一特征值与特征向量
一特征值与特征向量的概念
一特征值与特征向量的概念
特征值和特征向量是矩阵分析中非常重要的概念，它们是一种表示矩阵变换特性的方法。
特征值是指矩阵能量的极值，而特征向量则是指矩阵的解决方案。
特征值是一个实数，用来描述矩阵变换的行为。
对于方阵，特征值就是矩阵的特征根。
所有特征值都是矩阵A的根。
特征值定义了矩阵变换的属性，可以用来描述矩阵的秩和特征。
特征向量是矩阵分析的另一个重要概念，它是可以满足特征值方程的向量。
如果矩阵A的特征值是λ，那么特征向量就是向量x使A*x=λ*x 成立的向量x。
特征向量提供了实际的解决方案，可以用来求解矩阵上的最小值。
特征值和特征向量也常用于图像处理、信号处理等领域。
图像处理中特征值和特征向量可以用来识别对象，提取特征，从而更好地分析图像。
例如，在图像检索中，可以使用特征值和特征向量来提取有用的特征，然后将图像分解成不同的基础元素，并使用这些基础元素来识别目标对象。
特征值和特征向量还有助于改善信号处理中的信号品质。
特征值和特征向量可以用来分析信号的频率谱，以便更好地识别噪声和其他干扰。
另外，特征值和特征向量也用于凸优化问题的求解。
一特征值与特征向量
设 A Pnn , f ( ) E A 为A的特征多项式, 则
f ( A) An (a a a )An1 (1)n A E 0.
11
22
nn
证: 设 B( )是 E A 的伴随矩阵，则
零矩阵
B( )( E A) E A E f ( )E 又B( )的元素是 E A 的各个代数余子式，它们
a a ... a
11
12
1n
E A
a 21 ...
a ... 22 ...
a 2n
fA( )
a a ... a
n1
n2
nn
称为A的特征多项式.
（ fA( )是数域P上的一个n次多项式）
注：① 若矩阵A是线性变换 A 关于V的一组基的矩阵，
而0是 A 的一个特征值，则0是特征多项式 fA( ) 的根，即 f A(0 ) 0.
A
在基
1
,
2
,
3
下的矩阵是
1 2 2
A
2 2
1 2
2 1
,
求 A 特征值与特征向量.
解：A的特征多项式
1 2 2 E A 2 1 2 ( 1)2( 5)
2 2 1
故 A 的特征值为： 1 1（二重）, 2 5
把 1 代入齐次方程组 ( E A)X 0, 得
2 2
（1） kA (k P) 必有一个特征值为 k ;
（2） Am (m Z ) 必有一个特征值为 m ;
（3）A可逆时，A1必有一个特征值为 （4）A可逆时，A* 必有一个特征值为
1 ;
A
.
（5） f ( x) P[ x], 则 f ( A)必有一个特征值为 f ( ) .
特征值和特征向量的用用
[1. 特征的数学意义]我们先考察一种线性变化，例如x,y坐标系的椭圆方程可以写为x^2/a^2+y^2/b^2=1，那么坐标系关于原点做旋转以后，椭圆方程就要发生变换。
我们可以把原坐标系的(x,y)乘以一个矩阵，得到一个新的(x',y')的表示形式，写为算子的形式就是(x,y)*M=(x',y')。
这里的矩阵M代表一种线性变换：拉伸，平移，旋转。
那么，有没有什么样的线性变换b(b是一个向量)，使得变换后的结果，看起来和让(x,y)*b像是一个数b乘以了一个数字m*b? 换句话说，有没有这样的矢量b，使得矩阵A*b这样的线性变换相当于A在矢量b上面的投影m*b? 如果有，那么b就是A的一个特征向量，m 就是对应的一个特征值。
一个矩阵的特征向量可以有很多个。
特征值可以用特征方程求出，特征向量可以有特征值对应的方程组通解求出，反过来也一样。
