2方程的特征值与特征向量
特征值与特征向量的求解方式
特征值与特征向量的求解方式在线性代数中，特征值与特征向量是重要的概念。
它们的求解在机器学习、图像处理、物理学等诸多领域中具有重要的应用。
本文将介绍特征值与特征向量的概念和求解方式。
一、特征值与特征向量的定义给定一个n阶方阵A，如果存在非零向量x，使得Ax=kx，其中k是一个常数，那么 k 称为矩阵A的特征值，x称为特征值k对应的特征向量。
特别的，当 k=0 时，x称为矩阵A的零向量。
特征值与特征向量有以下重要性质：1. 一个n阶方阵最多有n个不同的特征值。
2. 若A为实对称矩阵，则其特征向量对应的特征值均为实数。
3. 若A为正定矩阵，则其特征值均为正数。
4. 若A可逆，则其特征值均非零。
特征向量的长度一般不为1，我们可以将其归一化得到单位向量，使得 Ax=kx 中的特征向量x满足 ||x||=1。
二、1.利用特征多项式对 n 阶矩阵 A，设λ 为其特征值，用 |A-λI| =0 表示，其中 I 为n 阶单位矩阵。
化简方程，即得到 A 的特征值λ 的解析式。
求得λ 后，代入 (A-λI)x=0，可以得到对应的特征向量 x。
举个例子，对于矩阵 A=[1 2;2 1]，我们有| A-λI |= | 1-λ 2; 2 1-λ| = (1-λ)^2 -4 = 0解得λ1=3, λ2=-1。
将λ1,λ2 代入 (A-λI)x=0 中分别求解，即可得到 A 的两个特征向量。
该方法简单易懂，但对于高阶矩阵，求解特征多项式需要高代数计算，计算复杂度较高。
2.利用幂法幂法是求最大特征值与对应特征向量的较为有效的方法。
该方法基于一下简单事实：给定一个向量 x，令 A 去作用若干次，Ax,A^2x,A^3x,...,A^nx，它们的向量长度将快速增长或快速衰减，且它们的比值趋于最大特征对应的幂指数。
假设 A 有一个不为零的特征向量 x，它对应的特征值为λ1，即Ax=λ1x。
那么，A^mx = A^mx/λ1^m λ1x当 m 充分大时， A^mx 与λ1^mx 相比变化就很小了。
特征值和特征向量
练习
3. 已知 A的特征值 为
(1)求AT、aA（a为任意实数A（ ） k k为 、正整数）的特 (2设 ) A可逆，A求 1的特征值。
4.试证 A有特征值零的充分 条必 件要 是 A0.
§4.2 相似矩阵与矩阵 可对角化的条件
1. 相似矩阵概念 2. 相似矩阵基本性质 3. 方阵的对角化含义 4. 矩阵可对角化的条件
特征值和特征向量
§4.1 矩阵的特征值 和特征向量
1. 特征值与特征向量定义 2. 相关概念 3.两个有用公式
(特征方程根与系数的关系) 4.特征值与特征向量求法 5.特征值与特征向量的性质
1. 特征值与特征向量定义
定义4.1
设A为n阶方阵, 若存在常数
及非零向量
,使A成立 ,则称 为方A的 阵特征 , 值
而
A2, 故x=0,y=1.
课堂练习
设矩A阵 12
2 x
24与B5
y
4 2 1
4
相似 ,求x,y.
3.方阵的对角化含义
所谓方阵
A 可以对角化,
是指 A与对角阵
Λ相似.
即存在可逆矩阵
P , 使 P1AP成立.
4.
矩阵可对角化的条件
定理(充要条件)
n阶方阵
个线性无关的特征向量.
可对角化
A
A 有 n
A A O (EA)O
推论1、2（P159） 若α1，α2是A属于λ0的特征向量，则c1α1+ c2α2也是A属于λ0的特征向量。
3.两个有用公式(特征方程根与系数的关系)
设 n阶方 A 的 阵 特征 1,2,值 ,n为 ,
则 (1 1 )2 na1 1a2 2 an;n
特征值与特征向量二次型
,n
第五步
得到正交变换X=TY
T =(1 ,2 ,
,n )
正定二次型
定义 设有实二次型 f ( x ) x T Ax, 如果对任何x 0,
都有f ( x ) 0(显然f (0) 0), 则称f为正定二次型 , 并 称对称矩阵A是正定的; 如果对任何x 0, 都有f ( x ) 0, 则称f为负定二次型 , 并称对称矩阵 A是负定的.
i , j 1
例1 设A是3阶矩阵, 它的3个特征值为 1 1, 2 1, 3 2, 设B A 3 5 A 2 , 求 B ; A 5 E . 解 利用 A 1 2 n来计算 A .
