定义6设A是n阶矩阵
如果数λ和n维非零列向量x使关系式Ax=λx 成立,
那么 , 这样的数λ称为矩阵A的特征值,
非零向量x称为矩阵A的对应于特征值λ的特征向量。
Ax=λx也可写成(A-λE)x=0 , 这是n个未知数n个方程的齐次线性方程组。
它有非零解的充分必要条件是系数行列式|A-λE|=0
即=0
上式是以λ为未知数的一元n次方程 , 称为矩阵A的特征方程
其左端|A-λE|是λ的n次多项式 , 记作f(λ) , 称为矩阵A的特征多项式
显然 , A的特征值就是特征方程的解
特征方程在复数范围内恒有解 , 其个数为方程的次数(重根按重数计算)
因此 , n阶矩阵A在复数范围内有n个特征值
设n阶矩阵A=(aij)的特征值为λ1 , λ2 ,
⋯ , λn ,则
矩阵A的特征值之和等于矩阵A的迹。即λ1 + λ2 + ⋯ +
λn=a11+a22+⋯+ann
矩阵A的特征值之积等于矩阵A的行列式。即λ1λ2 ⋯
λn=|A|
证明:通过特征多项式展开和因式分解对比系数方法完成,
证明n=2时的情况:
对于
2阶矩阵
其特征多项式为
展开得:
设两个特征值为
与
,则特征多项式可写成:
因为二阶多项式
的两个根
有关系式:
所以比较系数得:
由λ1λ2 ⋯ λn=|A|可知,
矩阵A可逆的充分必要条件是矩阵所有特征值均不为零。
设λ= λi为矩阵A的一个特征值 ,
则由方程(A-λiE)x=0
可求得非零解x=pi ,
那么pi就是矩阵A的对应于特征值λi的特征向量
(若λi为实数 , 则pi可取实向量 ;
若λi为复数 , 则pi为复向量)
例5求矩阵A=的特征值和特征向量
解:
本题可先根据特征方程|A-λE|=0求出矩阵A的特征值,
再针对每个特征值求出对应的特征向量。
步骤一:求矩阵A的特征值
已知矩阵A=,E为二阶单位矩阵。
A-λE=
|A-λE|=(3-λ)(3-λ)-(-1)×(-1)=λ2-6λ+8
=(λ-2)(λ-4)=0,
解得λ1=2,λ2=4,所以矩阵A的特征值为2和4。
步骤二:求矩阵A的特征向量
求对应特征值λ1=2的特征向量:
将λ1=2代入(A-λE)x=0,得到(A-2E)x=0,其中x=,
此时A-2E==,则方程组(A-2E)x=0可化为
同解方程组:
得参数形式:
(x2可任意取值)
得参数形式:
(其中x2=c )
得齐次通解:== (c为任意实数)
所以对应特征值λ1=2的特征向量为c(c为任意非零常数)。
求对应特征值λ2=4的特征向量:
将λ2=4代入(A-λE)x=0,得到(A-4E)x=0。
此时A-4E==,则方程组(A-4E)x=0可化为
同解方程组:
得参数形式:
(x2可任意取值)
得参数形式:
(其中x2=c )
得齐次通解:== (c为任意实数)
所以对应特征值λ2=4的特征向量为(c为任意非零常数)。
例6求矩阵A=的特征值和特征向量
解:
本题可先根据特征方程|A-λE|=0求出矩阵A的特征值,
再针对每个特征值求出对应的特征向量。
步骤一:求矩阵A的特征值
已知矩阵A=,E为三阶单位矩阵。
A-λE=
=(2-λ)(λ-1)2=0,
解得λ1=2,λ2=λ3=1(λ=1是二重特征值)。
步骤二:求矩阵A的特征向量
求对应特征值λ1=2的特征向量:
将λ1=2代入(A-λE)x=0,得到(A-2E)x=0,其中x=
此时A-2E=
对A-2E进行初等行变换得:
(A-2E)x=0对应的齐次线性方程组为
得参数形式:
(其中x3=c)
得齐次通解:== (c为任意实数)
解得x1=0, x2=0,
x3为任意非零常数。
令x3=c(c≠0),则对应特征值λ1=2的特征向量为c,c为任意非零常数。
求对应特征值λ2=λ3=1的特征向量:
将λ=1代入(A-λE)x=0,得到(A-E)x=0,其中x=
此时A-E=。
对A-E进行初等行变换得:。
(A-E)x=0对应的齐次线性方程组为,
得参数形式: (x3
可任意取值)
得参数形式:
(其中x3=c)
得齐次通解:== (c为任意实数)
令x3=c(c≠0),则x1=-c, x2=-2c。
所以对应特征值λ=1的特征向量为c,c为任意非零常数。
综上,矩阵A的特征值为λ1=2,λ2=λ3=1;
对应特征值2的特征向量为c(c为非零常数),
对应特征值1的特征向量为
