线性代数:特征值与特征向量【2】

对于 Au⃗=λu⃗A\vec u = \lambda \vec uAu=λu,对应一个特征值λ\lambdaλ 的特征向量不唯一;求解特征向量的过程在于求解齐次线性系统(A−λI)u⃗=O(A - \lambda I)\vec u = O(AλI)u=O,并且由于u⃗!=O\vec u != Ou!=O,所以该线性系统存在一组解[u⃗1,u⃗2...][\vec u_1,\vec u_2...][u1,u2...],也即特征向量组成了 A−λIA - \lambda IAλI的零空间(刨除零向量)。

对应特征值λ\lambdaλ 的特征向量的解空间又称 λ\lambdaλ 的特征空间( EλE_{\lambda}Eλ )  Eλ={O}∪{λ的特征向量}\, \, E_{\lambda} = \{O\} \cup \{\lambda \small 的特征向量\}Eλ={O}{λ的特征向量}

对于一个nnn阶变换矩阵AAA,则其对应求解特征向量的行列式det⁡(A−λI)=O\det (A - \lambda I) = Odet(AλI)=O展开后得到的将是一个关于λ\lambdaλnnn 次方程(在实数域和复数域内,λ\lambdaλ对应nnn个解)。

关于特征值的解的3种情况:

λ\lambdaλ在实数域内存在nnn个互不相等的解,n1  !=n2  !=...  !=nnn_1 \ \ != n_2 \ \ != ... \ \ != n_nn1  !=n2  !=...  !=nn,这些特征值称为简单特征值(应用最多);
λ\lambdaλ在实数域内存在的nnn个解中包含重复值,ni=nj=...=nkn_i = n_j =... = n_kni=nj=...=nk,则称这些重复的特征值为多重特征值,使用重数\color {red} {\small 重数}重数来描述重复特征值的重复次数;
λ\lambdaλ在实数域内无解,仅在复数域有解,如det⁡(A−λI)=λ2+1=0→λ1=i;λ2=−i\det (A - \lambda I) = \lambda ^2 + 1 = 0 \rightarrow \lambda_1 = i ; \lambda_2 = -idet(AλI)=λ2+1=0λ1=i;λ2=i ,这种情况称为复数特征值

如果存在λ=0\lambda = 0λ=0是矩阵AAA的一个特征值,意味着对于线性方程Au⃗=λu⃗→Au⃗=OA\vec u = \lambda \vec u \rightarrow A\vec u = OAu=λuAu=O,要使得u⃗≠O\vec u \neq Ou=O,则矩阵AAA一定不可逆,所以当矩阵AAA可逆就有λ≠0\lambda \neq 0λ=0

#####关于一些特殊矩阵的特征方程求解:
① 对角矩阵
A=      [d10...00d2...000...dn]→            det⁡(A)=d1∗d2∗...∗dnA =\ \ \ \ \ \ \begin {bmatrix} d_1&0&...&0 \\ 0&d_2&...&0 \\ 0&0&...&d_n \\ \end {bmatrix} \rightarrow \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \det(A) = d_1*d_2*...*d_nA=      d1000d20.........00dn            det(A)=d1d2...dn

A−λI=[d1−λ0...00d2−λ...000...dn−λ]→det⁡(A−λI)=(d1−λ)∗(d2−λ)∗...∗(dn−λ)A-\lambda I = \begin {bmatrix} d_1 - \lambda&0&...&0 \\ 0&d_2 - \lambda&...&0 \\ 0&0&...&d_n - \lambda \\ \end {bmatrix} \rightarrow \det(A-\lambda I) = (d_1 - \lambda)*(d_2 - \lambda)*...*(d_n - \lambda)AλI=d1λ000d2λ0.........00dnλdet(AλI)=(d1λ)(d2λ)...(dnλ)

∴λ1=d1;λ2=d2;...λn=dn\therefore \lambda_1 = d_1;\lambda_2 = d_2;...\lambda_n = d_nλ1=d1;λ2=d2;...λn=dn