, 令f ( x ) x3 5 x2 , 因为 1 , 2 , 3 是A的全部特征值 所以f ( i)(1 i 3)是f ( A) A3 5 A2 B的全部特征值故 . B f ( A) f ( 1) f ( 2 ) f ( 3 ) ( 4)( 6)( 12) 288.
定义
求 法
定义 特征值 特征多项式 特征向量 不同特征值的特征向量线性无关 k重特征值至多有k个线性无关的特征向量
特 征 值
性 质
(1) 1 2 n a11 a22 ann ;
( 2) 12 n A .
概念 矩阵对角化 应用
相 似 实对称阵隐含的信息
( 2) 12 n A .
显然，如果矩阵A可逆，则A的特征值不等于0.
3. 设 是A (a ij ) nn的特征值, 则 (1)也是 AT的特征值; (2) k是 Ak的特征值( k 为任意自然数); ( )是
( A)的特征值.其中 ( ) a 0 a1 ( A) a 0E a1A a m Am.
两个相同特征值对应的特征向量
两个相同特征值对应的特征向量概述及解释说明1. 引言1.1 概述在线性代数和矩阵理论中，特征值和特征向量是重要的概念。
简而言之，给定一个n x n的矩阵A，如果存在一个非零向量v和一个标量λ，使得Av = λv成立，那么v就是A的特征向量，λ就是特征向量对应的特征值。
研究特征值和特征向量对于理解矩阵的性质、解决线性方程组以及许多其他计算问题具有重要意义。
1.2 文章结构本文将围绕两个相同特征值对应的特征向量展开讨论。
首先，在“2. 两个相同特征值对应的特征向量概述”部分，我们将介绍特征值和特征向量的定义，并探讨为何会存在相同的特征值。
接着，在“3. 解释说明两个相同特征值对应的特征向量可能性”部分，我们将深入探讨这种情况下的可能性和解释。
最后，在“4. 结论”部分，我们将总结已有研究成果，并展望未来可能的研究方向和应用前景。
1.3 目的本文旨在介绍和解释具有相同特征值的两个特征向量的问题，并探讨其在实际应用场景中的意义。
通过对该问题进行深入研究和分析，我们希望能够增进对特征值和特征向量概念的理解，并为相关领域的学术研究提供新的思路和启发。
2. 两个相同特征值对应的特征向量概述：2.1 特征值和特征向量的定义在线性代数中，矩阵A的一个特征向量是指一个非零向量v，使得矩阵A与向量v的乘积相当于将向量v进行线性拉伸。
具体而言，特征向量v在矩阵A作用下只发生拉伸，并不改变它的方向。
相应地，特征值是与特征向量相关联的常数λ，表示该特征向量所发生的缩放比例。
即，在矩阵A作用下，特征向量v乘以常数λ后等于矩阵A和特征向量v 的乘积。
2.2 相同特征值存在的情况当一个方阵拥有两个或多个相同的特征值时，我们称之为有重复（重根）特征值。
这种情况经常发生，在实际问题中也是非常常见的。
对于每个重复的特征值，可以找到多个线性无关的解（即不同的特征向量），但它们共享相同的特征值。
2.3 同一特征值对应的特征向量可能性及解释说明在拥有重复特征值的情况下，特征向量可以存在不同的可能性。
方程的特征值与特征向量
a1n x1 0 a2 n x2 0 ann xn 0
矩阵的特征方程和特征多项式
E A 0
E A
A的特征方程
A的特征多项式
特征值是特征方程或特征多项式的根
x1 x2
对应的特征向量可取为
是对应于 1的全部特征向量； k （ ） 1 k 0
1 2 1
k （ ） 是对应于 2的全部特征向量. 2 k 0
2 1 1 例 求矩阵的特征值和特征向量 A 0 2 0 4 1 3
例
2 1 1 A 4 0 2 3 2 4
1 1 2 1
2 2 1 3
试确定 1，2 是否为A的特征向量。
解
2 1 1 1 3 1 A1 4 0 2 2 6 3 2 31 3 2 4 1 1 3
A 123 1 2 3 6
A2 A E
2
的特征值依次为
2
1 1 1 3, 2 2 1 7,
A2 A E 3 7 13 273
3 3 1 13
2
2 1 例 已知 B A 3A 2 A E ，其中 A ， 1 2 试求B的特征值和 B 2 1 0 解 求解矩阵A的特征方程 1 2
（1）如果A可逆， 是A的特征值，则 A* 的特征值
是
A
。
（2）如果 是A的特征值，则 A kE 的特征值 是
k
。
设 A 是一个三阶矩阵，1，2，3是它的三个特征值，试求 （1） 方阵A的迹 （2）
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。
特征值与特征向量
由归纳假设可知x1 , x2 , , xr 线性无关,因此 ki (r 1 i ) 0, i 1, 2, , r , 又r 1 i 0, i 1, 2, , r 从而ki 0, i 1, 2, , r , 代入(3)得从而k r 1 0. 即x1 , x2 , , xr , xr 1线性无关.
