2022年2022年矩阵特征值与特征向量的计算和应用 .pdf
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1、1 矩阵特征值与特征向量的计算和应用摘要:文章给出求解矩阵特征值与特征向量的一种简易方法:列行互逆变换方法,并且通过对阶矩阵的特征值和特征向量的研究,针对阶矩阵的特征值和特征向量的应用进行了3 个方面的探讨 ,并给出了一类矩阵特征值和特征向量求解的方法关键词:矩阵;特征值;特征向量;互逆变换名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 30 页 - - - - - - - - - 2 Computation and Application of Eigenvalue a
2、nd Eigenvector of Matrix Abstract :This article is presented for solving the matrix eigenvalue and eigenvector of a simple method : reciprocal transformation;by the studying of eigenvalue and eigenvector of matrix,his article discuss application of their three aspects due to eigenvalue and eigenvect
3、or of matrix. and also, given a category eigenvalues and eigenvectors solving methods.Key words: matrix ;eigenvalue ;eigenvector; reciprocal transformation.)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 30 页 - - - - - - - - - 3 目录1 引言(1)2 用列行互逆变换法计算矩阵的特征值与特征向量
4、(1)3 矩阵的特征值和特征向量的应用(9)3.1 n阶矩阵1,mkabAAI AA,*A,()fA的特征值和特征向量(9)3.2 n阶矩阵的高次幂求解(11)3.3 矩阵特征值反问题的求解(12)4 结语(13)参考文献( 14)谢辞(15)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 30 页 - - - - - - - - - 4 1 引言常用矩阵的特征值的方法是求特征方程( )0fAIA的全部根 1,2,r(互异 ),而求相应的特征向量的方法则是对每个i求齐次线
5、性方程组()0iIA X的基础解系 ,两者的计算是分离的 ,一个是计算行列式 ,另一个是解齐次线性方程组 ,计算量都较大 .本文介绍求矩阵的特征值与特征向量的一种简易方法,只用一种运算矩阵运算 ,列行互逆变换法是一种可同步求出特征值与特征向量的方法,而且不需要考虑带参数的特征矩阵.此种方法计算量少 ,且运算规范 ,不易出错 . 2 用列行互逆变换法计算矩阵的特征值与特征向量定义 17把矩阵的下列三种变换称为列行互逆变换:1) 互换i、j两列 ()ijcc,同时互换j、i两行 ()jirr ;2) 第i列乘以非零数k(ikc ),同时第i行乘1k1()irk;3) 第i列k倍加到第j列 ()ji
6、ckc ,同时第j行k倍加到第i行 ()jirkr .定理 1A为任意 n 阶可对角化矩阵 ,若n系列列行互逆变化ADEP, 其中1nD,1(,)nP,1(,)iiinbb,(1,2, )in,则1,n为的全部特征值 ,ii为A的对应i的特征向量证 由行初等变换等价于左乘初等阵,列变等价于右乘初等阵的性质及行列互逆变换的定义,知P为若干初等阵乘积,当然可逆 ,即存在可逆矩阵1P,使1PAPD,故APPD因为1nD,1(,)nP,名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,
7、共 30 页 - - - - - - - - - 5 所以111(,)(,)nnnA,则111(,)(,)nnnAA, 所以iiiA, (0)i(1 , 2 ,)in,因此,该方法求出的i为A的特征值 ,i为A的对应特征值i的特征向量由于定理 1求解时,总会遇到形如10acbA或20acbA()ab形式的矩阵化对角阵问题 ,为此给出具体方法:122112110ckcrkraacbbkAE或211222110ckcrkra cabbkAE其中ckab则1(1, )k ,2(0,1)为1的分别对应特征值 a 和b的特征向量;1(1, 0 ),2(,1)k为2的分别对应特征值 a和b的特征向量例 1