例如，设A为3阶实对称矩阵，a1=(a,-a,1)T是Ax=0的解，a2=(a,1,-a)T是(A+E)x=0的解，a≠2,则常数a=? 因为a1=(a,-a,1)T是Ax=0的解,说明a1=(a,-a,1)T是A的属于0的特征向量，a2=(a,1,-a)T是(A+E)x=0的解，说明a2=(a,1,-a)T是A的属于-1的特征向量。
实对称矩阵属于不同特征值的特征向量式正交的，所以a^2-a-a=0,a≠2,所以a=0。
还是太抽象了，具体的说，求特征向量的关系，就是把矩阵A所代表的空间，进行正交分解，使得A的向量集合可以表示为每个向量a在各个特征向量上面的投影长度。
例如A是m*n的矩阵,n>m，那么特征向量就是m个(因为秩最大是m)，n个行向量在每个特征向量E上面有投影，其特征值v就是权重。
那么每个行向量现在就可以写为Vn=(E1*v1n,E2*v2n...Em*vmn)，矩阵变成了方阵。
如果矩阵的秩更小，矩阵的存储还可以压缩。
特征值与特征向量的求法总结
特征值与特征向量的求法总结特征值与特征向量是线性代数中的重要概念，广泛应用于各个领域的数学和工程问题中。
在本文中，我们将总结特征值与特征向量的求法，并介绍它们的应用。
一、特征值与特征向量的定义在矩阵理论中，给定一个n阶方阵A，如果存在一个非零向量x，使得Ax与x的线性关系为Ax=λx，其中λ为常数，则称λ为矩阵A的特征值，x为对应于特征值λ的特征向量。
二、特征值与特征向量的求法要求解矩阵A的特征值和特征向量，需要解决以下问题：1. 求解特征值：设特征值为λ，需要解决方程|A-λI|=0，其中I为单位矩阵。
这个方程称为特征方程，其解即为矩阵A的特征值。
2. 求解特征向量：已知特征值λ后，需要求解方程(A-λI)x=0的非零解，其中x为特征向量。
这个方程组称为特征方程组，其解即为矩阵A的特征向量。
特征值和特征向量的求解可以通过以下步骤进行：1. 求解特征值：解特征方程|A-λI|=0，得到特征值λ1, λ2, ..., λn。
2. 求解特征向量：将每个特征值代入方程组(A-λI)x=0，解得对应的特征向量x1, x2, ..., xn。
三、特征值与特征向量的应用特征值与特征向量在许多领域中都有重要的应用，下面我们介绍几个常见的应用场景：1. 特征值分解：特征值分解是将一个矩阵分解为特征值和特征向量的乘积的形式，常用于矩阵的对角化和求解矩阵的幂等问题。
2. 主成分分析：主成分分析是一种常用的数据降维技术，通过计算协方差矩阵的特征值和特征向量，将原始数据转换为新的特征空间，以实现数据的降维和特征提取。
3. 图像处理：特征值与特征向量在图像处理中有着广泛的应用，如图像压缩、图像去噪、图像特征提取等。
4. 控制系统分析：在控制系统中，特征值与特征向量可以用于分析系统的稳定性和响应特性，如振荡频率、阻尼比等。
5. 网络分析：特征值与特征向量在网络分析中有着重要的作用，例如用于社交网络中节点的中心性分析、网络的连通性分析等。
4-1 特征值与特征向量
kI A k A
k k -
A ③ 若Ａ可逆，则 是 A*的一个特征值； l
A A A A
A A A I
A I＝ A
A A A
A
Ａ可逆 0. 假设 ＝0， I - A =0 - A =0， 与Ａ可逆矛盾. 0 A \ 是 A* 的一个特征值； l
一特征值与特征向量的概念一特征值与特征向量的概念定义定义11a为n阶方阵如果存在数和n维非零向量使得则称为a的特征值称为a的对应于特征值的特征向量
一、特征值与特征向量的概念 定义1 Ａ为ｎ阶方阵，如果存在数λ和ｎ维非零 向量α，使得 A
则λ称为Ａ的特征值， 称为Ａ的对应于特征值 λ的特征向量． Ax y 线性变换 A
0， 是方程的非零解, I A 0.
特征值：方程 I A 0 的根. 特征向量： 齐次线性方程组 I A x 0 非零解向量.
