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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

|a11λa21an1a12a22λan2a1na2nannλ|\left| \begin{array}{r} \begin{matrix} a_{11} - \lambda \\ a_{21} \end{matrix} \\ \begin{matrix} \vdots \\ a_{n1} \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} a_{12} \\ a_{22} - \lambda \end{matrix} \\ \begin{matrix} \vdots \\ a_{n2} \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} \cdots \\ \cdots \end{matrix} \\ \begin{matrix} \\ \cdots \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} a_{1n} \\ a_{2n} \end{matrix} \\ \begin{matrix} \vdots \\ a_{nn} - \lambda \end{matrix} \end{array} \right|=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A=(a11a12a21a22)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{pmatrix}

其特征多项式为

P(λ)=det(AλI)=|a11λa12a21a22λ|=(a11λ)(a22λ)a12a21.P(\lambda) = det(A - \lambda I) = \left| \begin{matrix} a_{11} - \lambda & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} - \lambda \end{matrix} \right| = (a_{11} - \lambda)(a_{22} - \lambda) - a_{12}a_{21}.

展开得:P(λ)=a11a22a12a21(a11+a22)λ+λ2.P(\lambda) = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21} - (a_{11} + a_{22})\lambda + \lambda^{2}.

设两个特征值为 λ1\lambda_{1}λ2\lambda_{2},则特征多项式可写成:

P(λ)=λ2(a11+a22)λ+(a11a22a12a21).P(\lambda) = \lambda^{2} - (a_{11} + a_{22})\lambda + (a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}).

因为二阶多项式 λ2Sλ+P=0\lambda^{2} - S\lambda + P = 0 的两个根 λ1,λ2\lambda_{1},\lambda_{2}

有关系式:S=λ1+λ2,P=λ1λ2.S = \lambda_{1} + \lambda_{2},\quad P = \lambda_{1}\lambda_{2}.

所以比较系数得:λ1+λ2=a11+a22,λ1λ2=a11a22a12a21.\lambda_{1} + \lambda_{2} = a_{11} + a_{22}\ ,\ \ \lambda_{1}\lambda_{2} = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}.

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=[3113]\left\lbrack \begin{matrix} 3 \\ - 1 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} - 1 \\ 3 \end{matrix} \right\rbrack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=[3113]\begin{bmatrix} 3 & - 1 \\ - 1 & 3 \end{bmatrix},E为二阶单位矩阵[1001]\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}

A-λE=[3λ113λ]\begin{bmatrix} 3 - \lambda & - 1 \\ - 1 & 3 - \lambda \end{bmatrix}

|A-λE|=|3λ113λ|=\left| \begin{matrix} 3 - \lambda & - 1 \\ - 1 & 3 - \lambda \end{matrix} \right| =(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=[x1x2]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \end{bmatrix}

此时A-2E=[321132]\begin{bmatrix} 3 - 2 & - 1 \\ - 1 & 3 - 2 \end{bmatrix}=[1111]\begin{bmatrix} 1 & - 1 \\ - 1 & 1 \end{bmatrix},则方程组(A-2E)x=0可化为

同解方程组:{x1x2=0x1+x2=0\left\{ \begin{array}{r} x_{1} - x_{2} = 0 \\ - x_{1} + x_{2} = 0 \end{array} \right.\

得参数形式:{x1=x2x2=x1\left\{ \begin{array}{r} x_{1} = x_{2} \\ x_{2} = x_{1} \end{array} \right.\ (x2可任意取值)

得参数形式:{x1=cx2=c\left\{ \begin{matrix} x_{1} = c \\ x_{2} = c \end{matrix} \right.\ (其中x2=c )

得齐次通解:[x1x2]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \end{bmatrix}=[cc]\begin{bmatrix} c \\ c \end{bmatrix}=c[11]c\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix} (c为任意实数)

所以对应特征值λ1=2的特征向量为c[11]\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix}(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=[341134]\begin{bmatrix} 3 - 4 & - 1 \\ - 1 & 3 - 4 \end{bmatrix}=[1111]\begin{bmatrix} - 1 & - 1 \\ - 1 & - 1 \end{bmatrix},则方程组(A-4E)x=0可化为

同解方程组:{x1x2=0x1x2=0\left\{ \begin{matrix} - x_{1} - x_{2} = 0 \\ - x_{1} - x_{2} = 0 \end{matrix} \right.\

