2方程的特征值与特征向量
特征值与特征向量的求解方式
特征值与特征向量的求解方式在线性代数中，特征值与特征向量是重要的概念。
它们的求解在机器学习、图像处理、物理学等诸多领域中具有重要的应用。
本文将介绍特征值与特征向量的概念和求解方式。
一、特征值与特征向量的定义给定一个n阶方阵A，如果存在非零向量x，使得Ax=kx，其中k是一个常数，那么 k 称为矩阵A的特征值，x称为特征值k对应的特征向量。
特别的，当 k=0 时，x称为矩阵A的零向量。
特征值与特征向量有以下重要性质：1. 一个n阶方阵最多有n个不同的特征值。
2. 若A为实对称矩阵，则其特征向量对应的特征值均为实数。
3. 若A为正定矩阵，则其特征值均为正数。
4. 若A可逆，则其特征值均非零。
特征向量的长度一般不为1，我们可以将其归一化得到单位向量，使得 Ax=kx 中的特征向量x满足 ||x||=1。
二、1.利用特征多项式对 n 阶矩阵 A，设λ 为其特征值，用 |A-λI| =0 表示，其中 I 为n 阶单位矩阵。
化简方程，即得到 A 的特征值λ 的解析式。
求得λ 后，代入 (A-λI)x=0，可以得到对应的特征向量 x。
举个例子，对于矩阵 A=[1 2;2 1]，我们有| A-λI |= | 1-λ 2; 2 1-λ| = (1-λ)^2 -4 = 0解得λ1=3, λ2=-1。
将λ1,λ2 代入 (A-λI)x=0 中分别求解，即可得到 A 的两个特征向量。
该方法简单易懂，但对于高阶矩阵，求解特征多项式需要高代数计算，计算复杂度较高。
2.利用幂法幂法是求最大特征值与对应特征向量的较为有效的方法。
该方法基于一下简单事实：给定一个向量 x，令 A 去作用若干次，Ax,A^2x,A^3x,...,A^nx，它们的向量长度将快速增长或快速衰减，且它们的比值趋于最大特征对应的幂指数。
假设 A 有一个不为零的特征向量 x，它对应的特征值为λ1，即Ax=λ1x。
那么，A^mx = A^mx/λ1^m λ1x当 m 充分大时， A^mx 与λ1^mx 相比变化就很小了。
特征值和特征向量
练习
3. 已知 A的特征值 为
(1)求AT、aA（a为任意实数A（ ） k k为 、正整数）的特 (2设 ) A可逆，A求 1的特征值。
4.试证 A有特征值零的充分 条必 件要 是 A0.
§4.2 相似矩阵与矩阵 可对角化的条件
1. 相似矩阵概念 2. 相似矩阵基本性质 3. 方阵的对角化含义 4. 矩阵可对角化的条件
特征值和特征向量
§4.1 矩阵的特征值 和特征向量
1. 特征值与特征向量定义 2. 相关概念 3.两个有用公式
(特征方程根与系数的关系) 4.特征值与特征向量求法 5.特征值与特征向量的性质
1. 特征值与特征向量定义
定义4.1
设A为n阶方阵, 若存在常数
及非零向量
,使A成立 ,则称 为方A的 阵特征 , 值
而
A2, 故x=0,y=1.
课堂练习
设矩A阵 12
2 x
24与B5
y
4 2 1
4
相似 ,求x,y.
3.方阵的对角化含义
所谓方阵
A 可以对角化,
是指 A与对角阵
Λ相似.
即存在可逆矩阵
P , 使 P1AP成立.
4.
矩阵可对角化的条件
定理(充要条件)
n阶方阵
个线性无关的特征向量.
可对角化
A
A 有 n
A A O (EA)O
推论1、2（P159） 若α1，α2是A属于λ0的特征向量，则c1α1+ c2α2也是A属于λ0的特征向量。
3.两个有用公式(特征方程根与系数的关系)
设 n阶方 A 的 阵 特征 1,2,值 ,n为 ,
则 (1 1 )2 na1 1a2 2 an;n
特征值与特征向量二次型
,n
第五步
得到正交变换X=TY
T =(1 ,2 ,
,n )
正定二次型
定义 设有实二次型 f ( x ) x T Ax, 如果对任何x 0,
都有f ( x ) 0(显然f (0) 0), 则称f为正定二次型 , 并 称对称矩阵A是正定的; 如果对任何x 0, 都有f ( x ) 0, 则称f为负定二次型 , 并称对称矩阵 A是负定的.
i , j 1
例1 设A是3阶矩阵, 它的3个特征值为 1 1, 2 1, 3 2, 设B A 3 5 A 2 , 求 B ; A 5 E . 解 利用 A 1 2 n来计算 A .