定义2 称 I A 为Ａ的特征矩阵． a11 a12 a1n a21 a22 a2 n I A
1 例3 设矩阵 轾 - 1 0 犏 已知矩阵A有特征值1 1, 2 2, A= 犏 x 0 2 犏 犏 2 1 求x，及A的另一个特征值. 4 臌 3 3 x 2 解：1 2 3 1 x 1 1 - 1 0 123 A 2 x 0 = x + 2 23 x 2 4
1 2 n
n
I A 1 2 n
n 1
1 12 n
n
令 0, 0I A = A (-1)n A 1 12 n
特征值与特征向量
特征值与特征向量特征值与特征向量是线性代数中重要的概念，它们在矩阵理论和多个领域中都有广泛的应用。
特征值与特征向量的理解对于深入理解线性代数的基础及其应用具有重要的意义。
本文将简要介绍特征值与特征向量的概念、性质及其应用，并通过示例加深理解。
1. 概念特征值和特征向量是矩阵理论中一个重要的概念。
对于一个n阶矩阵A，如果存在一个非零向量x，使得Ax=kx，其中k为一个常数，那么k称为矩阵A的特征值，x称为对应于特征值k的特征向量。
特征值与特征向量总是成对出现的，一个特征向量对应一个特征值。
2. 性质（1）特征值是矩阵的本征性质，是一个与矩阵本身相关的特征。
（2）特征向量是矩阵A的一个零空间的非零向量，表示在矩阵A 的作用下，该向量只发生一个伸缩变换，方向不变。
（3）特征值和特征向量存在一定的关系，特征值为k的特征向量与特征值为-1/k的特征向量互为相反数。
（4）特征值的个数等于矩阵的秩，特征向量的个数与矩阵的阶数相同。
3. 应用特征值与特征向量在多个学科领域具有广泛的应用，以下列举几个常见的应用案例：（1）数据降维：在机器学习和数据挖掘中，通过对数据矩阵的特征值分解，可以实现数据的降维处理，减少冗余信息，提高计算效率。
（2）图像处理：图像处理中常常利用矩阵的特征值与特征向量进行图像的压缩、滤波、边缘检测等操作。
例如，利用特征值分解进行图像去噪处理。
（3）网络分析：在网络分析中，可以利用特征值与特征向量来研究网络结构的特征，如网络的连通性、中心性等。
（4）量子力学：量子力学中的波函数也可以通过特征值和特征向量的计算得到，从而得到物理系统的某些性质。
通过以上示例，我们可以看到特征值与特征向量在多个领域中的重要性。
对于线性代数的学习，深入理解特征值与特征向量的概念、性质及其应用，对于进一步的学术研究和应用都具有重要的意义。
总结：特征值与特征向量是矩阵理论中重要的概念，它们在多个学科领域中有广泛的应用。
特征值是矩阵的本征性质，特征向量表示在矩阵作用下只发生一个伸缩变换。
特征值和特征向量
特征值和特征向量首先，我们先来了解一下矩阵。
矩阵是由一个矩形的数组组成的，其中的每个元素都可以是实数或复数。
例如，3x3的矩阵可以写为：A=[abc][def][ghi]Av=λv那么v就是矩阵A的特征向量，λ就是矩阵A的特征值。
换句话说，特征向量在矩阵的变换下只发生拉伸或缩放，而不发生旋转或扭曲。
特征值表示特征向量被拉伸或缩放的比例。
det(A - λI) = 0其中，det表示矩阵的行列式，I是单位矩阵。
通过解特征方程，我们可以求得特征值λ。
然后，我们可以将每个特征值代入原方程Av =λv中，从而求得对应的特征向量v。
1.矩阵的对角化：特征值和特征向量可以帮助我们将一个复杂的矩阵对角化，即将矩阵表示为对角矩阵的形式。
对角化后的矩阵更容易进行计算和分析，也更便于推导矩阵的性质。
2.矩阵的相似性：如果一个方阵A和B有相同的特征值和特征向量，那么A和B是相似的。
相似的矩阵在一些数学和物理问题中具有相同的性质和行为，因此，通过特征值和特征向量可以判断矩阵的相似性。
3.矩阵的主成分分析（PCA）：主成分分析是一种常用的数据降维方法，它可以通过计算矩阵的特征值和特征向量，将高维数据降低到低维空间中。
通过PCA，我们可以找到数据中最重要的特征和主要方向，从而减少冗余信息。
4.矩阵的奇异值分解（SVD）：奇异值分解是矩阵分解的一种重要方法，它可以将一个任意形状的矩阵表示为三个矩阵的乘积。
