵的对角化是指将一个可对角化矩阵相似转化成对角矩阵的过程。
线性代数 第5.2节 矩阵相似对角化
2 2 得基础解系 p1 1 , p2 0 . 0 1 当 3 7 时，齐次线性方程组为 A 7 E X 0 1 8 2 2 1 0 2 2 5 4 0 1 1 A 7E 0 0 0 2 4 5
求矩阵 A.
22
解：因为特征向量是3维向量，所以矩阵 A 是3 阶方阵。
因为 A 有 3 个不同的特征值，所以 A 可以对角化。 即存在可逆矩阵 P , 使得 P 1 AP
1 1 1 其中 P 1 0 2 , 1 1 1
求得 P 1
1 3 1 2 1 6 1 3 0 1 3
A 可以对角化。
当 1 1 时， 齐次线性方程组为
A Ex 0
5 5 1 1 系数矩阵 A E 2 2 0 0
x1 x2
1 令 x2 1 得基础解系: p1 1
25
当
2 2 时， 齐次线性方程组为 A 2 E x 0 2 5 2 5 系数矩阵 A 2 E 2 5 0 0
x1 2 x2
2 得基础解系 p1 1 , 0
0 0. p2 1
当 3 2 时，齐次线性方程组为 A 2 E X 0
6 A 2 E 3 3 6 3 6 0 1 0 0 3 0 0 1 0 1 1 0
可对角化的矩阵主要有以下几种应用： 1. 由特征值、特征向量反求矩阵 例3：已知方阵 A 的特征值是
1 0, 2 1, 3 3, 1 1 1 1 , 0 , 2 , 相应的特征向量是 1 2 3 1 1 1
线性代数 矩阵相似对角化
0 2
k2X0
上述必须有两个线性无关的解向量，r(-I-A)=1
4 2 2 4 2 2
rk4
0 2
k2rk0
0 0
0k1
k0
(2)代入k=0, 1,2 1 时，线性无关的特征向量：
1 120 T ,2 102 T
（4）Ａ~Ｂ，则 RA=RB
（5）Ａ~Ｂ，则 A B
（6）Ａ~Ｂ，且Ａ可逆，则 A1~B1
定理
若n阶矩阵A与B相似，则A与B有相同的特征 多项式，从而A与B有相同的特征值．
IAIB
QIBIP1A PP1IPP1A P
P1IAPIA
推论 若n阶矩阵A与对角矩阵
y1
x1
令Y
y2
P1
x2
,
y3
x3
Y
'
y1' y2'
P1
x1' x2'
,
y3'
x3'
故有
5 Y'00
0 3 0
003Yyyy231
推论 如果n阶矩阵Ａ有n个不同的特征值，则矩阵Ａ
可相似对角化．
推论 若n阶矩阵Ａ可相似对角化Ａ的任 t i 重特征值
i 对应 t i 个线性无关的特征向量．
注意 （1）P中的列向量 p1,p2, ,pn的排列顺序要与
1,2, ,n的顺序一致．
（2）因 p i 是 (A E )x0 的基础解系中的解向量，
的λ都是方阵Ａ的特征值．
(1)由 f()EA0求出A的所有特征值 1,2,L,n,
矩阵的相似与对角化求解
矩阵的相似与对角化求解矩阵是线性代数中重要的概念之一，广泛应用于各个领域。
在研究矩阵的性质时，相似和对角化是两个关键的概念。
本文将为您介绍矩阵的相似性和对角化求解方法，并探讨它们在实际问题中的应用。
一、矩阵的相似性矩阵的相似性是指两个矩阵具有相同的特征值和特征向量。
当两个矩阵相似时，它们的性质也会类似。
在数学中，我们用矩阵P表示可逆矩阵，如果矩阵A和B满足P^-1AP=B，那么我们称A和B是相似矩阵。
矩阵的相似性具有以下三个性质：1. 相似性是一种等价关系。
即对于任意的矩阵A，A与自身相似；若A与B相似，则B与A相似；若A与B相似，B与C相似，则A 与C相似。
2. 相似矩阵具有相同的行列式、迹和秩。
这意味着相似矩阵在行列式、迹和秩等方面具有相似的性质。
3. 相似矩阵具有相似的特征值和特征向量。
这是矩阵相似性的核心概念，相似的矩阵具有相同的特征值和特征向量。
二、矩阵的对角化求解方法对角化是指将一个矩阵通过相似变换，转化为对角矩阵的过程。
对角化的求解可以简化矩阵的运算，方便研究矩阵的性质。
下面介绍一种常用的对角化求解方法——特征值分解。
特征值分解是将一个n阶矩阵A分解为A=PDP^-1的形式，其中D是对角矩阵，P是可逆矩阵，D的主对角线上的元素是A的n个特征值。
特征值分解的步骤如下：1. 求出矩阵A的特征值。
特征值可以通过求解特征方程det(A-λI)=0来获得，其中λ是特征值，I是单位矩阵。
2. 根据特征值求出对应的特征向量。
对于每一个特征值λ，通过求解(A-λI)x=0来获得对应的特征向量x。
3. 构造可逆矩阵P。
将所有的特征向量按列组成矩阵P，即P=[x1,x2,...,xn]。