, 令f ( x ) x3 5 x2 , 因为 1 , 2 , 3 是A的全部特征值 所以f ( i)(1 i 3)是f ( A) A3 5 A2 B的全部特征值故 . B f ( A) f ( 1) f ( 2 ) f ( 3 ) ( 4)( 6)( 12) 288.
定义
求 法
定义 特征值 特征多项式 特征向量 不同特征值的特征向量线性无关 k重特征值至多有k个线性无关的特征向量
特 征 值
性 质
(1) 1 2 n a11 a22 ann ;
( 2) 12 n A .
概念 矩阵对角化 应用
相 似 实对称阵隐含的信息
( 2) 12 n A .
显然，如果矩阵A可逆，则A的特征值不等于0.
3. 设 是A (a ij ) nn的特征值, 则 (1)也是 AT的特征值; (2) k是 Ak的特征值( k 为任意自然数); ( )是
( A)的特征值.其中 ( ) a 0 a1 ( A) a 0E a1A a m Am.
两个相同特征值对应的特征向量
两个相同特征值对应的特征向量概述及解释说明1. 引言1.1 概述在线性代数和矩阵理论中，特征值和特征向量是重要的概念。
简而言之，给定一个n x n的矩阵A，如果存在一个非零向量v和一个标量λ，使得Av = λv成立，那么v就是A的特征向量，λ就是特征向量对应的特征值。
研究特征值和特征向量对于理解矩阵的性质、解决线性方程组以及许多其他计算问题具有重要意义。
1.2 文章结构本文将围绕两个相同特征值对应的特征向量展开讨论。
首先，在“2. 两个相同特征值对应的特征向量概述”部分，我们将介绍特征值和特征向量的定义，并探讨为何会存在相同的特征值。
接着，在“3. 解释说明两个相同特征值对应的特征向量可能性”部分，我们将深入探讨这种情况下的可能性和解释。
最后，在“4. 结论”部分，我们将总结已有研究成果，并展望未来可能的研究方向和应用前景。
1.3 目的本文旨在介绍和解释具有相同特征值的两个特征向量的问题，并探讨其在实际应用场景中的意义。
通过对该问题进行深入研究和分析，我们希望能够增进对特征值和特征向量概念的理解，并为相关领域的学术研究提供新的思路和启发。
2. 两个相同特征值对应的特征向量概述：2.1 特征值和特征向量的定义在线性代数中，矩阵A的一个特征向量是指一个非零向量v，使得矩阵A与向量v的乘积相当于将向量v进行线性拉伸。
具体而言，特征向量v在矩阵A作用下只发生拉伸，并不改变它的方向。
相应地，特征值是与特征向量相关联的常数λ，表示该特征向量所发生的缩放比例。
即，在矩阵A作用下，特征向量v乘以常数λ后等于矩阵A和特征向量v 的乘积。
2.2 相同特征值存在的情况当一个方阵拥有两个或多个相同的特征值时，我们称之为有重复（重根）特征值。
这种情况经常发生，在实际问题中也是非常常见的。
对于每个重复的特征值，可以找到多个线性无关的解（即不同的特征向量），但它们共享相同的特征值。
2.3 同一特征值对应的特征向量可能性及解释说明在拥有重复特征值的情况下，特征向量可以存在不同的可能性。
方程的特征值与特征向量
a1n x1 0 a2 n x2 0 ann xn 0
矩阵的特征方程和特征多项式
E A 0
E A
A的特征方程
A的特征多项式
特征值是特征方程或特征多项式的根
x1 x2
对应的特征向量可取为
是对应于 1的全部特征向量； k （ ） 1 k 0
1 2 1
k （ ） 是对应于 2的全部特征向量. 2 k 0
2 1 1 例 求矩阵的特征值和特征向量 A 0 2 0 4 1 3
例
2 1 1 A 4 0 2 3 2 4
1 1 2 1
2 2 1 3
试确定 1，2 是否为A的特征向量。
解
2 1 1 1 3 1 A1 4 0 2 2 6 3 2 31 3 2 4 1 1 3
A 123 1 2 3 6
A2 A E
2
的特征值依次为
2
1 1 1 3, 2 2 1 7,
A2 A E 3 7 13 273
3 3 1 13
2
2 1 例 已知 B A 3A 2 A E ，其中 A ， 1 2 试求B的特征值和 B 2 1 0 解 求解矩阵A的特征方程 1 2
（1）如果A可逆， 是A的特征值，则 A* 的特征值
是
A
。
（2）如果 是A的特征值，则 A kE 的特征值 是
k
。
设 A 是一个三阶矩阵，1，2，3是它的三个特征值，试求 （1） 方阵A的迹 （2）
特征值与特征向量的求法总结
特征值与特征向量的求法总结特征值与特征向量是线性代数中的重要概念，广泛应用于各个领域的数学和工程问题中。
在本文中，我们将总结特征值与特征向量的求法，并介绍它们的应用。
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，如果存在一个非零向量x，使得Ax与x的线性关系为Ax=λx，其中λ为常数，则称λ为矩阵A的特征值，x为对应于特征值λ的特征向量。
二、特征值与特征向量的求法要求解矩阵A的特征值和特征向量，需要解决以下问题：1. 求解特征值：设特征值为λ，需要解决方程|A-λI|=0，其中I为单位矩阵。
这个方程称为特征方程，其解即为矩阵A的特征值。
2. 求解特征向量：已知特征值λ后，需要求解方程(A-λI)x=0的非零解，其中x为特征向量。