在奇异值分解中，矩阵的特征值和特征向量扮演了重要的角色。
5.线性变换和矩阵的谱：特征值和特征向量可以帮助我们理解和描述线性变换和矩阵的谱。
谱是矩阵A的特征值的集合，它可以提供关于矩阵的一些性质信息，比如矩阵的正定性、对称性、收敛性等。
总结起来，特征值和特征向量是矩阵理论中非常重要的概念。
它们可以帮助我们理解和描述矩阵的性质和变换，以及在许多实际问题中的应用。
特征值和特征向量的计算和应用对于数学、物理、工程和计算机科学等领域都有重要意义。
特征值与特征向量的求解
特征值与特征向量的求解特征值和特征向量是线性代数中一对重要的概念，广泛应用于物理学、工程学和计算机科学等领域。
在本篇文章中，我们将深入探讨特征值和特征向量的定义、性质以及求解方法。
一、特征值与特征向量的定义在介绍特征值与特征向量的求解方法之前，我们先来了解它们的定义。
在一个n维向量空间V中，若存在一个n阶方阵A和一个非零向量X，使得下式成立：AX = λX其中，λ为标量，称为矩阵A的特征值；X为矩阵A的特征向量。
特征值与特征向量的求解方法有多种，下面将介绍其中两种常用的方法。
二、特征值与特征向量的求解方法1. 特征方程法特征方程法是求解特征值和特征向量的一种常用方法。
假设A是一个n阶方阵，我们的目标是求解它的特征值和特征向量。
首先，我们将上述特征方程AX = λX两边同时左乘一个单位矩阵I，得到：(A-λI)X = 0其中，I为n阶单位矩阵，0为n维零向量。
由于X为非零向量，所以矩阵(A-λI)必须是奇异矩阵，即其行列式为0：|A-λI| = 0这就是特征方程。
接下来，我们需要求解特征方程|A-λI| = 0的根λ，即矩阵A的特征值。
求解得到的特征值λ可以有重根。
然后，将每个特征值λ带入原特征方程(A-λI)X = 0，解得对应的特征向量X。
注意，对于每个不同的特征值，我们都可以对应多个特征向量。
通过特征方程法，我们可以求解出矩阵A的所有特征值和对应的特征向量。
2. 幂法幂法是求解矩阵特征值和特征向量的一种迭代方法，适用于大规模稀疏矩阵。
幂法的基本思想是：通过迭代将初始向量不断与矩阵A进行乘法运算，使得向量的模不断增大，趋向于对应最大特征值的特征向量。
具体做法是：1) 先选择一个非零向量X0作为初始向量。
2) 迭代计算X(k+1) = AX(k)，其中k表示迭代次数。
3) 归一化向量X(k+1)，即X(k+1) = X(k+1) / ||X(k+1)||，其中||X(k+1)||表示向量X(k+1)的模。
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§7.4 特征值与特征向量 一、特征值与特征向量 二、特征值与特征向量的求法 三、特征子空间 四、特征多项式的有关性质
引入
有限维线性空间V中取定一组基后，V的任一线性 变换都可以用矩阵来表示. 为了研究线性变换性质， 希望这个矩阵越简单越好，如对角矩阵.
从本节开始，我们主要讨论，如何选择一组适当 的基，使V的某个线性变换在这组基下的矩阵就是 一个对角矩阵?
( E A)X 0
并求出它的一组基础解系.(它们就是属于这个特征值
的全部线性无关的特征向量在基 , , 12
,下n 的坐标.)
如果特征值 0 对应方程组的基础解系为：
(c11,c12 , , c1n ),(c21, c22 , , c2n ), ,(cr1, cr2 , , crn )
n
则 i cij j , i 1, 2, , r
二、特征值与特征向量的求法
分析： 设 dimV n, 1, 2, , n 是V的一组基，
线性变换 A 在这组基下的矩阵为A.
设 0是 A 的特征值，它的一个特征向量 在基
1,2,
, n 下的坐标记为
x01 , x0n
则 A( )在基 1, 2 ,
, n下的坐标为
x01 A ,
x0n
（ fA( )是数域P上的一个n次多项式）
注：① 若矩阵A是线性变换 A 关于V的一组基的矩阵，
而0是 A 的一个特征值，则0是特征多项式 fA( ) 的根，即 f A(0 ) 0.
