矩陣特徵值與矩陣本身的關係是什麼?

時間 2021-06-03 00:37:04

1樓:三川啦啦啦

對於最特殊的數量矩陣

對任意向量 都有,

這似乎是一件顯然的事情,不過如果從特徵的角度看,這個矩陣有特徵方程為

它有 重特徵根且為 ,特徵向量只要非零就行。

對於更一般的矩陣,我們也可以將之模擬為數量矩陣(在相似意義下),只不過是用分塊的方式去理解:

我們發現,這個矩陣可以限定在特定的子空間上,例如 " eeimg="1"/>,等效為乙個數乘變換

總之,特徵思想可以理解為——研究乙個矩陣在其(不變)子空間上的數乘效應。

再回過頭看,將 的特徵值 直接帶入特徵多項式:

我們會發現,特徵化的過程,就是將矩陣 「區域性」化為零矩陣。而 的某一特徵子空間正是——

假如矩陣 可對角化,也就是說它有 個一維不變子(特徵向量),即

把限制在每個一維空間上的數乘變換 加起來,就是 對於空間 " eeimg="1"/>的整體作用:

那麼,這種形式,給人的感覺就是那種靈魂被一點一點抽離——,最終剩下一團真空——。反映到特徵多項式就是如下形式[1]:

其中 是 的特徵多項式,更是極小多項式;事實上,若極小多項式是不同的一次因式的乘積,當且僅當 可對角化。

接下來的內容就算是半賣半送了([捂臉])

可是,如果極小多項式 有重因式,矩陣 那就不能對角化了。設

我們回到對應的特徵空間分解,有

也就是說,光有 還不足以導致「區域性零化」,必須進行次冪後

才可以。在矩陣空間中專門有一類矩陣具有這樣的性質,那就是大名鼎鼎的冪零矩陣。在相似意義下冪零矩陣都長這樣[2],我們叫做塊:

顯然有 ;設冪零矩陣

抽離掉靈魂 之後,只剩下行屍走肉的冪零矩陣,日漸沉淪、坍縮,最終消失。這就是 在每乙個區域性的組成成分。於是即

或者簡記為

於是,對於更一般的矩陣以及極小多項式,我們給出了最一般的形式。

類似於特徵向量的定義, 塊給準特徵向量帶來的效果是——

其中, 是某組基底。

2樓:

矩陣的乙個含義就是線性變換。 如果我們給整個線性空間換一組基底,那麼所有的向量都換了名字(按基底線性表出的係數),但是實質上還是那個向量。而換基底這件事對矩陣來說就是作乙個相似變換。

現在有這麼一組基底,在這組基底下,線性變換顯得非常的簡單,就是第乙個基向量擴大λ1倍,第二個擴大λ2倍,...,以此類推。 λ1,λ2,...

就是特徵值,相應的基向量就叫做特徵向量。

但是這麼一組基底並不總是存在的。存在這麼一組基底當且僅當矩陣可以被相似對角化。 一般的任意矩陣辦不到這一點,只能保證被相似變換成乙個弱一點的形式,那就是Jordan標準型。

3樓:天下無難課

求矩陣的特徵值和特徵向量與函式式求根有的一比。在函式式y=f(x)裡,有三大類問題,乙個是求函式值,這個就是不斷代入各個x值,然後看y是多少。把這個過程與乙個座標系結合在一起,就是乙個反映這個函式式的一條曲線。

第二類問題是求解,就是知道乙個y值了,要根據這個函式式倒過來找x是多少。

第三類問題是求根。求根其實就是求乙個特別的解,就是y=0時,要找到x是多少。

對於線性方程組的矩陣表示式y=Ax,也有這三類問題,第一,根據A,用不同的x代入(實現A里列向量的不同線性組合),然後得到對應每乙個x的y,然後根據不同x的取值做出y=Ax的圖形。這個作圖操作很少做,其實它對理解線性變換很有幫助。

扯了半天,這與特徵向量和特徵值有啥關係?有,這求特徵向量就與函式式裡第三類問題~求根很累似,它是求對應乙個特殊y值的特殊的x。在函式y=f(x)裡,這個x的特殊性就在於它對應乙個y=0的特殊情況,對吧?

而在矩陣運變換裡,我們要找的這個特徵向量x也對應乙個y的特殊值(乙個特殊的y)。

這個y的特殊在哪呢?y=0麼?非也!

這個y的特殊性在於它與x共線(同向或逆向)。從公式上是這麼表達的,y=Ax=λx。本來從y=Ax裡面你得不出y與x共線這個結果的(在大多數情況下),但對於有些變換A,當x取某些方向(記住是方向,與x的長度無關)時,會得到相應的、與x同方向(長度往往不同)的y,這就有了y=λx。

教材裡講了,這個λ是乙個數值,它與x數乘的結果是乙個與x共線的向量。這是乙個特殊的y,就像在函式式裡,x取到根植時,y為零的特殊性類似。而這個λ值就是y與x的長度比。

只要在這個方向上,不管x取啥值(不管啥長度),y一定與之共線,二者的長度之比總是λ,就是|y|/|x|=λ在這個方向上總是成立的。

如果你費一點勁,做根據y=Ax做乙個圖,從圖形上看(以二維平面作圖為例),你把乙個向量x(二維,定長)轉一圈(相當與取很多長度相同方向不同的向量擺開),就形成乙個以向量長度為半徑的乙個圓,如同時你用y=Ax跟著畫圖,你會發現對於有的A,y雖然在大部分情況下與x距離原點的距離不同,方向也不同,但在某個方向上,x與y距離或還是不同,但方向相同,就是y,x和原點在一條直線上。這時的y與x長度之比λ就是特徵值,這個特別方向上的y就是特徵向量。如果你換乙個長度的x來畫圓,也會在這個方向上得到乙個同向的y,而且與x的比值同樣為那個λ。

這個特徵值的出現與x的長度無關,與x的方向有關,這個方向完全由A的構造確定。

x轉360°的過程的端點軌跡是乙個圓,而在此過程中根據y=Ax得到的y端點的軌跡通常是乙個橢圓,還是斜的(外觀上就是長軸與x軸有夾角)。

乙個A可以不止有乙個特徵向量(不止在乙個方向上x,y會共線),特徵值就可以不止乙個了,但最多不超過矩陣的階數。但也有的A沒有特徵向量和特徵值。

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