线性代数笔记:三阶矩阵的特征值计算

本文详细介绍了如何计算三阶矩阵的特征值,包括使用行列式方程、判断成比例性以及关键等式,以求解矩阵[[2,-2,0],[-2,1,-2],[0,-2,0]]的特征多项式为例进行解释。

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三阶矩阵的特征值计算

01 计算理论基础

(1) 行列式方程
  • 设矩阵 A=[a11a12a13a21a22a23a31a32a33]\displaystyle{ {A}=\left[\begin{array}{lll} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{array}\right] }A=a11a21a31a12a22a32a13a23a33 ,且 λ1 , λ2 , λ3\lambda_1\ ,\ \lambda_2\ ,\ \lambda_3λ1 , λ2 , λ3 分别为矩阵 AAA 的特征值,
  • 那么特征多项式为:∣λE−A∣=(λ−λ1)(λ−λ2)(λ−λ3)=0|\lambda E-A|=(\lambda-\lambda_1)(\lambda-\lambda_2)(\lambda-\lambda_3)=0λEA=(λλ1)(λλ2)(λλ3)=0 .
  • 也可以写作:∣λE−A∣=∣λ−a11−a12−a13−a21λ−a22−a23−a31−a32λ−a33∣=0\displaystyle{ |\lambda {E}-{A}|=\left|\begin{array}{ccc} \lambda-a_{11} & -a_{12} & -a_{13} \\ -a_{21} & \lambda-a_{22} & -a_{23} \\ -a_{31} & -a_{32} & \lambda-a_{33} \end{array}\right|=0 }λEA=λa11a21a31a12λa22a32a13a23λa33=0 .
(2) 成比例型
  • 满足条件 ∣A∣=0|A|=0A=0 的三阶行列式大概率是成比例的行列式;
  • 于是当行列式中存在参数时,不妨假设行列式的某两行成比例,若有解,则假设成立
(3) 暴力硬解
  • 基本方程

    • ∣λE−A∣=(λ−λ1)(λ−λ2)(λ−λ3)\displaystyle{ |\lambda E-A|=(\lambda-\lambda_1)(\lambda-\lambda_2)(\lambda-\lambda_3) }λEA=(λλ1)(λλ2)(λλ3) .
    • ∣λE−A∣=λ3−tr(A)⋅λ2+tr(A∗)⋅λ−∣A∣\displaystyle{ |\lambda E-A|=\lambda^3-\mathrm{tr(A)}\cdot\lambda^2+\mathrm{tr(A^*)}\cdot\lambda-\mathrm{|A|} }λEA=λ3tr(A)λ2+tr(A)λ∣A∣ .
  • 关键等式(利用行列式和特征值的关系

    • 特征值之和 = 行列式的迹(λ1+λ2+λ3=a11+a22+a33\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=a_{11}+a_{22}+a_{33}λ1+λ2+λ3=a11+a22+a33
    • 特征值之积 = 行列式的值(λ1⋅λ2⋅λ3=∣A∣\lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3=|A|λ1λ2λ3=A
    • 特征值两两相积之和 = 伴随行列式的迹(λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=A11+A22+A33\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3=A_{11}+A_{22}+A_{33}λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=A11+A22+A33

02 解题步骤

(1) 判断是否成比例
  • 如果行列式成比例,按成比例解出 λ\lambdaλ 的一个根;
  • 然后将这行凑出来,系数提出去,行列式降次为二次方程。
(2) 关键等式
  • λ1+λ2+λ3=a11+a22+a33\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=a_{11}+a_{22}+a_{33}λ1+λ2+λ3=a11+a22+a33 .

  • λ1⋅λ2⋅λ3=∣A∣\lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3=|A|λ1λ2λ3=A .

  • λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=A11+A22+A33\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3=A_{11}+A_{22}+A_{33}λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=A11+A22+A33 .

三、例题解析

  • 求矩阵 A=[2−20−21−20−20]\displaystyle{ {A}=\left[\begin{array}{ccc} 2 & -2 & 0 \\ -2 & 1 & -2 \\ 0 & -2 & 0 \end{array}\right] }A=220212020 的特征多项式.
  • 计算可得 ∣A∣=−8|A|=-8A=8tr⁡(A)=2+1+0=3\operatorname{tr}(A)=2+1+0=3tr(A)=2+1+0=3tr⁡(A∗)=−2−4+0=−6\operatorname{tr}(A^*)=-2-4+0=-6tr(A)=24+0=6 .
  • 则有:λ1+λ2+λ3=3 , λ1λ2λ3=−8 , λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=−6\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=3\ , \ \lambda_1\lambda_2\lambda_3=-8\ , \ \lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3=-6λ1+λ2+λ3=3 , λ1λ2λ3=8 , λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=6 .
  • 猜根:λ1=−2 , λ1=4 , λ1=1\lambda_1=-2\ ,\ \lambda_1=4\ ,\ \lambda_1=1λ1=2 , λ1=4 , λ1=1 .
  • 验证:代入特征多项式方程进行验证
  • 因此特征多项式为: ∣λE−A∣=λ3−3λ2−6λ+8|\lambda {E}-{A}|=\lambda^3-3 \lambda^2-6 \lambda+8λEA=λ33λ26λ+8 .
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