矩阵的秩与特征值

矩阵的秩与特征值

矩阵的秩为1

设n阶矩阵A, n > 1 n>1 n>1,(n阶矩阵一定有n哥特征值,且有且仅有n个)

因为r(A)<n,一定有非零解

∣ A − λ E ∣ = 0 |A-\lambda E|=0 AλE=0,所以必定有个 λ \lambda λ为0(因r(A)<n)

1.A若可相似对角化(A与对角矩阵的特征值相同),且因为相似矩阵的秩相等对角矩阵的秩也为1,所以特征值有一个不为0其余都为0
且必定n-1个为0的特征值(n-1重根)对应n-1个线性无关特征向量(A可对角化的推论:如果n阶矩阵A有n个不同的特征值,则矩阵A可对角化)
Λ = d i a g ( λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ n ) = ∣ λ 1 λ 2 ⋱ λ n ∣ \Lambda=diag(\lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{n})=\left| \begin{matrix} \lambda_{1}& &&\\ &\lambda_{2}& &\\ & &\ddots &\\ &&&\lambda_{n} \end{matrix} \right| Λ=diag(λ1,λ2,,λn)=λ1λ2λn
还可利用此性质: λ 1 λ 2 ⋯ λ n = ∣ A ∣ \lambda_{1}\lambda_{2}\cdots\lambda_{n}=|\pmb{A}| λ1λ2λn=AAA

网上说:A的秩等于A的非零特征值的个数(只限定于可对角化)

2.倘若尚且未知该矩阵是否可对角化,则只可得知0为特征值,重数不小于三,且对应三个无关的特征向量;其他信息无法判定,需要先判断矩阵是否可对角化或先求出其特征值,再做判断。

网上资料

特征值的重数分为几何重数和代数重数.

几何重数是指特征值特征空间的维数,代数重数是指特征多项式中特征根的重数.一般代数重数大于或等于几何重数.
当矩阵可以相似于一个对角阵时,每个特征值的几何重数等于代数重数.
在这个例子,4阶矩阵,其秩为2,那么零一定是特征值.就是说,不满秩的矩阵一定有0是特征值,
在这里,0的重数是矩阵阶数减去秩,因为Ax=0,核空间就是0的特征空间,维数是2,则几何重数是2.验证也知道,代数重数为2.但对于其他不为零的特征值,就没有相应结论. 当矩阵相似于Jordan标准型时,情况要复杂,就不赘述了.

线性代数 非满秩矩阵 设秩为a 必有0特征根 且重数=n-a 怎么证?

首先矩阵必须是n阶方阵, 然后秩和0的重数的联系不是那么简单的
0的代数重数可能大于n-a, 只能说几何重数一定是n-a

n阶矩阵秩为1,那么应该是0至少为n-1重特征值,因为n可能是为重特征值。在矩阵的秩为1的时候,对角线元素之和为0的矩阵,那么0就是它的n重特征值,“秩为r,0为n-r重特征”适用于对称矩阵,而问题中的n阶矩阵并没有说明是对称矩阵,所以需要视情况而定。