T
所以k1 p1 (k1 0)是对应于1 1的全部特征向量. 当2 3 2时, 解方程组(A 2 I ) x 0
线 性 代 数
得基础解系
p2 (1, 4, 0)T ,p3 (1, 0, 4)T
所以k2 p2 k3 p3 (k2 , k3不全为零)是对应于
2 3 2的全部特征向量.
m 0 m
线 性 代 数
(3) 若A可逆的, 则
| A|
1
0
为A*的一个特征值.
0
为A1的一个特征值,
证 由题意知 Ax 0 x (1) (kA) x k ( Ax) k (0 x) (k 0 )x, 即k 0是kA对应 于特征向量x的特征值.
(2) Am x Am1 ( Ax) 0 ( Am1 x) 0 Am2 ( Ax) 02 Am2 x 0m x 即0m是Am 对应于特征向量x的特征值.
由例题7的结论进一步还可得下面的结论: 若为n阶方阵A的特征值, 对任一个多项式,即f ( x) ai x i ,
i 0
= =
则f ( ) ai 为矩阵f ( A) ai Ai的特征值.
i i 0 i 0
m
m
例8 (1)设n阶方阵A满足A 2 A, 证明A的特征值为0或1; (2)设n阶方阵A为正交矩阵,证明 A的特征值为1或-1; (3)设n阶方阵A满足A k =0(k为某一正整数),证明 A的特征值全为0; 证 设为方阵A的任一特征值,则存在非零向量 x使 Ax x (1)由例题7可知,A2 x 2 x, 又A2 A, 故A2 x Ax x, 从而有
线性方程组的解法与矩阵的特征值与特征向量
线性方程组的解法与矩阵的特征值与特征向量线性方程组是数学中的重要概念，它描述了线性关系的一种形式。
解决线性方程组可以帮助我们理解和解决各种实际问题，并且在数学和工程等领域有着广泛的应用。
而矩阵的特征值与特征向量则是矩阵理论中的重要内容，它们与线性方程组之间有着密切的联系。
本文将介绍线性方程组的解法以及矩阵的特征值与特征向量的相关知识。
一、线性方程组的解法1.1. 高斯消元法高斯消元法是解决线性方程组的基本方法之一。
它通过消元操作将线性方程组化为最简形式，从而求出方程组的解。
具体步骤如下：步骤一：写出线性方程组的增广矩阵。
步骤二：利用初等行变换将增广矩阵化为阶梯形式。
步骤三：从最后一个非零行开始，利用回代法求解方程组的解。
1.2. 矩阵的逆另一种解决线性方程组的方法是使用矩阵的逆。
如果矩阵A可逆，那么我们可以通过左乘矩阵A的逆来求解线性方程组Ax=b，即x=A^(-1)b。
1.3. 克拉默法则克拉默法则是解决线性方程组的另一种方法。
它利用矩阵的行列式来求解方程组的解。
具体步骤如下：步骤一：计算系数矩阵A的行列式D。
步骤二：计算替换掉系数矩阵A的第i列为常数向量b后的行列式D_i。
步骤三：方程组的解为x_i=D_i/D。
二、矩阵的特征值与特征向量2.1. 特征值与特征向量的定义给定n阶矩阵A，如果存在非零向量x使得Ax=λx，其中λ为常数，那么向量x称为矩阵A的特征向量，常数λ称为矩阵A的特征值。
2.2. 特征值与特征向量的计算要计算矩阵A的特征值与特征向量，可以通过以下步骤进行：步骤一：求解矩阵A-λI的零空间，其中I为单位矩阵。
步骤二：将零空间中的向量标准化，得到单位特征向量。
步骤三：通过将特征向量代入矩阵A-λI的定义式，计算对应的特征值。
2.3. 特征值与特征向量的应用特征值与特征向量在矩阵理论中有着广泛的应用。
