§5.1 向量的内积、长度及正交性
§5.2 方阵的特征值与特征向量
§5.2 方阵的特征值与特征向量
5.1 向量的内积、长度及正交性
设有
x=(x1x2⋮xn), y=(y1y2⋮yn)
x=
\left(
\begin{matrix}
x_{1}\\
x_{2}\\
\vdots\\
x_{n}
\end{matrix}
\right),\ \
y=
\left(
\begin{matrix}
y_{1}\\
y_{2}\\
\vdots\\
y_{n}
\end{matrix}
\right)
x=⎝⎜⎜⎜⎛x1x2⋮xn⎠⎟⎟⎟⎞, y=⎝⎜⎜⎜⎛y1y2⋮yn⎠⎟⎟⎟⎞
令
[x,y]=x1y1+x2y2+⋯+xnyn
[x,y]=x_{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+\cdots+x_{n}y_{n}
[x,y]=x1y1+x2y2+⋯+xnyn
[x,y][x,y][x,y]称为向量xxx和向量yyy的内积。
性质
1.[x,y]=[y,x][x,y]=[y,x][x,y]=[y,x];
2.[λx,y]=λ[x,y][\lambda x,y]=\lambda[x,y][λx,y]=λ[x,y];
3.[x+y,z]=[x,z]+[y,z][x+y,z]=[x,z]+[y,z][x+y,z]=[x,z]+[y,z];
4.当x=0x=0x=0时,[x,x]=0[x,x]=0[x,x]=0;当x≠0x\neq 0x̸=0时,[x,x]>0[x,x]>0[x,x]>0.
令
∣∣x∣∣=[x,x]=x12+x22+⋯+xn2,
||x||=\sqrt{[x,x]}=\sqrt{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+\cdots+x_{n}^{2}},
∣∣x∣∣=[x,x]=x12+x22+⋯+xn2,
则称∣∣x∣∣||x||∣∣x∣∣为nnn维向量xxx的长度(或范数).
性质
1.非负性:当x≠0x\neq 0x̸=0时,∣∣x∣∣>0||x||>0∣∣x∣∣>0,当x=0x= 0x=0时,∣∣x∣∣=0||x||=0∣∣x∣∣=0;
2.齐次性:∣∣λx∣∣=∣λ∣∣∣x∣∣||\lambda x||=|\lambda|||x||∣∣λx∣∣=∣λ∣∣∣x∣∣;
3.三角不等式:∣∣x+y∣∣≤∣∣x∣∣+∣∣y∣∣||x+y||\leq ||x||+||y||∣∣x+y∣∣≤∣∣x∣∣+∣∣y∣∣.
定理
若nnn维向量a1,a2,⋯ ,ara_{1},a_{2},\cdots,a_{r}a1,a2,⋯,ar是一组两两正交的非零向量,则a1,a2,⋯ ,ara_{1},a_{2},\cdots,a_{r}a1,a2,⋯,ar线性无关。
设nnn维向量e1,e2,⋯ ,ere_{1},e_{2},\cdots,e_{r}e1,e2,⋯,er是向量空间V(v∈Rn)V(v\in R^{n})V(v∈Rn)的一个基,如果e1,e2,⋯ ,ere_{1},e_{2},\cdots,e_{r}e1,e2,⋯,er两两正交,且都是单位向量,则称e1,e2,⋯ ,ere_{1},e_{2},\cdots,e_{r}e1,e2,⋯,er是VVV的一个规范正交基。
施密特正交化:找到一组两两正交的单位向量e1,e2,⋯ ,ere_{1},e_{2},\cdots,e_{r}e1,e2,⋯,er,与基a1,a2,⋯ ,ara_{1},a_{2},\cdots,a_{r}a1,a2,⋯,ar等价。
如果nnn阶矩阵AAA满足:
ATA=E
A^{T}A=E
ATA=E
那么称AAA为正交矩阵,简称正交阵。
性质
1.若AAA为正交矩阵,那么A−1=ATA^{-1}=A^{T}A−1=AT也是正交阵;
2.若AAA和BBB为正交矩阵,那么ABABAB也是正交阵。
若PPP为正交阵,则线性变换y=Pxy=Pxy=Px称为正交变换。
5.2 方阵的特征值与特征向量
设AAA是nnn阶矩阵,如果数λ\lambdaλ和nnn维非零列向量xxx使关系式
(1)Ax=λx
Ax=\lambda x\tag{1}
Ax=λx(1)
成立,那么,这样的数λ\lambdaλ称为矩阵AAA的特征值,非零向量xxx称为矩阵AAA的对应的特征值λ\lambdaλ的特征向量。
(1)(1)(1)式也可以写成
(A−λE)=0,
(A-\lambda E)=0,
(A−λE)=0,
即
∣a11−λa12⋯a1na21a22−λ⋯a2n⋮⋮⋮an1an2⋯ann−λ∣=0.
\left|
\begin{matrix}
a_{11}-\lambda&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\
a_{21}&a_{22}-\lambda&\cdots&a_{2n}\\
\vdots&\vdots&&\vdots\\
a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}-\lambda
\end{matrix}
\right|=0.
∣∣∣∣∣∣∣∣∣a11−λa21⋮an1a12a22−λ⋮an2⋯⋯⋯a1na2n⋮ann−λ∣∣∣∣∣∣∣∣∣=0.
上式是以λ\lambdaλ为未知源的一元nnn次方程,称为矩阵AAA的特征方程。其左端∣A−λE∣|A-\lambda E|∣A−λE∣是λ\lambdaλ的nnn次多项式,记做f(λ)f(\lambda)f(λ),称为矩阵AAA的特征多项式。
定理
设λ1,λ2,⋯ ,λm\lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{m}λ1,λ2,⋯,λm是方阵AAA的mmm个特征值,p1,p2,⋯ ,pmp_{1},p_{2},\cdots,p_{m}p1,p2,⋯,pm依次是与之对应的特征向量,如果λ1,λ2,⋯ ,λm\lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{m}λ1,λ2,⋯,λm各不相等,则p1,p2,⋯ ,pmp_{1},p_{2},\cdots,p_{m}p1,p2,⋯,pm线性无关。
《线性代数》同济大学第五版笔记