4. 构造对角矩阵D。
将特征值按照对应的特征向量顺序放在D的主对角线上。
5. 得到对角化的矩阵A。
通过A=PDP^-1可以得到矩阵A的对角化形式。
三、应用示例矩阵的相似性和对角化在实际问题中具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用示例：1. 线性系统求解：矩阵的相似性可以将一个复杂的线性方程组转化为一个简单的对角形式，从而求解线性系统变得更加方便。
矩阵的相似性与对角化
矩阵的相似性与对角化矩阵是线性代数中的重要概念之一，广泛应用于各个领域。
在矩阵的研究中，相似矩阵和对角化是两个关键概念。
本文将探讨矩阵的相似性和对角化，并分析它们在实际问题中的应用。
一、相似矩阵相似矩阵是指具有相同特征值的矩阵。
具体而言，设A和B为两个n阶矩阵，若存在一个可逆矩阵P，使得PAP^{-1}=B成立，则称A和B相似，P为相似变换矩阵。
矩阵的相似性可以理解为同一线性变换在不同基下的表示。
相似矩阵保持了线性变换的关键属性，例如特征值和特征向量。
对于相似矩阵，它们之间存在一系列重要性质：1. 相似矩阵具有相同的特征值。
设A和B为相似矩阵，如果λ是A 的特征值，则B的特征值也是λ。
2. 相似矩阵具有相同的行列式、迹和秩。
3. 相似矩阵具有相同的特征多项式和最小多项式。
相似矩阵的概念对于矩阵的性质分析和计算求解具有重要意义。
我们可以通过相似矩阵的性质来简化矩阵的计算和求解过程。
二、对角化对角化是将一个矩阵变换为对角矩阵的过程。
一个可对角化的矩阵可以表示为D=P^{-1}AP，其中D为对角矩阵，P为相似变换矩阵。
要判断一个矩阵是否可对角化，需要满足两个条件：1. 矩阵A必须有n个线性无关的特征向量，其中n为矩阵的阶数。
换句话说，A的特征向量必须能够张成整个n维空间。
2. 矩阵A的每一个特征向量都对应一个不同的特征值。
符合上述条件的矩阵A称为可对角化矩阵，对角化的好处在于简化矩阵的计算。
对角矩阵具有简单的形式，只有对角线上有非零元素，其余元素都为零。
对角矩阵的求幂、求逆和乘法等运算都非常容易，因此对角化可以极大地简化矩阵的计算过程。
三、相似矩阵和对角化的应用相似矩阵和对角化在数学和工程中有广泛的应用，下面重点介绍其中几个典型的应用领域：1. 工程中的状态空间表示：在控制系统的分析和设计中，矩阵的相似性和对角化被广泛运用。
通过相似变换将系统的状态空间表示转化为对角形式，可以方便地进行系统的特征分析和控制器设计。
矩阵的相似与对角化
矩阵的相似与对角化矩阵是线性代数中的重要概念，它在各个领域都有广泛的应用。
对于一个给定的矩阵，我们可以通过相似变换来得到一种新的矩阵，其具有相似的特性。
相似变换可以理解为在某种意义上对矩阵进行了重新标定、旋转或扩张。
而对角化是一种特殊的相似变换，能够将一个矩阵变为对角矩阵，使得矩阵的运算更加简便。
首先，让我们来了解一下相似变换的概念。
对于两个矩阵A和B，如果存在一个可逆矩阵P，使得B = P^(-1) * A * P，那么我们称A和B是相似的，P为相似变换矩阵。
相似矩阵具有许多相似的性质，包括特征值和特征向量等。
具体来说，如果v是矩阵A的特征向量，那么Pv就是矩阵B的特征向量，特征值也有相应的关系。
这种相似变换在许多问题中都发挥着重要作用，例如线性变换和空间旋转等。
接下来，我们来介绍一下对角化的概念。
对角化是一种特殊的相似变换，将一个n阶矩阵A变为对角矩阵D。
换句话说，D是一个n阶对角矩阵，且存在一个可逆矩阵P，使得D = P^(-1) * A * P。
对角化的好处在于对角矩阵的运算更加简单。
由于对角矩阵只有对角线上有非零元素，其他位置都是零，所以矩阵乘法和求幂等运算都可以简化为对角元素的运算。
这种简化过程对于一些数值计算问题非常有用，例如求矩阵的幂和指数函数等。
那么对角化的条件是什么呢？首先，一个矩阵A能够被对角化，必须要有n个线性无关的特征向量。
这意味着A的特征向量都是不同的，并且它们可以组成一个完整的基。
其次，对应于不同特征值的特征向量也应该是线性无关的。
当满足了这些条件后，我们就可以通过特征向量构建一个可逆矩阵P，从而对矩阵A进行对角化。
在实际操作中，对角化的步骤如下。
首先，我们需要求出矩阵A的特征值和特征向量。
特征值可以通过解矩阵特征方程来得到，而特征向量则可以通过将特征值带入到(A - λI)x = 0中求解。
接下来，将求得的特征向量组成一个矩阵P，然后计算出其逆矩阵P^(-1)。
最后，我们可以得到对角矩阵D = P^(-1) * A * P。
