矩阵对角化相关推导

前提条件:

有一个nn阶可逆矩阵A

A=a11a21an1a12a22an2a1na2nannA=(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann)

对于行列式为:
|A|=a11a21an1a12a22an2a1na2nann|A|=|a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann|

则其伴随矩阵为:
A=A11A12A1nA21A22A2nAn1An2AnnA∗=(A11A21⋯An1A12A22⋯An2⋮⋮⋱⋮A1nA2n⋯Ann)

则逆矩阵为:
A1=A|A|A−1=A∗|A|

为什么A1A−1会是这样

验证:
前提
行列式按照某一行展开:

|A|=a11a21ai1an1a12a22ai2an2  a1na2nainann=ai1Ai1+ai2Ai2++ainAin|A|=|a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮ ⋮ai1ai2⋯ain⋮⋮ ⋮an1an2⋯ann|=ai1Ai1+ai2Ai2+⋯+ainAin

所以如果是:

aj1Ai1+aj2Ai2++ajnAin=a11a21aj1aj1an1a12a22aj2aj2an2   a1na2najnajnann=0aj1Ai1+aj2Ai2+⋯+ajnAin=|a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮ ⋮aj1aj2⋯ajn⋮⋮ ⋮aj1aj2⋯ajn⋮⋮ ⋮an1an2⋯ann|=0

为什么A1=A|A|A−1=A∗|A|
因为:

A1A=A|A|A=A11|A|A12|A|A1n|A|A21|A|A22|A|A2n|A|An1|A|An2|A|Ann|A|a11a21an1a12a22an2a1na2nann=a11A11++an1An1|A|a11A12++an1An2|A|a11A1n++an1Ann|A|a12A11++an2An1|A|a12A11++an2An1|A|a12A1n++an2Ann|A|a1nA11++annAn1|A|a1nA11++annAn1|A|a1nA1n++annAnn|A|=|A||A|0|A|0|A|0|A||A||A|0|A|0|A|0|A||A||A|=100010001=EA−1A=A∗|A|A=(A11|A|A21|A|⋯An1|A|A12|A|A22|A|⋯An2|A|⋮⋮⋱⋮A1n|A|A2n|A|⋯Ann|A|)(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann)=(a11A11+⋯+an1An1|A|a12A11+⋯+an2An1|A|⋯a1nA11+⋯+annAn1|A|a11A12+⋯+an1An2|A|a12A11+⋯+an2An1|A|⋯a1nA11+⋯+annAn1|A|⋮⋮⋱⋮a11A1n+⋯+an1Ann|A|a12A1n+⋯+an2Ann|A|⋯a1nA1n+⋯+annAnn|A|)=(|A||A|0|A|⋯0|A|0|A||A||A|⋯0|A|⋮⋮⋱⋮0|A|0|A|⋯|A||A|)=(10⋯001⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯1)=E

A1A=A|A|A=A11|A|A12|A|A1n|A|A21|A|A22|A|A2n|A|An1|A|An2|A|Ann|A|a11a21an1a12a22an2a1na2nann=βT1βT2βTn(α1,α2,,αn)A−1A=A∗|A|A=(A11|A|A21|A|⋯An1|A|A12|A|A22|A|⋯An2|A|⋮⋮⋱⋮A1n|A|A2n|A|⋯Ann|A|)(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann)=(β1Tβ2T⋮βnT)(α1,α2,⋯,αn)

显然:

βTiαj={0,ij1,i=jβiTαj={0,i≠j1,i=j

在矩阵的对角化中,
假设矩阵AA的特征值为λ1,λ2,,λn,对应的特征向量为α1,α2,,αnα1,α2,⋯,αn
为什么由特征向量构成的矩阵

P=(α1,α2,,αn)P=(α1,α2,⋯,αn)

若要矩阵PP可逆,则α1,α2,,αn线性无关
则此时:
P1AP=βT1βT2βTnA(α1,α2,,αn)=βT1βT2βTn(Aα1,Aα2,,Aαn)=βT1βT2βTn(λ1α1,λ2α2,,λnαn)=βT1λ1α1βT2λ1α1βTnλ1α1βT1λ2α2βT2λ2α2βTnλ2α2βT1λnαnβT2λnαnβTnλnαn=βT1λ1α1000βT2λ2α2000βTnλnαn=λ1000λ2000λnP−1AP=(β1Tβ2T⋮βnT)A(α1,α2,⋯,αn)=(β1Tβ2T⋮βnT)(Aα1,Aα2,⋯,Aαn)=(β1Tβ2T⋮βnT)(λ1α1,λ2α2,⋯,λnαn)=(β1Tλ1α1β1Tλ2α2⋯β1Tλnαnβ2Tλ1α1β2Tλ2α2⋯β2Tλnαn⋮⋮⋱⋮βnTλ1α1βnTλ2α2⋯βnTλnαn)=(β1Tλ1α10⋯00β2Tλ2α2⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯βnTλnαn)=(λ10⋯00λ2⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯λn)
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