第五章 相似矩阵及二次型 第一二节 向量的内积、长度及正交性/方阵的特征值与特征向量

本文深入探讨了线性代数中的关键概念,包括向量的内积、长度与正交性,以及方阵的特征值和特征向量。详细介绍了内积的性质、向量的长度计算、正交矩阵的定义及其性质,还讲解了如何求解特征值和特征向量,并分析了它们在线性变换中的作用。

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§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

5.1 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=x1x2xn,  y=y1y2yn

[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||xnnn维向量xxx长度(或范数).

性质

1.非负性:当x≠0x\neq 0x̸=0时,∣∣x∣∣>0||x||>0x>0,当x=0x= 0x=0时,∣∣x∣∣=0||x||=0x=0;
2.齐次性:∣∣λx∣∣=∣λ∣∣∣x∣∣||\lambda x||=|\lambda|||x||λx=λx;
3.三角不等式:∣∣x+y∣∣≤∣∣x∣∣+∣∣y∣∣||x+y||\leq ||x||+||y||x+yx+y.

定理

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(vRn)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,,erVVV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}A1=AT也是正交阵;
2.若AAABBB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AAAnnn阶矩阵,如果数λ\lambdaλnnn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特征值,非零向量xxx称为矩阵AAA的对应的特征值λ\lambdaλ特征向量
(1)(1)(1)式也可以写成
(A−λE)=0, (A-\lambda E)=0, (AλE)=0,

∣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. a11λa21an1a12a22λan2a1na2nannλ=0.
上式是以λ\lambdaλ为未知源的一元nnn次方程,称为矩阵AAA特征方程。其左端∣A−λE∣|A-\lambda E|AλEλ\lambdaλnnn次多项式,记做f(λ)f(\lambda)f(λ),称为矩阵AAA特征多项式

定理

λ1,λ2,⋯ ,λm\lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{m}λ1,λ2,,λm是方阵AAAmmm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

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