线性代数 矩阵的相似对角化(1)
矩阵的相似对角化◼矩阵的相似对角化◼矩阵相似对角化举例矩阵的相似对角化(1)主要内容◼可相似对角化的方阵◼矩阵的相似对角化定义1设A 是数域P 上的n 阶方阵，如果存在数域P 上的可逆阵Q ，使得n Q AQ λλλ−⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭121,则称A 是可相似对角化的方阵，简称A 为()i P i n λ∈=1,2,,,可对角化.⚫可相似对角化的方阵例11101A ⎛⎫= ⎪⎝⎭取复数域C 上的二阶矩阵则A 在复数域上不能对角化.证a b Q c d ⎛⎫= ⎪⎝⎭设若不然，则存在可逆矩阵并非所有方阵都可以对角化.Q AQ λλ−⎛⎫= ⎪⎝⎭11200，λ1,λ2∈P .使AQ Q λλ⎛⎫= ⎪⎝⎭120012011001a b ab c d cd λλ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭即于是比较两边元素有1212a c a a dbc cd d λλλλ+=⎧⎪+=⎪⎨=⎪⎪=⎩由于Q 可逆，再由第一式有c = 0，c ,d 不能同时为0，不妨设c ≠ 0，这导致矛盾.因此，不可能存在可逆矩阵Q 使Q -1AQ 化即A 在复数域C 上不能对角化.则有λ1=1，成对角形，(1)单位矩阵只能同单位矩阵相似.例2(2)数量矩阵也只相似于数量矩阵.因为对单位矩阵E与任何可逆矩阵P,都有P−1EP = E, P−1kEP = kE.问题：给定n阶矩阵A，如何在与A相似的所有方阵中，找出最简单的矩阵是什么？(相似标准形问题)换言之，如何寻找一个可逆矩阵Q，使Q-1AQ=B成为对角阵呢?（这一片不出现）这就是下面要讨论的主要问题.我们知道：1.单位矩阵只能同单位矩阵相似.2.数量矩阵也只相似于数量矩阵.除这两类阵矩外，再简单的矩阵就是对角矩阵.那么任何矩阵A是否都相似于一个对角矩阵呢？如果A 可相似对角化，n Q AQ λλλ−⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭121,则存在可逆阵Q 使也就是说，满足什么条件的矩阵是可以对角化的呢?若此式成立, λi 应满足什么条件呢？n AQ Q λλλ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭12.记α1,α2, …, αn 为Q 的列向量，121212(,,,)(,,,),n n n A λλααααααλ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎪⎝⎭则有从而有即()()121122,,,,,,n n n A A A αααλαλαλα=从而()i i i A i n αλα==1,2,,且α1, α2, …, αn 线性无关.⚫矩阵相似变换下化为对角形定理1证明(⇐)若A 有n 个线性无关的分别属于特征值n 阶矩阵A 与对角矩阵相似⇔A 有n 个线性无关的特征向量.λ1, λ2, …, λn 的特征向量α1, α2, …, αn , 以α1, α2, …, αn 为列向量作矩阵Q =(α1, α2, …, αn ),显然Q 满秩. 且12(,,,)nAQ A A A ααα=1122(,,,)n n λαλαλα=()1212n n λλαααλ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭n Q λλλ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪⎪⎝⎭12即n Q AQ λλλ−⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭121.(⇒)必要性由充分性逆推可得.注：证明中λ, λ2, …, λn的顺序与α1, α2, …, αn1对应.不管顺序如何，对角矩阵的主对角线元素总是A的n 个特征值.因此在不考虑顺序时，与矩阵A相似的对角阵唯一.定理1表明：一个n阶方阵A是否可以相似对角化，关键在于它是否有n个线性无关的特征向量.我们从例1可以看到，并非任何方阵都可相似对角化.问题是否任一n 阶矩阵都有n 个线性无关的特征向量呢?征值的特征向量是彼此线性无关的，有n 个线性无关的特征向量，如果A 的特征值都是单根，因为属于不同特这时A 从而A 可以对角化.