得参数形式:{x1=x2x2=x1\left\{ \begin{array}{r} x_{1} = - x_{2} \\ x_{2} = - x_{1} \end{array} \right.\ (x2可任意取值)

得参数形式:{x1=cx2=c\left\{ \begin{matrix} x_{1} = - c \\ x_{2} = c \end{matrix} \right.\ (其中x2=c )

得齐次通解:[x1x2]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \end{bmatrix}=[cc]\begin{bmatrix} - c \\ c \end{bmatrix}=c[11]c\begin{bmatrix} - 1 \\ 1 \end{bmatrix} (c为任意实数)

所以对应特征值λ2=4的特征向量为c[11]c\begin{bmatrix} - 1 \\ 1 \end{bmatrix}(c为任意非零常数)。

例6求矩阵A=[110430102]\begin{bmatrix} - 1 & 1 & 0 \\ - 4 & 3 & 0 \\ 1 & 0 & 2 \end{bmatrix}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=[110430102]\begin{bmatrix} - 1 & 1 & 0 \\ - 4 & 3 & 0 \\ 1 & 0 & 2 \end{bmatrix},E为三阶单位矩阵[100010001]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

A-λE=[1λ1043λ0102λ]\begin{bmatrix} - 1 - \lambda & 1 & 0 \\ - 4 & 3 - \lambda & 0 \\ 1 & 0 & 2 - \lambda \end{bmatrix}

|AλE|=|1λ1043λ0102λ||A - \lambda E| = \left| \begin{matrix} - 1 - \lambda & 1 & 0 \\ - 4 & 3 - \lambda & 0 \\ 1 & 0 & 2 - \lambda \end{matrix} \right|=(2-λ)(λ-1)2=0,

解得λ1=2,λ23=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=[x1x2x3]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \end{bmatrix}

此时A-2E=[121043201022]=[310410100]\begin{bmatrix} - 1 - 2 & 1 & 0 \\ - 4 & 3 - 2 & 0 \\ 1 & 0 & 2 - 2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} - 3 & 1 & 0 \\ - 4 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}

对A-2E进行初等行变换得:[100010000]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

(A-2E)x=0对应的齐次线性方程组为[100010000][x1x2x3]=[000]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \end{bmatrix} = \left\lbrack \begin{array}{r} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array} \right\rbrack

得参数形式:{x1=0x2=0x3=c\left\{ \begin{matrix} x_{1} = 0 \\ x_{2} = 0 \\ x_{3} = c \end{matrix} \right.\ (其中x3=c)

得齐次通解:[x1x2x3]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \end{bmatrix}=[00c]\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ c \end{bmatrix}=c[001]c\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} (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[001]\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix},c为任意非零常数。

求对应特征值λ23=1的特征向量:

将λ=1代入(A-λE)x=0,得到(A-E)x=0,其中x=[x1x2x3]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \end{bmatrix}

此时A-E=[111043101021]=[210420101]\begin{bmatrix} - 1 - 1 & 1 & 0 \\ - 4 & 3 - 1 & 0 \\ 1 & 0 & 2 - 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} - 2 & 1 & 0 \\ - 4 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix}

对A-E进行初等行变换得:[101012000]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

(A-E)x=0对应的齐次线性方程组为{x1+x3=0x2+2x3=0\left\{ \begin{matrix} x_{1} + x_{3} = 0 \\ x_{2} + 2x_{3} = 0 \end{matrix} \right.\

得参数形式:{x1=x3x2=2x3\left\{ \begin{array}{r} x_{1} = - x_{3} \\ x_{2} = - 2x_{3} \end{array} \right.\ (x3 可任意取值)

得参数形式:{x1=cx2=2cx3=c\left\{ \begin{matrix} x_{1} = - c \\ x_{2} = - 2c \\ x_{3} = c \end{matrix} \right.\ (其中x3=c)

得齐次通解:[x1x2x3]\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \end{bmatrix}=[c2cc]\begin{bmatrix} - c \\ - 2c \\ c \end{bmatrix}=c[121]c\begin{bmatrix} - 1 \\ - 2 \\ 1 \end{bmatrix} (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[121]\begin{bmatrix} - 1 \\ - 2 \\ 1 \end{bmatrix},c为任意非零常数。

综上,矩阵A的特征值为λ1=2,λ23=1;

对应特征值2的特征向量为c[001]\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}(c为非零常数),

对应特征值1的特征向量为 c[121]\begin{bmatrix} - 1 \\ - 2 \\ 1 \end{bmatrix}(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,1λ\frac{1}{\lambda}是A-1的特征值

证:

(1)证明λ2\lambda^{2}A2A^{2}的特征值

Ax=λxAx = \lambda x,两边左乘AA

A2x=A(Ax)=A(λx)=λ(Ax)=λ(λx)=λ2x.A^{2}x = A(Ax) = A(\lambda x) = \lambda(Ax) = \lambda(\lambda x) = \lambda^{2}x.