8、求3452A的特征值和特征向量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 30 页 - - - - - - - - - 6 解211212214559452594115059ccccrrrr12129555915ccrr所以特征值为127,2;对应的特征向量为12(1 ,1),( 4,5) 例求133313331A的特征值和特征向量解13233132313311000ccccrrrrAE3223131310ccrr311313131100ccrr3331310cr所以
9、特征值1232,7; 特征向量分别为11,0, 1,20, , 1, 31, ,1. 下面总结出类似于例2 的一类矩阵的特征值和特征向量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 30 页 - - - - - - - - - 7 例2求b bbbbbA的特征值和特征向量解1331311ccrrb bbbbbbbb bbbAE23321ccrrbbbbb323122131133113311ccccrrrrbbbbb333131crbbbbb则A的特征值为121,b312
10、b,对应的特征向量为11,0, 1, 20 , ,1,31, ,1. 例 2求a b bb a bb ba且(0)ab的特征值和特征向量解13233132321ccccrrrrab babbb ababbb b aabAE3231231313131313ccccrrrr名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 30 页 - - - - - - - - - 8 3331322crabababababab则A的特征值为123,2 ,abab 对应的特征向量为11,0,1
11、,20, , 1,31, ,1下面给出定理 1 的推广定理:定 理 7A为 任 意 n 阶 方 阵 , 若n系列列行互逆变化AJEP, 其 中1rJJJ()rn为约当矩阵 ,iiiJ(1, )ir为约当标准形1(,)rPPP,1(,)iiiirP(1, )ir,12rrrrn , 则i为A的特征值 ,iiir为A的对应特征值i的特征向量 .证由所学知识可知A必相似一约当矩阵 ,由定理 1 中化简方法 ,则有1()P APJ ,即APPJ, 其中1111()rrP, iiiJ,iiiJ(1, )ir, 所以111111111()()rrrrrJAJ,故有iiA(1, )ir名师资料总结 - -
12、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 30 页 - - - - - - - - - 9 所以i为A的特征值 ,iiir为A的对应特征值i的特征向量例 求211031213A的特征值和特征向量解1331311000ccrrAE211210ccrr32323312211221100cccrrr所以特征值1232,4,对应特征值122的特征向量1( 1,1,1) ,对应特征值34的特征向量3(1, 1,1) 矩阵的特征值和特征向量的应用大学线性代数教材中 ,对矩阵的特征值和特征向量的定义为
13、1:设A为n 阶矩阵 ,若存在数和非零向量X,使AXX,则称数为A的特征值 ,非零向量X为A对应于特征值的特征向量现设k,a ,b均为常数 , m为正整数 ,那么如何求 n阶矩阵1,mkabAAI AA(若A可逆), *A(若A可逆),()f A(A的多项式)的特征值和特征向量?及如何巧妙求出n阶矩阵A的高次幂kA?还有在一定的限定条件下 ,如何根据矩阵的特征值和特征向量信息来决定矩阵中的元素,即求解矩阵特征值的反问题3.1 阶矩阵1,mkabAAI AA,*A,()fA的特征值和特征向量若是n 阶矩阵A的特征值 ,非零向量X为A对应于特征值的特征向量 ,名师资料总结 - - -精品资料欢迎下
14、载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 30 页 - - - - - - - - - 10 则,1,( )mkabfA是1,mkabAAI AA,*A,()f A的特征值 ;非零向量X是1*,( )mkabfAAI AAAA 对应特征值,mkab1, A,()fA的特征向量证明由于是A的特征值 ,X是A对应于的特征向量 , 则有A XX, (1) 1)在(1)式两端同时左乘系数k得kkAXX,即()()kkA XX所以k是方阵kA的特征值 ,且向量X是方阵kA对应于特征值k的特征向量 .2) 由于 (
15、abAI)X=()abababAXXXXX,所以ab是方阵abAI的特征值 ,且向量X是方阵abAI对应于特征值ab的特征向量. 3) 由于22()()()A XA AAAXXX, 322223()()()()A XA AAXA XXX, 1111()()()mmmmmmA XA AXAXA XXX. 所以m是方阵mA的特征值 ,且向量X是方阵mA对应于特征值m的特征向量. 4) 在 (1) 式 两 端 同 时 左 乘1A得11AAXAX, 即1()XA X, 有11A XX成立.所以1是方阵1A的特征值 ,且向量X是方阵1A对应于特征值1的特征向量 . 5) 在 (1) 式 两 端 同 时