推论：证若A 是复数域上的n 阶矩阵，且A 在复数域上的特征根都是单根，在复数域上可相似对角化.由于复数域上的n 次多项式必有n 个根，如果都是单根，则这n 个根互不相同.必有分别属于它们的特征向量于是，则A α1, α2, …, αn .α1, α2, …, αn 线性无关，由定理可知:A 可相似对角化. 从而该推论给出了方阵相似于对角形矩阵的一个充分条件，但不是必要条件.问题是否任一n阶矩阵都有n个线性无关的特征向量呢?如果A有重根，注意到属于A 的不同特征值的线性无关的特征向量组成的向量组是线性那么只有属于它的每个重根的线性无关的，无关的特征向量个数和该特征值的重数相等它才有n个线性无关的特征向量，这时时，A才可以对角化.补充定理在复数范围内，n阶矩阵相似于对角形矩阵的充分必要条件:每个特征值的线性无关特征向量的个数等于它的重根的次数.。
矩阵的相似与对角化
矩阵的相似与对角化在线性代数中，矩阵是一种重要的数学工具，与线性变换和向量空间的理论密切相关。
矩阵的相似与对角化是矩阵理论中的两个重要概念，它们在解决特征值问题、矩阵的可对角化性和矩阵的特殊性质等方面发挥着重要作用。
一、矩阵的相似矩阵的相似是指具有相同特征值的矩阵之间存在一种关系。
设A和B是两个n阶矩阵，如果存在一个可逆矩阵P，使得PAP⁻¹=B成立，那么就称矩阵A与B相似，记作A∼B。
相似关系是一种等价关系，它具有自反性、对称性和传递性。
相似矩阵有以下几个重要性质：1. 相似矩阵具有相同的特征值。
设A与B相似，那么它们的特征多项式和特征值都相同。
2. 相似矩阵具有相同的迹。
矩阵的迹是指主对角线上元素的和。
如果A与B相似，那么它们的迹也相等。
3. 相似矩阵具有相同的秩。
矩阵的秩是指矩阵的列空间的维度。
如果A与B相似，那么它们的秩也相等。
二、矩阵的对角化对角化矩阵是一种特殊的相似矩阵，使得矩阵在某一种特殊的变换下能够变为对角矩阵。
设A是一个n阶矩阵，如果存在一个可逆矩阵P，使得PAP⁻¹=D成立，其中D是一个对角矩阵，那么就称矩阵A可对角化。
对角化的充要条件是矩阵A有n个线性无关的特征向量，即A的特征向量组成一个线性无关的向量组。
此时，矩阵A经过适当的变换后，可以将其对角化。
对角化的优点是简化了矩阵的计算和处理。
对角矩阵的运算更加方便，可以更直观地观察矩阵的性质，同时在求解线性方程组和矩阵的幂等问题时，也能够更加高效地进行计算。
三、矩阵相似与对角化的关系矩阵的相似与对角化之间存在一定的联系。
设A是一个n阶矩阵，如果A与对角矩阵D相似，那么A可对角化。
具体地说，如果存在一个可逆矩阵P，使得PAP⁻¹=D成立，那么矩阵A可对角化。
对角化的好处在于可以将矩阵的运算和计算简化为对角矩阵的运算。
同时，对角化也能够更好地揭示矩阵的特殊性质，如特征值、特征向量和秩等。
计算矩阵的相似和对角化是解决线性代数问题的重要方法。
线性代数 概念理解之 相似对角化
所有矩阵，如A，只要找到可逆矩阵P，使B=P-1AP，则A可以相似化，A可以相似变换成B，这个B是一个普通矩阵，不一定对称
所有矩阵，如果所有特征值求出对应的n个特征向量线性无关（特别地，n个特征值互不相同），就可以相似对角化
非对称矩阵的相似对角化，满足上面条件，就可以找到相似变换矩阵P，，但这个P可以单位化，也可以不单位化；即便单位化了，P也不一定是正交矩阵（由于这是非对称矩阵的相似对角化），即非对称矩阵的相似对角化未必是合同变换
对称矩阵一定可以相似对角化（通过相似变换变成对角矩阵），既可以使用普通的相似变换（此时的变换不是合同变换），也可以使用特殊的正交变换（具有合同变换性质）
二次型一定可以相似对角化（二次型的矩阵是对称矩阵），而且往往都是使用正交变换，因此二次型矩阵的相似对角化（使之变成标准形）往往是合同变换
16SrRNA对应于基因组DNA上一段被称为16SrDNA基因序列。
矩阵的相似和对角化的性质和应用
矩阵的相似和对角化的性质和应用矩阵的相似和对角化是线性代数中比较基础的概念，也是常常用到的重要工具。
在本文中，我将介绍矩阵相似的定义及其一些性质，探讨矩阵对角化的方法和应用。
一、矩阵相似1.1 定义设 $A$ 和 $B$ 是 $n$ 阶矩阵，若存在一个可逆矩阵 $P$，使得$B=P^{-1}AP$，则称 $B$ 与 $A$ 相似，$P$ 叫做相似变换矩阵。
1.2 性质（1）相似关系是一种等价关系。
对于任意的 $n$ 阶矩阵 $A$，有 $A\sim A$。
若 $A\sim B$，则$B\sim A$。
若 $A\sim B$，$B\sim C$，则 $A\sim C$。