这个方程组称为特征方程组，其解即为矩阵A的特征向量。
特征值和特征向量的求解可以通过以下步骤进行：1. 求解特征值：解特征方程|A-λI|=0，得到特征值λ1, λ2, ..., λn。
2. 求解特征向量：将每个特征值代入方程组(A-λI)x=0，解得对应的特征向量x1, x2, ..., xn。
三、特征值与特征向量的应用特征值与特征向量在许多领域中都有重要的应用，下面我们介绍几个常见的应用场景：1. 特征值分解：特征值分解是将一个矩阵分解为特征值和特征向量的乘积的形式，常用于矩阵的对角化和求解矩阵的幂等问题。
2. 主成分分析：主成分分析是一种常用的数据降维技术，通过计算协方差矩阵的特征值和特征向量，将原始数据转换为新的特征空间，以实现数据的降维和特征提取。
3. 图像处理：特征值与特征向量在图像处理中有着广泛的应用，如图像压缩、图像去噪、图像特征提取等。
4. 控制系统分析：在控制系统中，特征值与特征向量可以用于分析系统的稳定性和响应特性，如振荡频率、阻尼比等。
5. 网络分析：特征值与特征向量在网络分析中有着重要的作用，例如用于社交网络中节点的中心性分析、网络的连通性分析等。
特征值与特征向量
由归纳假设可知x1 , x2 , , xr 线性无关,因此 ki (r 1 i ) 0, i 1, 2, , r , 又r 1 i 0, i 1, 2, , r 从而ki 0, i 1, 2, , r , 代入(3)得从而k r 1 0. 即x1 , x2 , , xr , xr 1线性无关.
T
所以k1 p1 (k1 0)是对应于1 1的全部特征向量. 当2 3 2时, 解方程组(A 2 I ) x 0
线 性 代 数
得基础解系
p2 (1, 4, 0)T ,p3 (1, 0, 4)T
所以k2 p2 k3 p3 (k2 , k3不全为零)是对应于
2 3 2的全部特征向量.
m 0 m
线 性 代 数
(3) 若A可逆的, 则
| A|
1
0
为A*的一个特征值.
0
为A1的一个特征值,
证 由题意知 Ax 0 x (1) (kA) x k ( Ax) k (0 x) (k 0 )x, 即k 0是kA对应 于特征向量x的特征值.
(2) Am x Am1 ( Ax) 0 ( Am1 x) 0 Am2 ( Ax) 02 Am2 x 0m x 即0m是Am 对应于特征向量x的特征值.
由例题7的结论进一步还可得下面的结论: 若为n阶方阵A的特征值, 对任一个多项式,即f ( x) ai x i ,
i 0
= =
则f ( ) ai 为矩阵f ( A) ai Ai的特征值.
i i 0 i 0
m
m
例8 (1)设n阶方阵A满足A 2 A, 证明A的特征值为0或1; (2)设n阶方阵A为正交矩阵,证明 A的特征值为1或-1; (3)设n阶方阵A满足A k =0(k为某一正整数),证明 A的特征值全为0; 证 设为方阵A的任一特征值,则存在非零向量 x使 Ax x (1)由例题7可知,A2 x 2 x, 又A2 A, 故A2 x Ax x, 从而有
线性方程组的解法与矩阵的特征值与特征向量
线性方程组的解法与矩阵的特征值与特征向量线性方程组是数学中的重要概念，它描述了线性关系的一种形式。
解决线性方程组可以帮助我们理解和解决各种实际问题，并且在数学和工程等领域有着广泛的应用。
而矩阵的特征值与特征向量则是矩阵理论中的重要内容，它们与线性方程组之间有着密切的联系。
本文将介绍线性方程组的解法以及矩阵的特征值与特征向量的相关知识。
一、线性方程组的解法1.1. 高斯消元法高斯消元法是解决线性方程组的基本方法之一。
它通过消元操作将线性方程组化为最简形式，从而求出方程组的解。
具体步骤如下：步骤一：写出线性方程组的增广矩阵。
步骤二：利用初等行变换将增广矩阵化为阶梯形式。
步骤三：从最后一个非零行开始，利用回代法求解方程组的解。
1.2. 矩阵的逆另一种解决线性方程组的方法是使用矩阵的逆。
如果矩阵A可逆，那么我们可以通过左乘矩阵A的逆来求解线性方程组Ax=b，即x=A^(-1)b。
1.3. 克拉默法则克拉默法则是解决线性方程组的另一种方法。
它利用矩阵的行列式来求解方程组的解。
具体步骤如下：步骤一：计算系数矩阵A的行列式D。
步骤二：计算替换掉系数矩阵A的第i列为常数向量b后的行列式D_i。
步骤三：方程组的解为x_i=D_i/D。
二、矩阵的特征值与特征向量2.1. 特征值与特征向量的定义给定n阶矩阵A，如果存在非零向量x使得Ax=λx，其中λ为常数，那么向量x称为矩阵A的特征向量，常数λ称为矩阵A的特征值。
2.2. 特征值与特征向量的计算要计算矩阵A的特征值与特征向量，可以通过以下步骤进行：步骤一：求解矩阵A-λI的零空间，其中I为单位矩阵。
步骤二：将零空间中的向量标准化，得到单位特征向量。
步骤三：通过将特征向量代入矩阵A-λI的定义式，计算对应的特征值。
2.3. 特征值与特征向量的应用特征值与特征向量在矩阵理论中有着广泛的应用。
例如，它们可以用于矩阵的对角化，从而简化矩阵的计算；它们还可以用于解决微分方程和差分方程等应用问题。
一、特征值与特征向量的概念
判断一个方阵A是否可对角化?