所以A2x=λ2x.A^{2}x = \lambda^{2}x.

因为x0x \neq 0,这说明λ2\lambda^{2}A2A^{2}的一个特征值(对应特征向量xx)。

(2)当AA可逆时,证明1λ\frac{1}{\lambda}A1A^{- 1}的特征值

要证明当方阵AA可逆时,其特征值λ\lambda的倒数1λ\frac{1}{\lambda}A1A^{- 1}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:

λ\lambda是方阵AA的特征值,则存在非零向量ξ\xi(对应λ\lambda的特征向量),满足:Aξ=λξA\xi = \lambda\xi

2.利用矩阵可逆的性质

已知AA可逆,根据可逆矩阵的性质,有两个关键结论:

一是AA的行列式|A|0|A| \neq 0

二是AA存在逆矩阵A1A^{- 1},且满足A1A=AA1=EA^{- 1}A = AA^{- 1} = EEE为单位矩阵)。

同时,由于|A||A|等于所有特征值的乘积,且|A|0|A| \neq 0

因此AA的特征值λ0\lambda \neq 0,这保证了1λ\frac{1}{\lambda}是有意义的。

3.等式两侧左乘逆矩阵

对特征值定义式Aξ=λξA\xi = \lambda\xi的两侧同时左乘A1A^{- 1},得到:A1(Aξ)=A1(λξ)A^{- 1}(A\xi) = A^{- 1}(\lambda\xi)

根据矩阵乘法的结合律,

左侧可化简为:A1(Aξ)=(A1A)ξ=Eξ=ξA^{- 1}(A\xi) = (A^{- 1}A)\xi = E\xi = \xi

右侧利用数乘的交换律,λ\lambda是常数,可提到矩阵乘法外侧:A1(λξ)=λ(A1ξ)A^{- 1}(\lambda\xi) = \lambda(A^{- 1}\xi)

4.整理得出结论

结合上述化简结果,有:ξ=λ(A1ξ)\xi = \lambda(A^{- 1}\xi)

由于λ0\lambda \neq 0,两侧同时除以λ\lambda,可得:1λξ=A1ξ{\frac{1}{\lambda}\xi = A}^{- 1}\xi

对照特征值的定义,非零向量ξ\xi满足A1ξ=1λξA^{- 1}\xi = \frac{1}{\lambda}\xi

因此1λ\frac{1}{\lambda}A1A^{- 1}的特征值,且对应的特征向量与λ\lambdaAA中的特征向量相同。

综上,当AA可逆时,1λ\frac{1}{\lambda}A1A^{- 1}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AA的特征值为1,1,21, - 1,2,求A*+3A2EA^{\ast} + 3A - 2E的特征值。

解:

解题思路

要求A*+3A2EA^{\ast} + 3A - 2E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nn阶可逆矩阵AA的特征值为λ\lambda,则其伴随矩阵A*A^{\ast}的特征值为|A|λ\frac{|A|}{\lambda}

2.若AA的特征值为λ\lambda,数乘矩阵kAkA的特征值为kλk\lambda,单位矩阵EE的特征值恒为11

故常数矩阵kEkE的特征值为kk

3.若同阶矩阵PQRP、Q、R对应同一特征向量的特征值分别为μPμQμR\mu_{P}、\mu_{Q}、\mu_{R}

P+Q+RP + Q + R的特征值为μP+μQ+μR\mu_{P} + \mu_{Q} + \mu_{R}

步骤1:计算矩阵AA的行列式|A||A|

nn阶矩阵的行列式等于其所有特征值的乘积,

已知AA的特征值为λ1=1λ2=1λ3=2\lambda_{1} = 1,\lambda_{2} = - 1,\lambda_{3} = 2

因此:|A|=λ1λ2λ3=1×(1)×2=2|A| = \lambda_{1} \cdot \lambda_{2} \cdot \lambda_{3} = 1 \times ( - 1) \times 2 = - 2