16、左 乘A得A AXAX, 由 于1AA A, 那 么(A AXA XA X),即有AA XX成立所以A是方阵A的特征值,且向量X是方阵A对应于特征值A的特征向量 . 6) 设1110( )nnnnf xa xaxa xa ,名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共 30 页 - - - - - - - - - 11 则1110( )nnnnfaaaaAAAA, 1110()nnnnfaaaaA XA XAXAXX11101110()( )nnnnnnnnaaaaa
17、aaafXXXXXX上面的结论用到了3)的结论 ,由()( )ffA XX可知,()f是()fA的特征值,且向量X是()fA对应于特征值()f的特征向量 . 例133313331A求4232AAAI的特征值和特征向量 .分析 本题是求矩阵A的多项式的特征值和特征向量, 若按一般思路求解,则需计算的 4 次幂并进行多项式的计算, 再求特征值和特征向量, 计算量较大,但若按 6)的结论,计算变的很简单. 解 由例 2 知:矩阵A的的 3 个特征值为1232,7,其中对应的特征向量为1231,0,1,0,1, 1,1,1,1. 设42( )32f AAAAI ,则42( )321f,即为()f A的
18、特征值,当122,12()()1ff,当37时,3()2269f,则4232AAAI的特征值为 1,1,2269,对应的特征向量为1,2,3. 3.2 n阶矩阵的高次幂求解。当 n 阶矩阵A可对角化时 ,即矩阵A可与对角矩阵相似时,计算其高次幂kA有简便的方法,当 n 阶矩阵A满足下面的三个条件之一,即可对角化,即:1APP1) n阶矩阵A有 n个线性无关的特征向量;2) n阶矩阵A有 n个互不相等的特征值;3)A为实对称矩阵对于1APP,12,nPXXX是由A的 n个线性无关的特征向量组名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -
19、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页,共 30 页 - - - - - - - - - 12 成的矩阵12,ndiag是A的 n 个特征值组成的对角阵那么有11111()()()()kkAPPPPPP PPPP=1kPP其中12,kkkkndiag,故112,kkkkndiagAPP例133313331A,求kA(其中k为正整数)分析 一般说,若直接计算25,,AA再按归纳法寻求规律求kA是困难的,但这里因为A为实对称矩阵 ,故可对角化 ,可按上面讨论的方法求之 . 解因为AA,所以矩阵A为实对称矩阵 ,故A可对角化为,由例 2知:矩阵A的 3 个特征值为1232,7
20、,其对应的特征向量为123,,故对角阵( 2, 2,7)diag. 123101,011111P,121111213111P, 1(2 ,2 , 7 )d i a gPA P,那么有1APP,则1101( 2)0021110110( 2)01213111007111kkkkkAPP2 (2 )7(2 )7(2 )71(2 )72 (2 )7(2 )73(2 )7(2 )72 (2 )7kkkkkkkkkkkkkkkkkk3.3 矩阵特征值反问题的求解矩阵特征值反问题的求解2,即根据矩阵特征值和特征向量的信息来决定矩阵中的元素 .当矩阵A有 n个互不相等的特征值时 ,A必有 n 个线性无关的特征
21、向量 ,那么矩阵A必可对角化 ,故1APP.其中相似变换矩阵P由A的n 个线性无关的特征向量组成. 例已知A的 3 个特征值为1232,1,2,对应的特征向量分别名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页,共 30 页 - - - - - - - - - 13 是1( 1,1,0)X,2(0,1, 2)X,3(0,1,1)X,求A. 分析 此题给出了矩阵的3 个互不相等的特征值及对应的特征向量,那么矩阵可对角化 ,显然是矩阵特征值的反问题,可按上面讨论的方法求解 . 解
22、由于(1,2,3)iiX是方阵A对应于特征值(1,2,3)ii的特征向量,于是有:iiAXX,令1231,XXXP,那么113P, 则有1PA P, 其中, 所以113APP124 结语通过以上例题求解方法可以看出,用行列互逆变换法 ,求特征值和特征向量简捷实用 ,能收到事半功倍的效果。矩阵的特征值和特征向量有许多具体应用,依据上面讨论的 ,可以方便的求得n阶矩阵A逆矩阵 ,伴随矩阵 ,及A的多项式的特征值和特征向量 ,并可以巧妙的求出A的高次幂 ,关于特征值的反问题,本文仅做了初步探讨 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -
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