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线性代数 ZoomNotes

Gilbert Strang,MIT 18.06 · 第6章 / 11

第 6 部分:特征值与特征向量

6.1 特征值 (eigenvalue) λ\lambda 和特征向量 (eigenvector) xx:Ax=λxAx = \lambda x

方阵 AA 的一个特征向量 (eigenvector) xx 是一个非零向量,当它与 AA 相乘时,只发生缩放而不发生旋转:

Ax=λxAx = \lambda x

标量 λ\lambda 就是对应的特征值 (eigenvalue)。

求特征值: 解特征方程 (characteristic equation):

det⁡(A−λI)=0\det(A - \lambda I) = 0

这是一个关于 λ\lambda 的 nn 次多项式。

求特征向量: 对每个特征值 λi\lambda_i,求解:

(A−λiI)x=0(A - \lambda_i I) x = 0

特征向量张成 λi\lambda_i 对应的特征空间 (eigenspace)。

关键性质:

  • 迹 (Trace): trace(A)=∑i=1naii=∑i=1nλi\text{trace}(A) = \sum_{i=1}^n a_{ii} = \sum_{i=1}^n \lambda_i
  • 行列式 (Determinant): det⁡A=∏i=1nλi\det A = \prod_{i=1}^n \lambda_i
  • 逆矩阵 (Inverse): A−1x=(1/λ)xA^{-1} x = (1/\lambda) x (当 λ≠0\lambda \neq 0 时)
  • 幂 (Powers): Anx=λnxA^n x = \lambda^n x
  • 平移 (Shift): A−cIA - cI 的特征值为 λi−c\lambda_i - c

特殊情形:

  • 三角矩阵 (triangular matrices):特征值就是对角线上的元素
  • 奇异矩阵 (singular matrix):λ=0\lambda = 0 是一个特征值(因为 det⁡A=0\det A = 0)
  • 单位矩阵 (identity matrix):λ=1\lambda = 1(重数为 nn)

6.2 矩阵对角化 (Diagonalizing a Matrix):X−1AX=ΛX^{-1} A X = \Lambda

如果 AA 有 nn 个线性无关的特征向量 (independent eigenvectors)(构成矩阵 XX),则有:

A=XΛX−1A = X \Lambda X^{-1}

其中 Λ=diag(λ1,…,λn)\Lambda = \text{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n)。

验证: AX=A[x1  ⋯  xn]=[λ1x1  ⋯  λnxn]=XΛAX = A[x_1 \; \cdots \; x_n] = [\lambda_1 x_1 \; \cdots \; \lambda_n x_n] = X\Lambda。

对角化后求幂极为简便:

Ak=XΛkX−1A^k = X \Lambda^k X^{-1}

每个特征值被独立地提升到 kk 次幂。

相似矩阵 (Similar Matrices): B=M−1AMB = M^{-1} A M 与 AA 具有相同的特征值。特征向量被变换为:如果 Ax=λxAx = \lambda x,则 B(M−1x)=λ(M−1x)B(M^{-1}x) = \lambda (M^{-1}x)。

何时矩阵不可对角化? 当矩阵有重特征值 (repeated eigenvalues) 但没有足够的线性无关特征向量时。例如,一个 2×22 \times 2 的 Jordan 块 (Jordan block) [λ10λ]\begin{bmatrix} \lambda & 1 \\ 0 & \lambda \end{bmatrix} 只有一个特征向量。


6.3 对称正定矩阵 (Symmetric Positive Definite Matrices):五项判别法

对称矩阵 (Symmetric Matrices) S=STS = S^T:

  • 所有特征值均为实数 (real)
  • 不同特征值对应的特征向量相互正交 (orthogonal)
  • 谱定理 (Spectral Theorem): S=QΛQTS = Q \Lambda Q^T,其中 QQ 是正交矩阵

正定矩阵 (Positive Definite Matrices): 对称矩阵 SS 是正定 (positive definite) 的,当且仅当以下任一等价条件成立:

  1. 所有特征值 λi>0\lambda_i > 0
  2. 能量 (Energy) xTSx>0x^T S x > 0 对所有非零 xx 成立
  3. 所有主元 (pivots) 为正(来自 LDLTLDL^T 分解)
  4. 所有顺序主子式 (leading principal minors)(左上角子矩阵的行列式)为正
  5. S=ATAS = A^T A,其中 AA 具有线性无关的列