（2）相似关系保持一些矩阵的特性。
若 $A$ 是一个对称矩阵，则 $B=P^{-1}AP$ 也是对称矩阵。
若$A$ 是一个正定矩阵，则 $B=P^{-1}AP$ 也是一个正定矩阵。
（3）相似矩阵有相同的特征值和相同的秩。
若 $A\sim B$，则 $A$ 和 $B$ 有相同的特征值。
即它们的特征多项式相同。
并且相似矩阵有相同的秩。
二、对角化2.1 定义设 $A$ 是 $n$ 阶矩阵。
若存在一个可逆矩阵 $P$，使得 $P^{-1}AP=D$，其中 $D$ 是一个对角矩阵，则称 $A$ 可对角化，$D$ 叫做 $A$ 的一个对角化矩阵，$P$ 叫做对角化矩阵。
2.2 对角化的必要条件若$A$ 可对角化，则$A$ 必须有$n$ 个线性无关的特征向量。
即存在一组线性无关的向量$\{\vec{v_1},\vec{v_2},\cdots,\vec{v_n}\}$，使得$A\vec{v_i}=\lambda_i\vec{v_i}$，其中 $\lambda_i$ 是 $A$ 的特征值。
2.3 对角化的方法（1）在求解 $A$ 的特征值 $\lambda$ 和特征向量 $\vec{v}$ 后，将特征向量按列组成矩阵 $P$，得到 $D=P^{-1}AP$。
线性代数-矩阵的相似对角化
5.6 应的线性无关的特征向量的个数必须恰好等于该特征
值的重数。
P146 推论2
推论 如果 n 阶矩阵 A 有 n 个不同的特征值，则矩阵 A 可以 P145 相似对角化。
推论1
10
§5.2 矩阵的相似对角化
第 三、矩阵相似对角化的方法步骤
五 章
步骤
(1) 求 n 阶方阵 A 的特征值 1, 2 , , r ,
似 矩 阵
P
1 A
P
a1
a2
Λ,
A P Λ P 1,
a3
由矩阵 A 与 L 相似，故它们有相同的特征值，即得
a1 a2 a3 a ,
Λ a I , A P(a I )P 1 a I , 矛盾！
故矩阵 A 不能相似对角化。7源自§5.2 矩阵的相似对角化
第 二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
4
§5.2 矩阵的相似对角化
第 二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
五 章
定义
对于 n 阶矩阵 A，若存在可逆的 n 阶方阵 P， 使得
P145
相 定义 似 5.3 矩
记为
Λ.
阵
则称 A 可相似对角化 ；
▲
5
§5.2 矩阵的相似对角化
第 二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
五 章
好处
若存在可逆矩阵 P 使 P 1 AP B , 则 A PBP1,
相
其重数分别为 s1, s2 , , sr ;
似 矩
(2) 对每一个特征值 i , 求矩阵 A 特征向量，
阵
并找出其中线性无关的特征向量，其最大个数为 ti ;
(3) 若 ti si , 则 A 不能相似对角化；
矩阵的相似与对角化
矩阵的相似与对角化矩阵是线性代数中非常重要的概念之一，它在各个领域都有广泛的应用。
在研究矩阵的性质时，相似和对角化是两个重要的概念。
本文将介绍矩阵的相似和对角化以及它们在数学和实际问题中的意义。
一、矩阵的相似矩阵的相似是指对于两个矩阵A和B，若存在一个可逆矩阵P，使得P^-1AP = B，则称矩阵A和B相似。
其中，P被称为相似变换矩阵。
相似的概念可以帮助我们判断矩阵之间是否具有一些相似的性质。
在矩阵相似的条件下，它们具有以下几点性质：1. 相似矩阵具有相同的特征值：设A和B是相似矩阵，若c是A的特征值，则c也是B的特征值。
2. 相似矩阵具有相同的特征多项式：特征多项式是一个与矩阵相关的特征方程，相似矩阵的特征多项式相同。
3. 相似矩阵具有相同的迹和行列式：设A和B是相似矩阵，它们的迹和行列式相等。
相似的概念在矩阵的分析和计算中具有重要的作用。
通过相似变换，我们可以简化矩阵的计算和求解问题。
而且，相似关系也有助于我们研究矩阵的特征值和特征向量，进一步分析矩阵的性质和应用。
二、矩阵的对角化对角化是指将一个矩阵通过相似变换，转化为一个对角矩阵的过程。
对角矩阵是一种特殊的矩阵，它的非对角元素都为0。
对于一个n阶方阵A，若存在一个可逆矩阵P，使得P^-1AP = D，其中D是一个对角矩阵，则称A可对角化。
对角化的过程可以表示为A = PDP^-1。
其中，D是由A的特征值按对角线排列而成的对角矩阵。
一个矩阵是否可以对角化，与它的特征值和特征向量密切相关。