同理可直接求取上三角,下三角形状的变换矩阵AAA的特征值。

关于特征值的一些基本性质:
  • λ\lambdaλAAA的特征值,则有λm\lambda ^mλmAmA ^mAm的特征值(m≥1)(m \ge 1)(m1);
         \, \, \, \, \, 数学归纳 ∵m=1\because m =1m=1 成立,Au⃗=λu⃗A\vec u = \lambda \vec uAu=λu
                 \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, 假设   m=kAku⃗=λku⃗\, \, m =k A ^ k \vec u = \lambda ^ k \vec um=kAku=λku
                 \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \,      m=k+1\, \, \, \, \, m =k+1m=k+1 时,Ak+1u⃗=A∗Aku⃗=Au⃗∗λk=λu⃗∗λk=λk+1u⃗A ^ {k+1} \vec u = A * A^k \vec u = A \vec u* \lambda ^ k = \lambda \vec u * \lambda ^ k = \lambda ^ {k+1} \vec {u}Ak+1u=AAku=Auλk=λuλk=λk+1u 得证假设。

  • λ\lambdaλAAA 的特征值,则有 λ−1\lambda ^{-1}λ1A−1A ^{-1}A1 的特征值(已给出前提矩阵AAA可逆);
         \, \, \, \, \,  Au⃗=λu⃗\, \, A\vec u = \lambda \vec uAu=λu
               A−1∗Au⃗=A−1∗λu⃗\, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, A^{-1}* A\vec u = A^{-1}* \lambda \vec uA1Au=A1λu
                u⃗=λ∗A−1u⃗→u⃗λ−1=A−1u⃗\, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \vec u = \lambda*A^{-1}\vec u \rightarrow \vec u \lambda ^{-1} = A^{-1}\vec uu=λA1uuλ1=A1u得证。

在线性代数上的理解:

通过特征值分解可以得到特征值与特征向量,特征值表示的是这个特征到底有多重要,而特征向量表示这个特征是什么,可以将每一个特征向量理解为一个子空间,我们可以利用这些线性的子空间干很多的事情。

线性变换矩阵的特征值和特征空间–几何理解
  • 投影变换
    在二维空间,把任意向量都投影到u⃗=(2,1)\vec u = (2,1)u=(2,1)所在直线的变换中,变换前后方向保持不变的向量Aa⃗=a⃗′=λa⃗A\vec a = \vec a{'}= \lambda \vec aAa=a=λa将存在于直线y=0.5xy = 0.5xy=0.5x上,且这些向量经投影变换后大小不变即λ=1\lambda = 1λ=1,所以该直线上的所有向量构成了投影矩阵AAAλ=1\lambda =1λ=1的解空间。除了直线上的向量,垂直于直线的向量投影到直线上将变成零向量OOO,而OOO与变换前的向量同向,不过长度为零,所以垂直于y=0.5xy = 0.5xy=0.5x的直线上的所有向量构成了投影矩阵AAAλ=0\lambda =0λ=0的解空间。

  • 对称变换
    在二位空间中,变化矩阵A=[0110]A= \begin {bmatrix} 0&1 \\ 1&0 \end {bmatrix}A=[0110]将平面上的所有向量关于直线 y=xy = xy=x 对称变换。那么对处于y=xy = xy=x直线上的任意向量,对称前后将等大同向,所以这些向量构成了 AAAλ=1\lambda =1λ=1 的解空间。而对于垂直于 y=xy = xy=x 的直线 y=−xy = -xy=x 上的向量,这些向量对称前后将等大反向,因此构成了 AAAλ=−1\lambda =-1λ=1的解空间。

旋转矩阵的特征值和特征空间–几何理解

对于空间中任意一个向量u⃗\vec uu经过旋转变换得到的向量v⃗\vec vv,几何中不会存在任何v⃗\vec vv与向量u⃗\vec uu同向。所以,对于旋转矩阵AAA,如逆时针90°旋转矩阵A=[0−110]A= \begin {bmatrix} 0&-1 \\ 1&0 \end {bmatrix}A=[0110],求解其特征值将得到det⁡(A−λI)=O→λ2+1=0\det(A - \lambda I) = O \rightarrow \lambda ^2 + 1 = 0det(AλI)=Oλ2+1=0,意味着其特征值只能在复数空间寻求解。

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