步骤2:推导A*+3A2EA^{\ast} + 3A - 2E的特征值公式并计算

AA的任意特征值为λ\lambda,对应A*+3A2EA^{\ast} + 3A - 2E的特征值为μ\mu

由上述特征值性质,A*A^{\ast}的特征值为|A|λ\frac{|A|}{\lambda}3A3A的特征值为3λ3\lambda2E- 2E的特征值为2- 2

结合矩阵和的特征值性质,可得A*+3A2EA^{\ast} + 3A - 2E的特征值公式:μ=|A|λ+3λ2\mu = \frac{|A|}{\lambda} + 3\lambda - 2

|A|=2|A| = - 2代入公式,再分别将AA的三个特征值代入计算:

1.当λ=1\lambda = 1时:μ1=21+3×12=2+32=1\mu_{1} = \frac{- 2}{1} + 3 \times 1 - 2 = - 2 + 3 - 2 = - 1

2.当λ=1\lambda = - 1时:μ2=21+3×(1)2=232=3\mu_{2} = \frac{- 2}{- 1} + 3 \times ( - 1) - 2 = 2 - 3 - 2 = - 3

3.当λ=2\lambda = 2时:μ3=22+3×22=1+62=3\mu_{3} = \frac{- 2}{2} + 3 \times 2 - 2 = - 1 + 6 - 2 = 3

最终结论矩阵A*+3A2EA^{\ast} + 3A - 2E的特征值为1,3,3- 1, - 3,3

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 m=1m = 1 单个非零特征向量 p1p_{1} 显然线性无关

(因为特征向量定义中 p10p_{1} \neq 0)。

2. 假设对 m=k1m = k - 1 成立

即:若 λ1,,λk1\lambda_{1},\ldots,\lambda_{k - 1} 互不相同,且 p1,,pk1p_{1},\ldots,p_{k - 1} 是相应的特征向量,

则它们线性无关。

3. 考虑 m=km = k

设有线性关系:c1p1+c2p2++ckpk=0c_{1}p_{1} + c_{2}p_{2} + \ldots + c_{k}p_{k} = 0 (1)

我们要证明 c1=c2==ck=0c_{1} = c_{2} = \ldots = c_{k} = 0

第一步:用 AA 作用于 (1) 式:c1Ap1+c2Ap2++ckApk=0c_{1}Ap_{1} + c_{2}Ap_{2} + \ldots + c_{k}Ap_{k} = 0

c1λ1p1+c2λ2p2++ckλkpk=0c_{1}\lambda_{1}p_{1} + c_{2}\lambda_{2}p_{2} + \ldots + c_{k}\lambda_{k}p_{k} = 0 (2)

第二步:用 λk\lambda_{k} 乘 (1) 式:c1λkp1+c2λkp2++ckλkpk=0c_{1}\lambda_{k}p_{1} + c_{2}\lambda_{k}p_{2} + \ldots + c_{k}\lambda_{k}p_{k} = 0 (3)

第三步:(2) 式减去 (3) 式:

c1(λ1λk)p1+c2(λ2λk)p2++ck1(λk1λk)pk1=0c_{1}(\lambda_{1} - \lambda_{k})p_{1} + c_{2}(\lambda_{2} - \lambda_{k})p_{2} + \ldots + c_{k - 1}(\lambda_{k - 1} - \lambda_{k})p_{k - 1} = 0

这里 ckc_{k} 项消掉了。

第四步:由归纳假设,p1,,pk1p_{1},\ldots,p_{k - 1} 线性无关,

所以ci(λiλk)=0,i=1,2,,k1.c_{i}(\lambda_{i} - \lambda_{k}) = 0,\quad i = 1,2,\ldots,k - 1.

因为 λiλk\lambda_{i} \neq \lambda_{k}(互不相同),所以ci=0,i=1,2,,k1.c_{i} = 0,\quad i = 1,2,\ldots,k - 1.