对角化的条件如下：1. 若矩阵A具有n个线性无关的特征向量，即A的特征向量的个数等于n，则A可对角化。
2. 若矩阵A的特征向量的个数少于n，则A不可对角化。
对角化的概念在数学和实际问题中都具有广泛的应用。
通过对角化，我们可以将一个复杂的矩阵简化为一个对角矩阵，从而更容易进行计算和分析。
对角化还有助于我们研究矩阵的性质和应用，比如求解线性方程组、计算幂矩阵等。
矩阵的相似与对角化
矩阵的相似与对角化矩阵是线性代数中非常重要的一个概念，可以表示线性映射和线性方程组。
在矩阵的运算中，相似和对角化是两个非常重要的概念，它们在许多实际应用中都有着重要的作用。
一. 矩阵的相似在矩阵的运算中，我们经常会遇到相似矩阵的问题。
如果两个矩阵A和B满足存在一个可逆矩阵P，使得B=PAP^-1，我们就称B是A的相似矩阵，P就是A到B的相似变换矩阵。
相似矩阵在矩阵的运算中有着重要的作用。
首先，相似矩阵具有相同的特征值，因为如果A有特征值λ和特征向量v，那么容易证明，B也有特征值λ和特征向量Pv，这是因为如果Av=λv，则B(Pv)=PAP^-1Pv=PAv=λPv。
其次，相似矩阵具有相同的行列式和迹，因为det(B)=det(PAP^-1)=det(A)，tr(B)=tr(PAP^-1)=tr(A)。
相似矩阵在实际应用中也非常重要。
例如，在求解线性微分方程组时，我们经常需要从初值矩阵A推导出解析解矩阵B，而相似矩阵可以将A和B联系起来。
又如，在信号处理中，我们需要对信号进行变换，而变换矩阵通常是相似变换矩阵。
二. 矩阵的对角化对角化是一个与相似矩阵密切相关的概念。
如果一个矩阵A能够相似于一个对角矩阵D，即存在一个可逆矩阵P，使得D=PAP^-1是一个对角矩阵，那么我们称A是可对角化的，P是A 的对角化矩阵，D是A的对角化矩阵。
对角化矩阵是一个非常重要的矩阵形式，因为它可以大大简化矩阵的计算和分析。
对于n阶矩阵A，如果它有n个线性无关的特征向量，那么它一定是可对角化的。
这是因为对于存在n个线性无关特征向量的矩阵，可以构造出一个可逆矩阵P，使得P的每一列都是一个特征向量，因此AP=PD，其中D是一个对角矩阵，它的对角线上的元素就是A的n个特征值。
因此，A=PDP^-1。
对角化在实际应用中也非常重要。
例如，在工程问题中，我们经常需要对大量的数据进行分析和处理，而对角化可以将原始数据转化为更加简单的形式，从而方便处理和分析。
线性代数 5-2矩阵相似对角化
数学科学学院 陈建华
机动
目录
上页
下页
返回
结束
4.2 矩阵相似对角化
• 相似矩阵 • 矩阵可对角化条件 • 矩阵对角化的应用 • 实对称矩阵特征值和特征向量的性质 • 实对称矩阵的对角化
机动
目录
上页
下页
返回
结束
一、相似矩阵
引例
⎛ 1 −1 ⎞ ⎛ 2 1⎞ ⎛ 1 1⎞ ,A = ⎜ , B =⎜ , 设 P =⎜ ⎟ ⎟ ⎟ ⎝ −1 2 ⎠ ⎝ −1 0 ⎠ ⎝ 0 1⎠
| AB + A − B − E |=| ( A − E )( B + E ) |=| A − E || B + E | =| A − E || A + E |=| A2 − E |=| E |= 1
例2 设n阶矩阵A,B ,则下列结论正确的是（ ） (A) 矩阵A,B有相同的特征值，则它们相似 (B) 矩阵A的非零特征值个数与它的秩相等 (C) 若矩阵A,B相似，则它们与同一个对角形矩阵相似 (D) 若A 可对角化，且A,B相似，则它们与同一个对角形矩阵相似
⎛ λ1 ⎜ λ2 ⎜ = ( α 1 , α 2 ,⋯ , α n ) ⎜ ⎜ ⎝
PΛ
AP = P Λ ⇒ P −1 AP = Λ
机动 目录 上页 下页 返回 结束
⇒
P AP = Λ ⇒ AP = P Λ
⎛ λ1 ⎜ ⎜ α , α , , α ⋯ ( ) n = 1 2 ⎜ ⎜ ⎝
−1
P = (α1 , α 2 ,⋯ , α n )
机动 目录 上页 下页 返回 结束
α1 , α 2 分别是矩阵A 的属 例3.已知A是 3 阶方阵， -1 和1的特征向量，Aα 3 = α 2 + α 3 证明： 于特征值 于特征值-1 -1和
线性代数—相似矩阵和矩阵的对角化问题
证明
l1 l
LlI
l2 l
(l1 l )(l2 l )
(ln l )
ln l
故 l1, l2, …, ln 就是 L 的 n 个特征值．
问题1：何为矩阵的对角化？
对n阶方阵A,如果可以找到可逆矩阵P,使得
P 1 AP L
为对角阵,就称为把方阵A对角化.