半正定 (Positive Semidefinite): 上述条件中用 ≥0\geq 0(允许等号成立)。

例子: 二阶差分矩阵 (second difference matrix) KK(对角线上为 2,副对角线上为 -1 的三对角矩阵)是正定的。对于 n=3n=3:

K=[2−10−12−10−12]K = \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \end{bmatrix}

其特征值为 λk=2−2cos⁡(kπ/(n+1))=4sin⁡2(kπ/(2(n+1)))\lambda_k = 2 - 2\cos(k\pi/(n+1)) = 4\sin^2(k\pi/(2(n+1))),全部为正。


6.4 线性微分方程组 (Linear Differential Equations) du/dt=Audu/dt = Au

考虑一个线性常微分方程组 (system of linear ODEs):

dudt=Au,u(0)=u0\frac{du}{dt} = A u, \quad u(0) = u_0

通过特征向量求解: 假设 AA 可对角化,特征向量为 x1,…,xnx_1, \dots, x_n,将 u0u_0 表示为:

u0=c1x1+c2x2+⋯+cnxnu_0 = c_1 x_1 + c_2 x_2 + \cdots + c_n x_n

则有:

u(t)=c1eλ1tx1+c2eλ2tx2+⋯+cneλntxnu(t) = c_1 e^{\lambda_1 t} x_1 + c_2 e^{\lambda_2 t} x_2 + \cdots + c_n e^{\lambda_n t} x_n

矩阵指数 (Matrix Exponential):

eAt=I+At+(At)22!+(At)33!+⋯e^{At} = I + At + \frac{(At)^2}{2!} + \frac{(At)^3}{3!} + \cdots

当 A=XΛX−1A = X\Lambda X^{-1} 时:

eAt=XeΛtX−1=X[eλ1t⋱eλnt]X−1e^{At} = X e^{\Lambda t} X^{-1} = X \begin{bmatrix} e^{\lambda_1 t} & & \\ & \ddots & \\ & & e^{\lambda_n t} \end{bmatrix} X^{-1}

稳定性 (Stability):

  • 渐近稳定 (Asymptotically stable): 若所有 Re(λi)<0\text{Re}(\lambda_i) < 0,则 u(t)→0u(t) \to 0(当 t→∞t \to \infty)
  • 弱稳定 (Weakly stable): 若 Re(λi)≤0\text{Re}(\lambda_i) \leq 0 且任何为零的 λi\lambda_i 为半单 (semisimple),则 u(t)u(t) 保持有界
  • 不稳定 (Unstable): 若存在任何 Re(λi)>0\text{Re}(\lambda_i) > 0

6.5 工程中的矩阵:二阶差分

二阶差分矩阵 KK(离散化 −d2u/dx2-d^2u/dx^2):

K=[2−1−12−1⋱⋱⋱−12]K = \begin{bmatrix} 2 & -1 & & \\ -1 & 2 & -1 & \\ & \ddots & \ddots & \ddots \\ & & -1 & 2 \end{bmatrix}

能量: xTKx=∑i=1n−1(xi−xi+1)2>0x^T K x = \sum_{i=1}^{n-1} (x_i - x_{i+1})^2 > 0 对非零 xx 成立,证明 KK 是正定的。

弹簧-质量系统 (Spring-Mass Systems):

  • 稳态 (Steady state): Ku=gKu = g(重力引起的弹簧位移)
  • 振动 (Oscillation): −Ku=m d2u/dt2-K u = m \, d^2u/dt^2(自由振动)

KK 的特征值决定了振动的固有频率 (natural frequencies):ωk=λk\omega_k = \sqrt{\lambda_k}。

KK 的正交特征向量: 这个三对角矩阵的特征向量是离散正弦函数 (discrete sines):

(vk)j=sin⁡(jkπn+1)(v_k)_j = \sin\left(\frac{jk\pi}{n+1}\right)

这些正是使二阶差分算子对角化的特征向量——即 Fourier 正弦级数 (Fourier sine series) 的离散版本。

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