例如，它们可以用于矩阵的对角化，从而简化矩阵的计算；它们还可以用于解决微分方程和差分方程等应用问题。
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定义 称以λ为未知数的一元ｎ次方程 E A 0 为Ａ的特征方程．
定义 称以λ为变量的一元ｎ次多项式 f E A
为Ａ的特征多项式．
定理 设ｎ阶方阵 A aij 的特征值为 1,2 ,L ,n
则 (1) 12L n A ; (2) 1 2 L n a11 a22 L ann;
推论２ 则 1为 A的1 特征值． 推论３ 则 k为 kA的特征值． 推论４ 则 A 1为 A的特征值． 推论５ 则 m 为 Am的特征值． 特别 单位阵Ｅ的一个特征值为１．
三、应用举例
１、若λ＝２为可逆阵Ａ的特征值，则
1 3
A2
1
的一个特征值为（ ）
２、证ｎ阶方阵Ａ的满足 A2 A，则Ａ的特征值为
定理 若ｎ阶矩阵Ａ的任 ti 重特征值 i 对应的线性无
关的特征向量的个数不超过 ti ．
E A a21 a22 L
M
M
a1n a2n
M
an1 an2 L ann
它的展开式中，主对角线上元素的乘积
a11 a22 L ann
是其中的一项，由行列式的定义，展开式中的其它项至
多含ｎ－２个主对角线上的元素，因此，特征多项式中
含 n 与 n1的项只能在主对角线上元素的乘积项中．
夹角不变
一、特征值与特征向量的概念
定义 Ａ为ｎ阶方阵，λ为数， 为ｎ维非零向量，
若
A
（１）
则λ称为Ａ的特征值， 称为Ａ的特征向量．
注 ① 特征向量 0，特征值问题只针对与方阵；
② , 并不一定唯一；
③ ｎ阶方阵Ａ的特征值，就是使齐次线性方程组
E A x 0 有非零解的λ值，即满足 E A 0
课前复习 １、内积 ２、长度
３、夹角
４、正交
, T a1b1 a2b2 L anbn .
, a12 a22 L an2
cos , , arccos , ,0 .
, 0
５、施密特（Schmidt）正交化法
６、正交矩阵和正交变换
AT A E 即A1 AT , y Px 其中Ｐ为正交矩阵． 内积不变 正交变换的优良特性： 长度不变
证明① 当1,2 ,L ,n 是Ａ的特征值时，Ａ的特征多项
式可分解为 f E A 1 2 L n n 1 2 L n n1 L 1n 12L n
令 0, 得 A 1n 12L n
即 12L n A .
证明② 因为行列式
a11 a12 L
０或１．
３、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ阶方阵Ａ的三个特征值为１、２、０，则
2E 3A2 （ ）
４、求下列方阵的特征值与特征向量
2 1 1
A
0 4
2 1
0 3
3 1 1
B
7 6
5 6
1 2
四、特征向量的性质 定理 互异特征值对应的特征向量线性无关。 定理 互异特征值对应的各自线性无关的特征向量并
在一块，所得的向量组仍然线性无关。
故有 E A n a11 a22 L ann n1 L
比较①，有 1 2 L n a11 a22 L ann .
定义 方阵Ａ的主对角线上的元素之和称为方阵Ａ的迹.
记为 tr A aii i .
二、特征值和特征向量的性质
推论１ ｎ阶方阵Ａ可逆Ａ的ｎ个特征值全不为零. 若数λ为可逆阵的Ａ的特征值，