问题2：与对角矩阵相似的条件是什么？
得 x1 2x2 2
0
得基础解系 p1
1 0
,
p2
10
当l3 2时，齐次线性方程组为 A 2I x 0
6 6 0 1 0 1
1
A
2I
3 3
3 6
0 3
0 0
1 0
01 得基础解系
p3
1 1
所以l1 l2 1,l3 2.
当l1 l2 1时，
2
当l3
所以 p1, p2 , p3 线性无关
即A有3个线性无关的特征向量, 所以A 可以对角化.
例 判断下列实矩阵能否化为对角阵？
1
(1)
A
2 2
解
2 2
2 4
4 2
2l
2 1 2
(2)
A
5 1
3 0
3 2
1
2
(2) A l E 5 3 l 3 l 13 0
1 0 2 l
所以 l1 l2 l3 1, 此时齐次方程组为 A I x 0
今后,常称分解式中的对角阵Λ为A可对角化矩阵A的 相似标准形. 显然,若不计其主对角线元的顺序, 则Λ是惟一 确定的.
0 1
.
例 判断下列实矩阵能否化为对角阵？
1 2 2
线性代数矩阵的相似对角化与特征值分解
线性代数矩阵的相似对角化与特征值分解线性代数是现代数学的一个重要分支，研究向量空间、线性变换和矩阵等代数结构及其相互关系。
在线性代数中，矩阵是一种重要的数学工具，而矩阵的相似对角化与特征值分解是矩阵理论中的两个重要概念。
一、矩阵的相似对角化在线性代数中，给定一个方阵A，如果存在一个非奇异矩阵P，使得P的逆矩阵存在且AP=PD，其中D为对角矩阵，那么称矩阵A与对角矩阵D相似，并称P为可逆矩阵P的逆变形式。
相似对角化的概念其实是在矩阵的变相似的基础上提出的，即可以通过改变坐标系，将一个矩阵转化为对角矩阵。
这种转化有助于简化矩阵的运算和分析，使得问题变得更加清晰和易于解决。
在相似对角化的过程中，对角矩阵D的对角元素就是矩阵A的特征值。
通过矩阵的特征值和特征向量可以得到矩阵的相似对角化形式。
相似对角化的好处之一是可以在一定程度上简化矩阵的计算，比如求矩阵的幂等运算、矩阵的矢量和等。
二、特征值分解特征值分解是矩阵理论中的另一个重要概念。
给定一个方阵A，如果存在一个对角矩阵D和一个可逆矩阵P，使得P的逆矩阵存在且A=PDP^-1，那么称矩阵A存在特征值分解。
特征值分解的概念可以看作是相似对角化的一种特殊情况，即P也是矩阵A的特征向量构成的矩阵。
因此，特征值分解可以理解为一种将矩阵A分解为特征值和特征向量的表达方式。
特征值分解不仅可以用来描述矩阵的性质和特点，而且在很多实际问题中有广泛的应用。
比如在机器学习中，特征值分解可以用来降维和特征提取。
在信号处理中，特征值分解可以用于频谱分析和滤波器设计。
三、线性代数矩阵的应用线性代数矩阵的相似对角化和特征值分解在实际应用中有着广泛的应用。
以下是其中几个常见的应用领域：1. 图像处理和计算机视觉：在图像处理和计算机视觉中，矩阵的相似对角化和特征值分解可以用于图像压缩、图像去噪、图像恢复等方面。
通过对图像矩阵进行相似对角化和特征值分解，可以提取图像的主要特征，从而实现对图像的处理和分析。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
几点说明
(1) P 中的列向量(即特征向量) 特征值的顺序一致。
p1 , p2 ,, pn 的排列顺序要与
(2) 因 p是i ( A I ) X的基0础解系中的解向量，
取法不是唯一的。
因此 P 也不是唯一的。
(3) 由于 | A I |的根0只有 n 个(重根按重数计算)，
如果不计特征值的排列顺序，
| P1( A I )P || P 1 | | A I | | P |
| A I |.
即 A 与 B 有相同的特征多项式。
二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
定义 对于 n 阶矩阵 A，
若存在可逆的 n 阶方阵 P， 使得
P145 定义 5.3
记为
Λ.
则称 A 可相似对角化 ；
▲
二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
5.2 则称 A 与 B 相似，
或者称 A 相似于 B，
记为 A~ B .