1. 求出A的所有特征值:1, ,s.
2. 对于i 1, s,求齐次线性方程组
(iE A)X =0
的基础解系的向量个数n1, ,ns.
s
若 ni =n, 则A可对角化; 否则不可对角化. i 1
四、小结
１．相似矩阵 相似是矩阵之间的一种关系，它具有很多良好 的性质，除了课堂内介绍的以外，还有： (1)A与B相似,则det( A) det(B); ( 2)若A与B相似, 且A可逆, 则B也可逆, 且A 1与 B 1相似; (3)A与B相似,则kA与kB相似, k为常数;
二、相似变换的性质
1. 相似变换是等价关系 (1)自 反 性 A与A本身相似. (2)对 称 性 若A与B相似,则B与A相似. (3)传 递 性 若A与B相似, B与C相似, 则A与C相似.
三、利用对角矩阵计算矩阵多项式
若A相似于某对角矩阵,则存在可逆矩阵P使得P1AP .
则 Ak Pk P1,
(2) 设1, ,s为不同的特征值. 对于i 1, s, 求
齐次线性方程组将(i E A) X 0的基础解系
{i1, , iri },
ri
ri
则 kijij ,其中ki1, ,kiri不全为零（足以保证 kijij 0）,
i=1
i=1
即为矩阵A对应i的全部特征向量.
四、特征值和特征向量的性质
性质（总结）：
A 为正交矩阵的充要条件是下列条件之一成立：
1 A1 AT ; 2 AAT E;
3 A的列向量是两两正交的单位向量；
4 A的行向量是两两正交的单位向量.
二、实对称矩阵的性质
说明：本节所提到的对称矩阵，除非特别说明， 均指实对称矩阵．
特征值与特征向量的几何意义
特征值与特征向量的几何意义特征值（eigenvalue）是一个线性变换对应的方程的根。
在二维平面内，我们可以将线性变换看作是对向量的旋转和缩放。
特征值代表了旋转和缩放的程度，而特征向量表示了在这个变换下不变的方向。
假设有一个线性变换A，对应方程A*v=λ*v，其中A是一个n×n的矩阵，v是一个n维的非零向量，λ是一个标量。
v是A的特征向量，λ是v在变换A下的特征值。
这个方程可以进一步写作(A-λI)*v=0，其中I是单位矩阵。
这意味着矩阵(A-λI)对向量v的作用是将其压缩到零向量。
特征向量是在这个变换下保持不变的向量。
特征向量的几何意义是，线性变换A对应的特征向量沿着自己的方向不发生变化，只发生了长度的缩放。
特征值表示了特征向量的缩放比例。
当λ为正数时，特征向量的长度被放大；当λ为负数时，特征向量的长度被缩小；当λ为零时，特征向量的长度不变。
特征向量与特征值之间的关系可以通过线性代数的性质进行证明。
在几何意义上，特征值和特征向量可以帮助我们理解几何变换的变化情况。
例如，在二维平面上，一个线性变换可以将一个平行于特征向量的直线映射为平行于其对应特征向量的直线，并根据对应特征值的大小调整线段的长度。
如果特征值为正数，线段长度增加；如果特征值为负数，线段长度减小；如果特征值为零，则线段长度不变。
这是线性变换作用于特征向量的几何意义。
特征值和特征向量的重要性在于它们提供了一种将复杂的线性变换简化为对角形式（在特定坐标系下）的方法。
对角化是一种将矩阵的形式变为对角矩阵的过程，对角矩阵包含了特征值作为对角元素。
这种变换可以将线性变换的复杂度降低，使得计算和理解更加简单。
特征向量提供了一个由线性变换所定义的特定的坐标系，而特征值则提供了在这个坐标系下压缩或扩大每个坐标轴的尺度。
总结来说，特征值和特征向量的几何意义是用来描述线性变换对向量的旋转和缩放程度的。
特征向量是在这个变换下保持方向不变的向量，特征值则表示了特征向量的缩放比例。
特征值与特征向量
特征值与特征向量特征值与特征向量是矩阵理论中的重要概念，在许多领域中有着广泛的应用。
它们的求解和分析在线性代数、物理学、工程学以及数据分析领域中扮演着重要角色。
本文将详细介绍特征值与特征向量的定义、性质及其在实际问题中的应用。