反之，若0 是A的特征多项式的根，则0 就是 A
的一个特征值. （所以，特征值也称特征根.） ② 矩阵A的特征多项式的根有时也称为A的特征值,
3 1 2 3
而属于5的全部特征向量为
k33 , (k3 P, k3 0 )
三、特征子空间
定义：设A 为n维线性空间V的线性变换，0 为 A
的一个特征值，令 V0为 A 的属于0 的全部特征向量
再添上零向量所成的集合，即 V0
A 0
则 V0是V的一个子空间, 称之为 A 的一个特征子空间.
1 1 3, 2 2 3
而属于1 的全部特征向量为
k11 k22 , (k1, k2 P 不全为零 )
把 5 代入齐次方程组 ( E A)X 0, 得
4x 2x 2x
1
2
3
2x 4x 2x
1
2
3
0 0
2
x 1
2x 2
4x 3
0
解得它的一个基础解系为： (1,1,1)
因此，属于5的一个线性无关的特征向量为
j1
就是属于这个特征值 0 的全部线性无关的特征向量.
而 k11 k22 krr ,
（其中， k1, k2 , , kr P 不全为零）
就是 A 的属于 0 的全部特征向量.
例1.在线性空间V中，数乘变换K在任意一组基下
的矩阵都是数量矩阵kE，它的特征多项式是
E kE ( k)n .
所以它的系数行列式 0E A 0.
以上分析说明：
若0是 A 的特征值，则 0E A 0.
反之，若 0 P 满足 0E A 0,
则齐次线性方程组 (0E A)X 0 有非零解.
若 ( x01, x02 ,
,
x0n )是
( E 0
A) X
0
一个非零解，
则向量 x 01 1
x 0n n
② 若 是 A的属于特征值 0的特征向量，则 k (k P,k 0) 也是 A 的属于0 的特征向量.
A(k ) k A( ) k(0 ) 0(k )
由此知，特征向量不是被特征值所唯一确定的， 但是特征值却是被特征向量所唯一确定的，即
若 A( ) 且 A( ) ，则 .
A( ) A( ) A( ) 0 0 0( ) A(k ) k A( ) k(0 ) 0(k ) V0 , k V0
注：
就是 A 的属于 0的一个
特征向量.
1. 特征多项式的定义
设 A Pnn , 是一个文字，矩阵 E A 称为
A的特征矩阵，它的行列式
a a ... a
11
12
1n
E A
a 21 ...
a ... 22 ...
a 2n
fA( )
a a ... a
n1
n2
nn
称为A的特征多项式.
故数乘法变换K的特征值只有数k，且
对 V ( 0), 皆有 K ( ) k .
所以，V中任一非零向量皆为数乘变换K的特征向量.
例2.设线性变换
A
在基
1
,
2
,
3
下的矩阵是
1 2 2
A
2 2
1 2
2 1
,
求 A 特征值与特征向量.
解：A的特征多项式
1 2 2 E A 2 1 2 ( 1)2( 5)
而相应的线性方程组 ( E A)X 0 的非零解也就
称为A的属于这个特征值的特征向量.
2. 求特征值与特征向量的一般步骤
i) 在V中任取一组基 1 , 2 , , n ,写出 A 在这组基下
的矩阵A .
ii) 求A的特征多项式 E A 在P上的全部根它们
就是 A 的全部特征值.
iii) 把所求得的特征值逐个代入方程组
一、特征值与特征向量
定义：设 A 是数域P上线性空间V的一个线性变换，
若对于P中的一个数 0 , 存在一个V的非零向量 ,
使得
A( ) 0 ,
则称 0为A的一个特征值，称 为 A 的属于特征值
0 的特征向量.
注：① 几何意义：特征向量经线性变换后方向保持
相同 (0 0)或相反 (0 0). 0 0 时 , A( ) 0.
x01
而0
的坐标是
0
, x0n
又 A( ) 0
x01 x01
于是 A ,
x0n 0 x0n
x01
从而 ( E A) 0.
0
x0n
x01
即
x0n
是线性方程组
(0 E
A) X
0Hale Waihona Puke 的解，x01 又
0,
x0n
0,
∴
(0 E
A) X
0 有非零解.
2 2 1
故 A 的特征值为： 1 1（二重）, 2 5
把 1 代入齐次方程组 ( E A)X 0, 得
2 2
x 1
x 1
2x 2
2x 2
2x 3
2x 3
0 0
2
x 1
2x 2
2x 3
0
即
x x x 0
1
2
3
它的一个基础解系为：(1,0,1), (0,1,1)
因此，属于1 的两个线性无关的特征向量为