特征值与特征向量基础

1 基础知识

定义

设 n 阶方阵 An×n,如果有向量 αn×1≠0 使得

Aα=λα

则称 λ 为 A 的一个特征值,α 是 λ 对应的一个特征向量

求特征值与特征向量的方法

基准:(A−λE)α=0
也可以写成:(λE−A)α=0

  1. 由行列式 |λE−A|=0,解出 λ1,λ2,⋯,λn,算上重根一共有 n 个特征值
  2. 代入 λi,解方程组 (λiE−A)x=0,其所有的非零解即为特征向量(一般取基础解系)
    • 三角阵、对角阵的特征值为其对角线上的元素
    • O 矩阵的特征值全为 0,特征向量为所有非零向量

3阶矩阵快速求特征值

  1. r(A)=1,即 A=αβT 时
    矩阵 A 有两个特征值为 0,剩下一个 λ=tr(A)=αTβ=βTα
多项式矩阵

  • 有时类似 A+E 这样的矩阵才能凑出 r(A+E)=1,可以算 A+E 的特征值,再 -1 得 A 的特征值

  1. r(A)=2,代公式
    由三阶方阵的性质 |λE−A|=λ3−(a11+a22+a33)λ2+(A11+A22+A33)λ−|A| ,且由于 r(A)=2<3,会有一个特征值为 0,且 |A|=0
    故有:

    λ3−(a11+a22+a33)λ2+(M11+M22+M33)λ=0

    系数分别是 A 的一阶主子式(主对角线元素)之和,与二阶主子式之和

    • 代入方程求出 3 个特征值即可
  2. r(A)=3,“转圈化简法”
    特征值与特征向量基础-1782567045702.webp


2 性质

矩阵 A kA+E A+kE A−1 A∗ An P−1AP f(A)
特征值 λ kλ+1 λ+k 1λ ∣A∣λ λn λ f(λ)
特征向量 α α α α α α P−1α α
背下来
  1. n 阶方阵 A 的特征值(算上重根)一共有 n 个,它们的和等于 A 的对角线元素之和,记作“迹” tr(A),所有特征值之积等于 |A|

    • ⚡ A 的所有特征值 λA≠0 ⇔ |A|≠0 ⇔ A 可逆 ⇔ r(A)=n
    • A 至少有一个特征值 λA=0 ⇔ |A|=0 ⇔ A 不可逆 ⇔ r(A)<n
  2. n 阶方阵 A,若 Aα=λα(α≠0),则必有多项式矩阵=特征值矩阵 f(A)α=f(λ)α
    即

    Aα=λα⇒ f(A)α=f(λ)α=(akλk+ak−1λk−1+⋯+a1λ+a0)α
    • 若 A 可逆,则有:Aα=λα ⇔ A−1α=1λα,f(A−1)α=f(λ−1)α
    • A 和其转置 AT 的特征值相同,特征向量不一定
    • 若 f(A)=O,则 f(λ)=0,可以计算出特征值可能的值,但不能确定重数(定义法可以)
  3. 设任意 k 重特征值对应的线性无关的特征向量个数为 N,则有:1≤N≤k

    • 1 重特征值可对应 1 个线性无关特征向量
    • 即对应的方程组 (λ1E−A)x=0 的基础解系由 1 个向量构成
  4. 不同特征值对应的特征向量之间线性无关

  5. 若 A,B 是同阶方阵,则 AB 与 BA 具有相同的特征值:λAB=λBA

结论性例题


3 题型/技巧

  1. 可以由 (Ak, α) 多项式直接列出 A 的特征值和特征向量:
    由 A3α+2A2α−3Aα=0 ,其中 α,Aα,A2α 线性无关,有(0E−A)(A2α+2Aα−3α)=0(1E−A)(A2α+3Aα)=0(−3E−A)(−A2α+Aα)=0α,Aα,A2α 线性无关,则后面的 3 个向量都不为 0,故它们都是 A 的特征向量,对应特征值也可以直接看出来
可以用因式分解的方法,把多项式变成个因式相乘
  • 如本题可以先分解成 A(A+3E)(A−E)α=0
  • 每次研究一个特征值,把其他项乘起来