<think>嗯,用户想了解矩阵特征值和奇异值的概念及其关系。首先,我得先回顾这三个概念的定义,然后理清它们之间的联系和区别。 矩阵,我记得是矩阵中线性无关的行或列的最大数目,反映了矩阵的行空间或列空间的维度。计算的话,可以通过行变换化为行阶梯形矩阵,非零行的数量就是。或者用行列式,找最高阶的非零子式。不过用户可能更关心直观理解,比如代表矩阵的信息压缩程度,越低,矩阵越“低效”。 然后是特征值,这部分可能需要结合特征分解。特征值满足$Av = \lambda v$,这里的$\lambda$就是特征值,v是对应的特征向量。特征值可以是复数,尤其是非对称矩阵的时候。计算特征值通常需要解特征方程$\det(A - \lambda I) = 0$,但对于大矩阵来说数值方法更常用,比如QR算法。不过特征值只适用于方阵,这点很重要,和奇异值不同。 奇异值的话,来自奇异值分解(SVD),任何矩阵都可以分解成$A = U\Sigma V^T$,其中U和V是正交矩阵,Σ是对角矩阵,对角线上的元素就是奇异值,总是非负的。计算奇异值通常通过计算$A^TA$的特征值的平方根,因为奇异值是这些的正平方根。这里要注意,虽然SVD适用于任意矩阵,但计算时涉及到特征值问题,所以和特征值有联系。 接下来是它们的关系。首先,矩阵等于非零奇异值的个数,这是关键点。因为SVD中的Σ矩阵的非零对角元素数量就是。而特征值的关系,可能不太直接,除非矩阵可对角化,但即使如此,非零特征值的数量不一定等于,例如若矩阵有零特征值可能更高,但如果有重复的特征值可能情况不同?需要仔细确认这点。 另外,特征值的乘积等于行列式,而奇异值的乘积等于行列式的绝对值?或者需要进一步验证。对于方阵来说,矩阵的行列式等于所有奇异值的乘积吗?或者应该是绝对值?比如,行列式等于特征值的乘积,而奇异值的乘积则是特征值乘积的绝对值?可能需要查阅资料确认。 用户提供的引用中提到,奇异值总是非负的,是$A^TA$特征值的平方根,而特征值可以是负数或复数。另外,非零奇异值个数相等,这是确定的。而特征值中非零的数量可能和有关,但并非绝对,比如一个可逆方阵所有特征值非零,满,而非零特征值数量等于,这时候一致。但如果矩阵不是方阵,比如为r的m×n矩阵特征值可能不存在,但奇异值有r个非零。 总结起来,需要分点阐述这三个概念的定义、计算方法,然后讨论它们之间的关系,尤其是奇异值的关系,特征值奇异值之间的联系(比如通过$A^TA$的特征值),以及各自的应用场景。同时要注意用户提供的引用内容,正确引用其中的观点,比如适用范围、取值范围的区别等。 可能还需要检查是否有错误,比如特征值的数量是否等于矩阵的阶数,而非零奇异值的关系是否绝对成立。是的,对于任何矩阵,无论是否方阵,其等于非零奇异值的个数,这是SVD的重要性质。而特征值的非零个数,如果是方阵的话,其代数重数可能不等于几何重数,但的等于行或列空间的维度,和零特征值的几何重数有关吗?比如,矩阵等于n - 零特征值的几何重数?这可能不准确,需要避免混淆。 在回答时,需要确保每个部分清晰,比如定义分开讲,计算方法简要说明,然后关系部分重点突出奇异值的直接联系,以及特征值和奇异值通过$A^TA$的联系。同时引用用户提供的参考文献,比如引用[^1]和[^2],在适当的位置标注。 最后,生成相关问题的时候,要考虑用户可能的后续疑问,比如如何计算SVD,的应用实例,或者特征分解和SVD的区别等。</think>### 矩阵特征值奇异值的概念及关系 #### 1. 定义计算 **矩阵** - **定义**:矩阵中线性无关的行(或列)向量的最大数量,反映矩阵行空间或列空间的维度[^1]。 - **计算**: - 通过初等行变换将矩阵化为行阶梯形,非零行数即为。 - 通过求最高阶非零子式的阶数。 **特征值** - **定义**:对于方阵$A$,若存在非零向量$v$和标量$\lambda$满足$Av = \lambda v$,则$\lambda$称为$A$的特征值。 - **计算**: - 解特征方程$\det(A - \lambda I) = 0$,根即为特征值。 - 数值方法(如QR算法)用于大规模矩阵。 **奇异值** - **定义**:对任意矩阵$A$,其奇异值$\sigma_i$是矩阵$A^TA$的特征值的非负平方根,即$\sigma_i = \sqrt{\lambda_i(A^TA)}$。 - **计算**: - 通过奇异值分解(SVD):$A = U\Sigma V^T$,$\Sigma$对角元素即为奇异值。 --- #### 2. 关系区别 **奇异值** - **直接联系**:矩阵等于其非零奇异值的个数。 - **示例**:若$A$的SVD中$\Sigma$有$r$个非零对角元素,则$\text{rank}(A) = r$。 **特征值奇异值** - **联系**: - 若$A$为方阵,其奇异值是$A^TA$特征值的平方根。 - 若$A$是实对称矩阵,其奇异值等于特征值的绝对值。 - **区别**: - 特征值仅适用于方阵,可为复数;奇异值适用于任意矩阵,且总是非负实数。 **特征值** - 若方阵$A$可逆(满),则所有特征值非零;但非零特征值的数量不一定等于(例如,若存在重复特征值)。 --- #### 3. 应用性质 - ****:衡量方程组的独立约束条件,在解线性方程组时起关键作用。 - **特征值**:用于分析矩阵稳定性(如微分方程)、主成分分析(PCA)等。 - **奇异值**:描述矩阵的范数(如最大奇异值为矩阵的2-范数)、低逼近(如图像压缩)。 ---
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