一、特征值与特征向量的定义在矩阵A中，如果存在非零向量x，使得Ax=λx，其中λ为标量，则称λ为矩阵A的特征值，x为对应于特征值λ的特征向量。
特征向量表示了在矩阵变换下只发生比例缩放而不改变方向的向量。
二、求解特征值与特征向量的方法要求解特征值与特征向量，可以使用特征方程的方法。
对于一个n阶矩阵A，其特征方程为|A-λI|=0，其中I为单位矩阵，λ为特征值。
解特征方程可以得到矩阵A所有的特征值。
将每个特征值带入特征方程，可以求解对应的特征向量。
三、特征值与特征向量的性质1. 矩阵的特征值个数等于其阶数，即n阶矩阵有n个特征值。
2. 特征值与特征向量是成对出现的，特征值有多少个，对应的特征向量就有多少个。
3. 特征值可以是实数，也可以是复数。
4. 如果矩阵A是对称矩阵，则其特征向量是正交的。
5. 特征值的和等于矩阵的迹（主对角线上元素的和），特征值的积等于矩阵的行列式。
四、特征值与特征向量的应用领域1. 特征值与特征向量在物理学中的应用非常广泛。
例如，在量子力学中，特征向量对应着粒子的状态，特征值则是测量粒子所得到的数值结果。
2. 在工程学领域，特征值与特征向量可以用于解决振动问题、结构强度分析等。
通过求解特征方程可以得到物体的固有振动频率和振型。
3. 在数据分析中，特征值与特征向量可以用于降维、聚类、图像处理等。
通过分析特征向量的特征值大小，可以选择最重要的特征进行数据分析和模型建立。
总结：特征值与特征向量是矩阵理论中的重要概念，它们在矩阵的变换与分析中具有重要作用。
通过求解特征方程可以得到矩阵的特征值，进而求解对应的特征向量。
特征值与特征向量的性质和应用也使其在各个领域中得到广泛的应用。
5.2方程的特征值与特征向量
总结：
1.特征方程 A E 0的根，称为的特征值.
2.将代入方程 A E x 0后，求得的全部的非零解， 即是相应于的特征向量.
求矩阵特征值与特征向量的步骤：
1 计算A的特征多项式 A E ;
2 求特征方程 A E 0的全部根1 , 2 , , n , 就是A的全部特征值 ;
a1n a2 n ann
a11 a12 a21 a22 a an 2 n1
a11
则
A E
a12 an 2
a1n a2 n
=0
a21 a n1
a22
〈特征值、特征向量〉 设 A 为 n 阶矩阵， 是一 个数，如果存在非零向量 x ，使方程 Ax x （1）
成立，则称 为A 的一个特征值，相应的非零向 量 x 称为与 对应的特征向量。
若 是A 的一个特征值， 则方程 Ax x 有非零解
Ax x o 有非零解 ( A E ) x o 有非零解
即 p1 +p2 =1 p1 +2 p2， -1 p1 + -2 p2 =0，
p1 ,p2是线性无关的，故由上式得 -1 = -2 =0，即1 =2，
这与1与2是.两个不同的特征值矛盾，因此p1 +p2不是A 的特征向量
三、小结
求矩阵特征值与特征向量的步骤：
1. 计算A的特征多项式 A E ;
2. 求特征方程 A E 0的全部根1 , 2 , , n , 就是A的全部特征值 ;
3. 对于特征值i , 求齐次方程组
A i E x 0
特征值与特征向量
特征值与特征向量在数学和物理学中，特征值和特征向量是非常重要的概念。
它们经常出现在线性代数、矩阵论和量子力学等领域中。
特征值和特征向量也被广泛应用于机器学习和计算机视觉等领域。
一、什么是特征值和特征向量？在矩阵中，如果存在一个向量，使得它被矩阵作用后，只改变了它的伸缩程度而不改变它的方向，那么这个向量被称为矩阵的特征向量。
而它被伸缩的比例就是特征值。
特征值和特征向量的定义可以通过下面的矩阵乘法式子来表达：A * v = λ * v其中 A 是一个 n*n 的矩阵，v 是一个 n 维向量，λ 是一个标量。
特征向量 v 是非零向量，特征值λ 是一个常数，通常不能为零。
特征向量可以是任意比例，但特征值只能是唯一的。
二、特征值和特征向量的性质特征向量和特征值有着一些重要的性质。
其中最重要的性质是，特征向量在矩阵作用下只伸缩不旋转。
