方阵的特征值与特征向量

定义

An阶方阵,如果数\lambdan维非零列向量x,使关系式
Ax = \lambda{x}
成立,那么,数\lambda称为方阵A的特征值,非零向量x称为A对应于特征值\lambda的特征向量.

此外,上面的公式也可写为:
(A - \lambda E)x =0
可以看作是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行列式
|A - \lambda E | =0

物理意义

如果将矩阵A看作线性变换,特征向量x经过线性变换A后,到的新向量\lambda{x}仍然与原来的向量x保持在同一条直线上, 即Ax = \lambda{x}

\lambda为标量,是特征向量的长度在该线性变换下缩放的比例。若\lambda>0, 则线性变换后,向量方向保持不变;若\lambda<0, 则线性变换后,向量方向相反

ps: 只有方阵存在特征值和特征向量

求解

{A}=\left(\begin{array}{ccc}-2 & 1 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ -4 & 1 &3\end{array}\right),求A的特征值与特征向量
解:
A的特征方程为:
|\lambda {E}-\mathrm{A}|=\left|\begin{array}{ccc} \lambda+2 & -1 & -1 \\ 0 & \lambda-2 & 0 \\ 4 & -1 & \lambda-3 \end{array}\right|=(\lambda+1)(\lambda-2)^{2}=0

得到A的特征值为: \lambda_{1}=-1, \quad \lambda_{2}=\lambda_{3}=2

\lambda_{1}=-1 时, 解方程 (-\mathrm{E}-\mathrm{A}) x=0
得基础解系 {p}_{1}=\left(\begin{array}{l}1 \\ 0 \\1\end{array}\right) 故对于的全体特征向量为 \mathrm{k}_{1} p_{1}\left(k_{1} \neq 0\right)

\lambda_{2}=\lambda_{3}=2 时, 解方程 (2 \mathrm{E}-\mathrm{A}) x=0
得基础解系 {p}_{2}=\left(\begin{array}{l}1 \\ 4 \\ 0\end{array}\right)
{p}_{3}=\left(\begin{array}{l}1 \\ 0 \\ 4\end{array}\right) 故对于的全体特征向量为 {k}_{2} p_{2}+\mathrm{k}_{3} p_{3}\left(\mathrm{k}_{2}, \mathrm{k}_{3}\right. 不同时为 0)

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