• 特征值和特征向量


    一、其他定义

    设T是线性空间V的线性变换,V中所有向量的象形成的集合,称为T的值域,用R(T)表示,即

      R(T)={Tx|x属于V}

    V中所有被T变为零向量的原象构成的集合,成为T的核,用N(T)表示,即

      N(T)={x|Tx=0,x属于V}

    定理1:线性空间V的线性变换T的值域和核都是V的线性子空间。

    定义:象子空间的维数dimR(T)称为T的秩,核子空间的维数dimN(T)称为T的亏(或零度)

    定理2:dimR(T)+dimN(T)=n,n为列数

    定理3折线性空间Vn的线性变换T,对于Vn的两个基x1,x2,x3...xn和y1,y2,...yn的矩阵依次是A和B,并且

      (y1,y2,...,yn)=(x1,x2,...,xn)C

    那么

      B=C-1AC

    相似矩阵

    二、特征值、特征向量定义

      现在讨论如何选择线性空间的基,使线性变换在该基下的矩阵形状最简单。为此,先论述线性变换的特征值和特征向量的概念,它们对于线性变换的研究,起着十分重要的作用。

    定义:Tx=λx

    有定义,有

    T(kx)=λ0(kx),λ0是任意一个特征值。这意味着特征向量不是被特征值唯一确定,但是特征值却被特征向量唯一确定。

    求法:略

    特征矩阵:λI-A

    特征多项式:φ(λ)=det(λI-A)

    定义:设T是线性空间Vn的线性变换,λ0是T的一个特征值,称Vn的子空间Vλ0为T的属于λ0的特征子空间

    三、一堆定理

    定理1:设A=(aijn×n,B=(bijn×n,则tr(AB)=tr(BA).

    定理2:相似矩阵有相同的迹。

    定理3:相似矩阵有相同的特征多项式,因此也有相同的特征值。

    定理4:设A1,A2,A3...An均为方阵,A=diag(A1,A2,A3...An),则det(λI-A)=Πdet(λIi-Ai),其中Ii表示与Ai同阶的单位矩阵。

    定理5:设A属于Rm×n,B属于Rn×m,又设AB的特征多项式为φAB(λ),BA的多项式为φBA(λ),则λnφAB(λ)=λmφBA(λ)

    定理6:任意n阶矩阵与三角矩阵相似。

    定理7:n阶矩阵A是其特征多项式的矩阵根(零点),即令

      φ(λ)=det(λI-A)=λn+a1λn-1+...+an-1λ+an

      φ(A)=An+a1An-1+...+an-1A+anI=0

    定义1:首项系数是1(简称首1),次数最小,且以矩阵A为根的λ的多项式,称为A的最小多项式,常用m(λ)表示。

    定理8:矩阵A的最小多项式m(λ)可整除以A为根的任意首1多项式ψ(λ),且m(λ)是唯一的。

    定理9:矩阵A的最小多项式m(λ)与其特征多项式φ(λ)的零点相同(不计重数)。

    定理10:设n阶矩阵A的特征多项式φ(λ),特征矩阵λI-A的全体n-1阶子式的最大公因式为d(λ),则A的最小多项式为

      m(λ)=φ(λ)/d(λ)

    相似矩阵有相同的最小多项式

    定理11:如果λ1,λ2,...,λn是矩阵A的互不相同的特征值,x1,x2,...,xn是分别属于它们的特征向量,那么,x1,x2...xn线性无关。

    定理12:如果λ1,λ2...λk是矩阵A的不同特征值,而xi1,xi2,...,xirt是λi的线性无关的特征向量(i=1,2,...k),那么所有的向量组也线性无关。

     四、对角矩阵

      对角矩阵是较简单的矩阵之一。无论是计算它的乘积、逆矩阵还是特征值等,都甚为方便。这里将要讨论,那些线性变换在适当基下的矩阵是对角矩阵的问题。

    充要命题

    定理1:设T是线性空间Vn的线性变换,T在一基下的矩阵A可以为对角矩阵的充要条件是T有n个线性无关的特征向量。(证明很简单)

    定理2:n阶矩阵A与对角矩阵相似的充要条件是,A有n个线性无关的特征向量,或A有完备的特征向量系。

    充分命题

    定理3:如果n阶矩阵有n个互不相同的特征值,那么它与对角矩阵相似。

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