这种性质在机器学习和计算机视觉领域是非常重要的。
例如，在图像处理中，可以利用图像的特征向量来描述它的纹理、形状和颜色等特征。
另一个重要的性质是，矩阵的特征值和行列式、迹等矩阵的性质有很大的关联。
例如，如果一个矩阵的行列式为 0，则它至少有一个特征值为 0。
特征值和特征向量还有很多其他的重要性质，这里无法一一列举。
三、如何计算特征值和特征向量矩阵的特征值和特征向量可以通过求解矩阵的特征方程来计算。
特征方程的形式是：det(A - λI) = 0其中 det 表示行列式，I 是 n*n 的单位矩阵，λ 是特征值，A 是n*n 的矩阵。
特征方程有 n 个解，每个解对应一个特征值。
一旦求得了特征值，就可以通过代入矩阵方程组求解特征向量。
例如，对于某个特征值λ，求解向量 v 满足下面的方程：(A - λI) * v = 0通过高斯消元或其他数值方法可以解出 v 的值。
当然，我们需要注意的是，情况可能有多个特征向量和同一个特征值相对应。
四、特征值和特征向量在机器学习中的应用特征值和特征向量是机器学习中非常有用的工具。
(完整版)线性代数第五章特征值与特征向量(自考经管类原创)
Ak
( PP 1 )k
Pk P1
0 P
k
5
P1
上例中，对二阶方阵AP，存在可逆矩阵P, 使得P1AP .
对角阵的对角元是A的特征值，可逆阵P 即为相应对角元位置的特征值的线性无关的特 征向量组成.
接下来，主要研究方阵化对角阵的问题.
定义 设 A, B 都是 n 阶矩阵，若存在可逆矩阵P，使得 P1AP B
特征值， A 为 A 的一个特征值.
问题（ ：1）已知是A的特征值，求f (A)特征值
（2）已知f (A)=O，求A的特征值
例6 设3阶矩阵A的一个特征值是-3，则-A2必有 一个特征值 ___
例7
设A=
1 0
2 3
,求B=A2
-2A+3E 的所有特征值 2
例8 设三阶矩阵A的特征值分别为1，2，3, 则 A 2E __
4 1 3
( 1) 22 ,
令 ( 1) 22 0
得A的特征值为1 1,2 3 2.
当1 1时,解方程E A x 0.由
1 1 1 1 0 1
E
A
0
3
0
0
1
0
,
4 1 4 0 0 0
得基础解系
1 p1 0, 1
故对应于1 1的全体特征向量为
k p1
E A
a21
L
a22 L
LL
an1
an2 L
a1n
a2n
L
ann
称E A 为A的特征方阵 .
记 f E A ,它是 的 n 次多项式,
称其 为方阵 A的 特征多项式 .
称以 为未知数的一元n 次方程 E A 0
为A的特征方程 .
特征值与特征向量的概念
(3).设 g( x) a0 xm a1xm1 L am
则 g() 是矩阵 g(A) 的特征值
(4).当A可逆时， 1是矩阵 A1的特征值
A 为A的伴随矩阵A*的特征值
定理
设 1, 2 ,L , m 是方阵A的特征值，
p1 , p2 ,L , pm
1 x 2 x
1 2 x 0,
由于1 2 0, 则x 0, 与定义矛盾 .
思考题
设4阶方阵A满足条件: det3E A 0,
AAT 2E,det A 0,求A的一个特征值.
征向量.
二、特征值和特征向量的性质
1. 设n 阶方阵A的特征值为： 则
1, 2 ,L , nபைடு நூலகம்
(1) 1 2 n a11 a22 ann;
(2) 12 n A .
称为矩阵的迹
2. A 与其转置矩阵AT 有相同的特征值，事实上 有相同的特征多项式。
3. 若 是矩阵A的特征值, x 是A的属于的 特征向量，则
x2 x3
0
解得 基础解系：
0
p 1
0 1
,
所以k p1(k 0)是对应于1 2的全部特征值.
当 2 3 1 时 ,由
E A x 0
2 1 0 1 0 1
而
E
A
4 1
2 0
01
~
0 0
1 0
2 0
,
解得 基础解系：
1
p
2
2 1
,
所以k p2 (k 0)是对应于 2 3 1的全部特征值.