第五步:代回 (1) 式:ckpk=0c_{k}p_{k} = 0,而 pk0p_{k} \neq 0,所以 ck=0c_{k} = 0

于是所有系数为零,故 p1,,pkp_{1},\ldots,p_{k} 线性无关。

4. 由归纳法,对任意 mm 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a1,,as,b1,,bta_{1},\ldots,a_{s},b_{1},\ldots,b_{t}

使得a1ξ1++asξs+b1η1++btηt=0a_{1}\xi_{1} + \ldots + a_{s}\xi_{s} + b_{1}\eta_{1} + \ldots + b_{t}\eta_{t} = 0

u=a1ξ1++asξs,v=b1η1++btηtu = a_{1}\xi_{1} + \ldots + a_{s}\xi_{s},\quad v = b_{1}\eta_{1} + \ldots + b_{t}\eta_{t}

a1ξ1++asξs+b1η1++btηt=0a_{1}\xi_{1} + \ldots + a_{s}\xi_{s} + b_{1}\eta_{1} + \ldots + b_{t}\eta_{t} = 0式变为u+v=0u=vu + v = 0\quad \Rightarrow \quad u = - v

第一步:用 AA 作用在 u=vu = - v 上。

因为 Au=A(a1ξ1++asξs)=a1λ1ξ1++asλ1ξs=λ1uAu = A(a_{1}\xi_{1} + \ldots + a_{s}\xi_{s}) = a_{1}\lambda_{1}\xi_{1} + \ldots + a_{s}\lambda_{1}\xi_{s} = \lambda_{1}u

因为 u=vu = - v,所以Au=A(v)=AvAu = A( - v) = - Av

Av=A(b1η1++btηt)=b1λ2η1++btλ2ηt=λ2vAv = A(b_{1}\eta_{1} + \ldots + b_{t}\eta_{t}) = b_{1}\lambda_{2}\eta_{1} + \ldots + b_{t}\lambda_{2}\eta_{t} = \lambda_{2}v

所以Au=λ2vAu = - \lambda_{2}v

又因为 v=uv = - u,代入得Au=λ2(u)=λ2uAu = - \lambda_{2}( - u) = \lambda_{2}u

第二步:比较 AuAu 的两种表达式。

λ1u=λ2u\lambda_{1}u = \lambda_{2}u(λ1λ2)u=0(\lambda_{1} - \lambda_{2})u = 0

因为 λ1λ2\lambda_{1} \neq \lambda_{2},所以u=0u = 0,即a1ξ1++asξs=0a_{1}\xi_{1} + \ldots + a_{s}\xi_{s} = 0

由于 ξ1,,ξs\xi_{1},\ldots,\xi_{s} 线性无关,得a1=a2==as=0a_{1} = a_{2} = \ldots = a_{s} = 0

第三步:由 u=0u = 0u=vu = - vv=0v = 0

b1η1++btηt=0b_{1}\eta_{1} + \ldots + b_{t}\eta_{t} = 0

由于 η1,,ηt\eta_{1},\ldots,\eta_{t} 线性无关,得b1=b2==bt=0b_{1} = b_{2} = \ldots = b_{t} = 0

结论:所有系数 ai,bja_{i},b_{j} 都为 0,所以{ξ1,,ξs,η1,,ηt}\{\xi_{1},\ldots,\xi_{s},\eta_{1},\ldots,\eta_{t}\}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p1+p2p_{1} + p_{2}AA的特征向量,

则存在某个λ\lambda使得A(p1+p2)=λ(p1+p2).A(p_{1} + p_{2}) = \lambda(p_{1} + p_{2}).

Ap1+Ap2=λp1+λp2Ap_{1} + Ap_{2} = \lambda p_{1} + \lambda p_{2}

λ1p1+λ2p2=λp1+λp2\lambda_{1}p_{1} + \lambda_{2}p_{2} = \lambda p_{1} + \lambda p_{2}

(λ1λ)p1+(λ2λ)p2=0(\lambda_{1} - \lambda)p_{1} + (\lambda_{2} - \lambda)p_{2} = 0

因为λ1和λ2是矩阵A的两个不同的特征值

所以p1,p2p_{1},p_{2}线性无关,得λ1λ=0,λ2λ=0.\lambda_{1} - \lambda = 0,\quad\lambda_{2} - \lambda = 0.

λ1=λ,λ2=λ\lambda_{1} = \lambda,\quad\lambda_{2} = \lambda,于是λ1=λ2\lambda_{1} = \lambda_{2}

与已知λ1λ2\lambda_{1} \neq \lambda_{2}矛盾。

因此假设不成立,p1+p2p_{1} + p_{2}不可能是AA的特征向量。