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SS,使得S1ASS^{-1}AS为对角矩阵,则称为矩阵AA是可对角化的(diagonalized)。

    • n×nn\times n矩阵有nn个线性无关的特征向量x1,...,xnx_1,...,x_n,令S=(x1,...,xn)S =(x_1,...,x_n),则:

      AS=A(x1,...,xn)=(λ1x1,...,λnxn)=(x1,...,xn)(λ1...λn)AS = A(x_1,...,x_n) = (\lambda _1 x_1,...,\lambda_n x_n ) = (x_1,...,x_n)\begin{pmatrix}\lambda_1 & & \\\\ & ... & \\\\ & & \lambda_n\end{pmatrix}

      AS=SΛS1AS=ΛAS = S\Lambda \Rightarrow S^{-1}AS = \Lambda A

  • 定义二:n×nn \times n矩阵AA可对角化的充要条件是AAnn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:λ1,..,λn\lambda_1,..,\lambda_n是矩阵AA的互异特征值,x1,...,xnx_1,...,x_n是相应的特征向量,则x1,...,xnx_1,...,x_n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:n×nn\times n矩阵有nn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。
  • nn阶矩阵AABB相似,则AABB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

  1. 定义:det(AλI)=(λ1λ)n1...(λkλ)nkdet(A - \lambda I) = (\lambda_1 - \lambda)^{n_1} ... (\lambda_k - \lambda)^{n_k},称nin_i为特征值λi\lambda _i的代数重数(algebraic multiplicity),记做AM(λi)=niAM(\lambda_i) = n_i,称dimN(AλiI)dimN(A-\lambda_iI)为特征值λi\lambda _i的几何重数(geometric multiplicity),记做GM(λi)=dimN(Aλ+iI)GM(\lambda_i) = dimN(A-\lambda+i I)

    • 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。
  2. 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。

  3. GM(λ)AM(λ)\boldsymbol {GM(\lambda) \le AM(\lambda)}

    • 由定理2,AA相似于上三角矩阵TT,则AATT有相同的特征值,且对于任意特征值λi\lambda _iGMA(λi)=GMT(λi)GM_A(\lambda_i) = GM_T(\lambda_i)

    • 因此,不妨设AA是上三角阵,即A=(a11...ann)A =\begin{pmatrix}a_{11} & & \\\\ & ... & \\\\ & & a_{nn}\end{pmatrix}

    • 因此AλiIA-\lambda _i I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r(AλiI)nAM(λi)r(A-\lambda _i I) \ge n - AM(\lambda_i)

    所以GM(λi)=nr(AλiI)AM(λi)GM(\lambda_i) = n - r(A - \lambda_i I) \le AM(\lambda_i)

  4. 若复方阵AA可对角化\Leftrightarrow 对任意特征值λi\lambda_iGM(λi)=AM(λi)GM(\lambda_i) = AM(\lambda_i)

    因为若GM(λi)=AM(λi)GM(\lambda_i) = AM(\lambda_i),则矩阵有nn个线性无关的特征向量。

矩阵对角化判断

  1. 求出矩阵的所有特征值。
  2. 对于每个特征值,计算特征向量,并检查r(AλiI)=nAM(λi)r(A-\lambda _i I) = n - AM(\lambda_i)是否成立。
  3. 若都成立,则计算特征向量(基础解系)。
  4. 最后将特征向量与特征值对应起来,就可以写出P1AP=ΛP^{-1}AP= \Lambda

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

  1. 可快速计算AkA^k

  2. 可计算Markov过程中的平稳分布π\pi

    • 可得到方程:πP=ππ1=1\pi P = \pi \quad \pi 1 = 1
  3. 计算Fibonacci数列。

  4. 差分方程uk+1=Auku_{k+1} = Au_{k}描述的离散动力系统的长期行为

    • AA可对角化,即存在可逆矩阵S=(x1,...,xn)S=(x_1,...,x_n),使得S1AS=ΛS^{-1 }A S = \Lambda

    • S1u0=(c1,...,cn)TS^{-1} u_0 = (c_1,...,c_n)^T,即u0=c1x1+...+cnxnu_0 = c_1x_1 + ... +c_nx_n

    • uk=Aku0=SΛkS1u0=c1λ1kx1+...+cnλnkxnu_k = A^ku_0 = S\Lambda ^kS^{-1}u_0 = c_1\lambda_1^kx_1 + ... + c_n\lambda_n^kx_n

    • 可以看出,uku_k的增长因子λik\lambda_i^k支配,因此系统的稳定性依赖于AA的特征值。

    当所有特征值λi<1|\lambda_i|<1时,是稳定的;

    当所有特征值λi1|\lambda_i|\le1时,是中性稳定的;

    当至少有一个特征值λi>1|\lambda_i|>1时,是不稳定的;

同时对角化

  1. 定理:AABB有相同的特征向量矩阵PP,使得P1AP=Λ1,P1BP=Λ2P^{-1}AP= \Lambda_1,P^{-1}BP= \Lambda _2,则AB=BAAB = BA
  2. 逆命题也成立:若AABB都可对角化,并且AB=BAAB = BA,则AABB可同时对角化。

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