2 1
例２ 解
求矩阵A
1 4
线性代数特征值与特征向量
5
§1 特征值与特征向量
例6(P107)
例5
:
设A
1 0
2
3
,
求B
A2
2A
3I的特征值
解:三角阵A的特征值为它的对角元1和3,
由B A2 2A 3I可知对应的多项式为
f (x) x2 2x 3,
B的特征值为f (1) 2, f (3) 6.
6
§1 特征值与特征向量
的一个特征向量。
把 Ap p 改写成 (In A)p 0 ，则特征向量p就是齐次线性方程组 (In A)x 0 的任意一个非零解。显然，它有非零解当且仅当它的系数 行列式为零： In A 0 。这就是特征值 必须满足的方程。
2
§1 特征值与特征向量
一、定义
把 In A 称为A的特征方阵；行列式
特征值与特征向量
§1 特征值与特征向量
一、定义
设A为n阶方阵，p为n维非零列向量，通常，Ap未必与p线性相关。
如果Ap与p线性相关，则有 Ap p 。
定义1(P103) 设 A (aij ) 为n阶方阵，如果存在某个数 和某个n维非零 列向量p满足，则称 是A的一个特征值，成p是A的属于这个特征值
9
练习 P117 2.（矩阵相似）
3. （矩阵相似条件，并求特征向量）
10
谢谢！
11
定理1(P113) 相似方阵有相同的特征多项式。因而有相同的特征值，有 相同的迹和相同的行列式。 例4(P113) －－ 运用定理1。
8
§2 方阵的相似变换
定理2(P114) n阶方阵A相似于对角阵A有n个线性无关的特征向量。 定理3(P115) 属于n阶方阵A的两两不同特征值的特征向量组一定为线性 无关组。 推论(P116) ① 任意一个没有重特征值的方阵一定相似于对角阵。 ② 对角元两两不同的三角阵一定相似于对角阵。
高等数学二教材内容特征方程
高等数学二教材内容特征方程在高等数学二的教材中，内容之一是特征方程。
特征方程是微积分中一个重要的概念，它在方程组和微分方程中都有广泛的应用。
本文将介绍特征方程的定义、性质以及在不同领域的应用。
一、特征方程的定义特征方程是指将线性方程组的系数矩阵进行特征值分解后得到的方程。
在高等数学二中，我们经常会遇到求解特征值和特征向量的问题。
特征方程可以用来求解线性方程组的特征值，进而求解出特征向量。
二、特征方程的性质1. 特征值的性质：特征方程的根即为方程组的特征值，特征值可以是实数或者复数。
一个n阶矩阵最多有n个不同的特征值，而复数特征值都是成对出现的。
2. 特征向量的性质：与特征值相对应的特征向量是方程组的解，特征向量具有很多重要的性质，如线性无关性、相似矩阵有相同的特征值等。
特征向量对应的特征值越大，表示该方程组在该方向上的拉伸比例越大。
3. 特征方程与特征多项式的关系：特征方程是由特征多项式的根（特征值）决定的。
特征多项式是线性方程组的系数矩阵A与单位矩阵I的差的行列式。
三、特征方程的应用特征方程在不同领域有着广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用案例：1. 数量增长模型中的应用：在人口增长、生物种群动态等现象中，可以通过建立差分方程或微分方程来描述变化规律。
特征方程及特征值的求解可以得到差分方程或微分方程的解析解，帮助我们更好地理解和预测数量增长的趋势。
2. 工程中的应用：特征方程在工程领域中也有广泛的应用，如建筑物的振动模态分析、电路的稳定性分析等。
通过求解特征方程可以得到系统的固有频率、振动模态等信息，从而指导工程设计和分析。
3. 物理学中的应用：在量子力学中，特征方程可以应用于求解粒子的能级和波函数等信息。
通过求解含有特征值的特征方程，可以得到粒子的量子态以及相应的能量。
四、总结特征方程作为高等数学二教材的重要内容，具有较广泛的应用领域。
在求解线性方程组的特征值和特征向量、分析物理系统的振动模态以及预测数量增长趋势等问题中，特征方程都起到了重要的作用。
特征值与特征向量
第五章特征值与特征向量在本章中，我们将应用在第四章中建立的线性方程组的解的理论和求解方法，给出方阵的特征值和特征向量求法，研讨方阵化成对角矩阵的问题，并具体应用到实对称矩阵的对角化问题上。
5.1特征值与特征向量5.1.1特征值与特征向量的定义设A为n阶方阵，p是某个n维非零列向量。
一般来说，n维列向量Ap未必与p线性相关，也就是说向量Ap未必正好是向量p的倍数，如果对于给定的n阶方阵A，存在某个n维非零列向量p，使得Ap正好是p的倍数，即存在某个数λ使得Ap=λp，那么，我们对于具有这种特性的n维非零列向量p和对应的数λ特别感兴趣，因为它们在实际问题中有广泛的应用。
