本文主要讲矩阵对角化的证明及应用。
矩阵对角化条件
定义一:若存在可逆矩阵,使得为对角矩阵,则称为矩阵是可对角化的(diagonalized)。
设矩阵有个线性无关的特征向量,令,则:
A
定义二:矩阵可对角化的充要条件是有个线性无关的特征向量。
那么什么样的方阵有线性无关的特征向量呢?
定义三:是矩阵的互异特征值,是相应的特征向量,则线性无关。
- 可利用vandermonde行列式证明
- 可用反证法证明
- 同一个特征值对应的特征向量不一定都线性无关。
定义四:若矩阵有个互异的特征值,则矩阵可以对角化。
- 但若矩阵有相同的特征值,也可能可以对角化。
思考
矩阵可对角化和矩阵可逆有什么关系吗?
- 没有明显关系。
- 若矩阵可对角化,不一定可逆。
- 例如,全一矩阵(实对称矩阵)可对角化,但不可逆。因为特征值为0在可对角化中是允许的。
- 若矩阵可逆,不一定可对角化。
- 例如,将单位矩阵的任意非零元变为1,则依然可逆,但不可对角化。
若阶矩阵与相似,则与特征多项式相同。
- 相似矩阵特征值相同。
- 相似矩阵行列式相同。
- 具有相同的可逆性。
几何重数与代数重数
定义:设,称为特征值的代数重数(algebraic multiplicity),记做,称为特征值的几何重数(geometric multiplicity),记做。
- 从直观上看,代数重数就是对应的特征值的次数,几何重数是特征向量的维数,探究的就是特征值和特征向量之间的关系。
任意复方阵相似于上三角阵,且对角元为上三角矩阵的特征值。
由定理2,相似于上三角矩阵,则和有相同的特征值,且对于任意特征值,。
因此,不妨设是上三角阵,即。
因此为对角线上对应的特征值为0,但这一行不一定为0(最多矩阵的特征值少1),因此新的矩阵
所以。
若复方阵可对角化对任意特征值,。
因为若,则矩阵有个线性无关的特征向量。
矩阵对角化判断
- 求出矩阵的所有特征值。
- 对于每个特征值,计算特征向量,并检查是否成立。
- 若都成立,则计算特征向量(基础解系)。
- 最后将特征向量与特征值对应起来,就可以写出。
注意:使矩阵对角化的特征向量不是唯一的(可以乘上常数倍)。
矩阵对角化的应用
可快速计算。
可计算Markov过程中的平稳分布。
- 可得到方程:。
计算Fibonacci数列。
差分方程描述的离散动力系统的长期行为
设可对角化,即存在可逆矩阵,使得
设,即。
可以看出,的增长因子支配,因此系统的稳定性依赖于的特征值。
当所有特征值时,是稳定的;
当所有特征值时,是中性稳定的;
当至少有一个特征值时,是不稳定的;
同时对角化
- 定理:若、有相同的特征向量矩阵,使得,则。
- 逆命题也成立:若、都可对角化,并且,则、可同时对角化。