称可逆矩阵 P 为把 A 变成 B 的相似变换矩阵。
称对 A 所进行的运算
P为1对AAP进行相似变换。
注 矩阵相似是矩阵等价的一种特殊情况。
一、相似矩阵的基本概念与性质
1. 相似矩阵的概念 2. 相似矩阵的性质
性质 (1) 反身性 P144 (2) 对称性
则以这些特征向量作为列向量构成矩阵 P，
从而有 P 1 A P Λ;
三、矩阵相似对角化的方法步骤
步骤 (4) 若 ti si (i 1, 2, , r) ,
则以这些特征向量作为列向量构成矩阵 P，
从而有 P 1 A个
sr 个
三、矩阵相似对角化的方法步骤
a
证 (反证法) 假设存在可逆矩阵 P ，使得
P
1 A
P
a1
由矩阵 A 与 L 相似，
a2
Λ,
A P Λ P 1,
a3
故它们有相同的特征值，
即得
a1 a2 a3 a , Λ a I , A P(a I )P 1 a I , 矛盾！
故矩阵 A 不能相似对角化。
二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
好处 (之一)
若存在可逆矩阵 P 使
P 1 AP B , 则 A PBP1 ,
Ak PBP1 PBP 1 PBP1 PBk P 1 .
k
特别地， 若
a1 B Λ
a2
, an
则
a1k Ak P Λk P 1 P
a2k
P 1.
ank
例 证明矩阵
a 1
A
a 不能1 相似对角化。
1. 问题分析
(1) L 如何构成？
所考虑的问题是寻找可逆的 n 阶方阵 P ，使得
P
1 A P
a1 0
0
0 a2 0
0
0
an
记为
Λ.
由于 a1 , a2 ,,是anL 的 n 个特征值， 因此 a1 , a2 ,,就a是n A 的 n 个特征值 .
而 A 与 L 相似， 即
L 的主对角线上的元素由 A 的全部特征值构成。
于是有 A pi ai pi (i 1,2,, n),
又因为 P 可逆， 故 pi 0 , 且 p1 , p2 ,, 线pn性无关，
因此 p1 , p2 ,,是pnA 的 n 个线性无关的特征向量 .
即
P 的列向量由 A 的线性无关的特征向量构成。
二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
1. 问题分析 2. 矩阵可相似对角化的条件
§5.2 矩阵的相似对角化
一、相似矩阵的基本概念与性质 二、矩阵相似对角化的概念与问题分析 三、矩阵相似对角化的方法步骤 四、矩阵相似对角化的应用
一、相似矩阵的基本概念与性质
1. 相似矩阵的概念
定义 对于 n 阶矩阵 A 和 B ，
若存在可逆的 n 阶方阵 P 使得
P144 定义
P 1 A P B ,
(3) 传递性
A ~ A; 若 A ~ B则, B ~ A; 若 A ~ B , B ~ C则, A ~ C .
P144 (4) 若 A ~ B则,
定理
5.5 (5) 若 A ~ B则,
r( A) r(B). | A| |B|.
一、相似矩阵的基本概念与性质
1. 相似矩阵的概念
2. 相似矩阵的性质
定理
P145 定理 5.6
n 阶矩阵 A 能够相似于对角矩阵 的充分必Λ要条件是
A 有 n 个线性无关的特征向量，
即 A 每个特征值所对
应的线性无关的特征向量的个数必须恰好等于该特征
值的重数。
P146 推论2
推论 如果 n 阶矩阵 A 有 n 个不同的特征值，则矩阵 A 可以
P145 相似对角化。 推论1
因此矩阵 A 不能相似对角化。
例 将矩阵
相似对角化，并求
A100 .
解 (1)由 | I A| 0 , 得 A 的特征值为
1 2 , 2 1,
(单根) (重根)
对 1 2 , 取特征向量 X1 (1, 1, 1)T ,
定理
若 n 阶矩阵 A 与 B 相似，则 A 与 B 有相同的特征多项式,
从而 A 与 B 有相同的特征值。
P144 定理5.5 (3)
证明 因 A 与 B 相似，即存在可逆的矩阵 P 使得
P 1 AP B ,
故 | B I | | P 1 AP I | | P1 AP P1 I P |
则 Λ是唯一的。
故 p的i
所以
例 试将矩阵
a
A
a相1似对角化。
a
解 令 | I A| 0 , 得 A 的特征值为
1 a , (三重根)
由 ( 1 I A)X 0, 得 A 的特征向量为
1 0
X
k1
0 0
k2
1 0
,
(k12 k22 0) ,
显然，最多能找到两个线性无关的特征向量，
二、矩阵相似对角化的概念与问题分析
1. 问题分析
(2) P 如何构成？
设 P ( p1, p2 ,, pn ) , 则由 P 1 AP 有Λ AP PΛ, 即 A( p1, p2 ,, pn ) ( p1, p2 ,, pn ) Λ,
( A p1, A p2 ,, A pn ) (a1 p1, a2 p2 ,, an pn ) ,
三、矩阵相似对角化的方法步骤
步骤 (1) 求 n 阶方阵 A 的特征值
1, 2,, r ,
其重数分别为 s1, s2 , , sr ;
(2) 对每一个特征值 求矩i 阵, A 特征向量，
并找出其中线性无关的特征向量，其最大个数为
ti ;
(3) 若 ti si则, A 不能相似对角化； (4) 若 ti si (i 1, 2, , r) ,