c(c为非零常数)。
例7,设λ是方阵A的特征值,试证明
(1)λ2是A2的特征值
(2)当A可逆时,是A-1的特征值
证:
(1)证明是的特征值
由,两边左乘:
所以
因为,这说明是的一个特征值(对应特征向量)。
(2)当可逆时,证明是的特征值
要证明当方阵可逆时,其特征值的倒数是的特征值,
可依据特征值与特征向量的定义及可逆矩阵的性质逐步推导,
具体步骤如下:
1.回顾核心定义
特征值与特征向量的定义为:
若是方阵的特征值,则存在非零向量(对应的特征向量),满足:。
2.利用矩阵可逆的性质
已知可逆,根据可逆矩阵的性质,有两个关键结论:
一是的行列式;
二是存在逆矩阵,且满足(为单位矩阵)。
同时,由于等于所有特征值的乘积,且,
因此的特征值,这保证了是有意义的。
3.等式两侧左乘逆矩阵
对特征值定义式的两侧同时左乘,得到:。
根据矩阵乘法的结合律,
左侧可化简为:。
右侧利用数乘的交换律,是常数,可提到矩阵乘法外侧:。
4.整理得出结论
结合上述化简结果,有:。
由于,两侧同时除以,可得:。
对照特征值的定义,非零向量满足,
因此是的特征值,且对应的特征向量与在中的特征向量相同。
综上,当可逆时,是的特征值,命题得证。
按此例类推,可以证明:
若λ是A的特征值,λk则是Ak的特征值,φ(λ)是φ(A)的特征值
(其中φ(λ)=a0+a1λ+⋯+amλm是λ的多项式
φ(A)=a0E+a1A+⋯+amAm是矩阵A的多项式)
这是特征值的一个重要性质
例8
设3阶矩阵的特征值为,求的特征值。
解:
解题思路
要求的特征值,
需结合伴随矩阵与原矩阵的特征值关系、数乘/单位矩阵的特征值性质
以及矩阵和的特征值性质求解:
1.若阶可逆矩阵的特征值为,则其伴随矩阵的特征值为;
2.若的特征值为,数乘矩阵的特征值为,单位矩阵的特征值恒为,
故常数矩阵的特征值为;
3.若同阶矩阵对应同一特征向量的特征值分别为,
则的特征值为。
步骤1:计算矩阵的行列式
阶矩阵的行列式等于其所有特征值的乘积,
已知的特征值为,
因此:
步骤2:推导的特征值公式并计算
设的任意特征值为,对应的特征值为。
由上述特征值性质,的特征值为,的特征值为,的特征值为,
结合矩阵和的特征值性质,可得的特征值公式:
将代入公式,再分别将的三个特征值代入计算:
1.当时:
2.当时:
3.当时:
最终结论矩阵的特征值为。
定理2设λ1 , λ2 , ⋯ ,
λm是方阵A的m个特征值
p1 , p2 , ⋯ ,
pm依次是与之对应的特征向量
如果λ1 , λ2 , ⋯ , λm各不相等 ,
则p1 , p2 , ⋯ , pm线性无关
证明(数学归纳法):
1. 当
单个非零特征向量
显然线性无关
(因为特征向量定义中
)。
2. 假设对
成立
即:若
互不相同,且
是相应的特征向量,
则它们线性无关。
3. 考虑
设有线性关系:
(1)
我们要证明
。
第一步:用
作用于 (1)
式:
即
(2)
第二步:用
乘 (1)
式:
(3)
第三步:(2) 式减去 (3) 式:
这里
项消掉了。
第四步:由归纳假设,
线性无关,
所以
因为
(互不相同),所以
第五步:代回 (1)
式:,而
,所以
。
于是所有系数为零,故
线性无关。
4. 由归纳法,对任意
结论成立。
推论 设λ₁和λ₂是方阵A的两个不同特征值,
{ξ₁,⋯,ξₛ}和{η₁,⋯,ηₜ}分别是对应于λ₁和λ₂的线性无关的特征向量组,
则向量组{ξ₁,⋯,ξₛ,η₁,⋯,ηₜ}线性无关
证明:设存在系数
使得
记
则
式变为
第一步:用
作用在
上。
因为
。
因为
,所以
而
所以
又因为
,代入得
第二步:比较
的两种表达式。
有即
因为
,所以,即
由于
线性无关,得
第三步:由
和
得
。
即
由于
线性无关,得
结论:所有系数
都为
0,所以线性无关。
上述推论表明:
对应于两个不同特征值的线性无关的特征向量组,合起来仍是线性无关的
这一结论对m(⩾2)个特征值的情形也成立
例9设λ1和λ2是矩阵A的两个不同的特征值
对应的特征向量依次为p1和p2,试证明p1+p2不是A的特征向量
证明:用反证法
假设是的特征向量,
则存在某个使得
得
得
得
因为λ1和λ2是矩阵A的两个不同的特征值
所以线性无关,得
即,于是,
与已知矛盾。
因此假设不成立,不可能是的特征向量。