下面给出方阵的特征值和特征向量的定义定义5.1.1设A（a ij）为n阶实方阵。
如果存在某个数λ和某个n维非零列向量p满足Ap=λp，则称λ是A的一个特征值，称p是A的属于这个特征值λ的个特征向量。
例1.验算是否是的特征向量。
解:①②∴p是A的特征向量，且这时特征值λ=5为了给出具体求特征值和特征向量的方法，我们把Ap=λp（Ap=λE n p）改写成（λE n-A）=0。
再把λ看成待定参数，那么p就是齐次线性方程组（λE n-A）x=0的任意一个非零解。
显然，它有非零解当且仅当它的系数行列式为零：|λE n-A|=0。
定义5.1.2 带参数的λ的n阶方阵λE n －A称为A的特征方阵，它的行列式|λE n －A|称为A的特征多项式，称|λE n －A|＝0为A的特征方程。
根据行列的定义可知有A的特征多项式为（5.1）所以n阶方阵A的特征多项式一定是λ的n次多项式。
因此有（1）A的特征方程|λE－A|=0，即，它的n 个根λ1, λ2,…λn就是A的特征值（根）（2）对应于每一个特征值λi的齐次方程组（λi E－A）x=0,即的非0解向量就是方阵A关于特征值λi的特征向量。
例2.任意取定A的一个特征值λ0。
如果p1和p2都是A的属于特征值λ0的特征向量，则对任何k1p1+ k2p2≠0的实数k1和k2，p= k1p1+k2p2必是A的属于特征值λ0的特征向量。
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定义 称以λ为未知数的一元ｎ次方程 E A 0 为Ａ的特征方程．
定义 称以λ为变量的一元ｎ次多项式 f E A
为Ａ的特征多项式．
定理 设ｎ阶方阵 A aij 的特征值为 1,2 ,L ,n
则 (1) 12L n A ; (2) 1 2 L n a11 a22 L ann;
推论２ 则 1为 A的1 特征值． 推论３ 则 k为 kA的特征值． 推论４ 则 A 1为 A的特征值． 推论５ 则 m 为 Am的特征值． 特别 单位阵Ｅ的一个特征值为１．
三、应用举例
１、若λ＝２为可逆阵Ａ的特征值，则
1 3
A2
1
的一个特征值为（ ）
２、证ｎ阶方阵Ａ的满足 A2 A，则Ａ的特征值为
定理 若ｎ阶矩阵Ａ的任 ti 重特征值 i 对应的线性无
关的特征向量的个数不超过 ti ．
E A a21 a22 L
M
M
a1n a2n
M
an1 an2 L ann
它的展开式中，主对角线上元素的乘积
a11 a22 L ann
是其中的一项，由行列式的定义，展开式中的其它项至
多含ｎ－２个主对角线上的元素，因此，特征多项式中
含 n 与 n1的项只能在主对角线上元素的乘积项中．
夹角不变
一、特征值与特征向量的概念
定义 Ａ为ｎ阶方阵，λ为数， 为ｎ维非零向量，
若
A
（１）
则λ称为Ａ的特征值， 称为Ａ的特征向量．
注 ① 特征向量 0，特征值问题只针对与方阵；
② , 并不一定唯一；
③ ｎ阶方阵Ａ的特征值，就是使齐次线性方程组
E A x 0 有非零解的λ值，即满足 E A 0
课前复习 １、内积 ２、长度
３、夹角
４、正交
, T a1b1 a2b2 L anbn .
, a12 a22 L an2
cos , , arccos , ,0 .
, 0
５、施密特（Schmidt）正交化法
６、正交矩阵和正交变换
AT A E 即A1 AT , y Px 其中Ｐ为正交矩阵． 内积不变 正交变换的优良特性： 长度不变
证明① 当1,2 ,L ,n 是Ａ的特征值时，Ａ的特征多项
式可分解为 f E A 1 2 L n n 1 2 L n n1 L 1n 12L n
令 0, 得 A 1n 12L n
即 12L n A .
证明② 因为行列式
a11 a12 L
０或１．
３、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ阶方阵Ａ的三个特征值为１、２、０，则
2E 3A2 （ ）
４、求下列方阵的特征值与特征向量
2 1 1
A
0 4
2 1
0 3
3 1 1
B
7 6
5 6
1 2
四、特征向量的性质 定理 互异特征值对应的特征向量线性无关。 定理 互异特征值对应的各自线性无关的特征向量并
在一块，所得的向量组仍然线性无关。
故有 E A n a11 a22 L ann n1 L
比较①，有 1 2 L n a11 a22 L ann .
定义 方阵Ａ的主对角线上的元素之和称为方阵Ａ的迹.
记为 tr A aii i .
二、特征值和特征向量的性质
推论１ ｎ阶方阵Ａ可逆Ａ的ｎ个特征值全不为零. 若数λ为可逆阵的Ａ的特征值，