線性代數(shù)課件：相似矩陣與矩陣的對(duì)角化

《線性代數(shù)課件：相似矩陣與矩陣的對(duì)角化》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《線性代數(shù)課件：相似矩陣與矩陣的對(duì)角化（19頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、4.2 4.2 相似矩相似矩陣陣與矩與矩陣陣的的對(duì)對(duì)角化角化 一、相似矩陣及其性質(zhì)一、相似矩陣及其性質(zhì) 二、二、n階矩陣與對(duì)角矩陣相似的條件階矩陣與對(duì)角矩陣相似的條件 1 1 相似矩陣及其性質(zhì)相似矩陣及其性質(zhì) 定義定義2 2 設(shè)設(shè)A，B為為n階矩陣階矩陣，如果存在可逆矩陣如果存在可逆矩陣P，使得使得 P-1AP B成立成立，則稱矩陣則稱矩陣A與與B相似相似，記為記為AB.相似關(guān)系是矩陣間的一種等價(jià)關(guān)系，滿足相似關(guān)系是矩陣間的一種等價(jià)關(guān)系，滿足 自反性：自反性：A A 對(duì)稱性：對(duì)稱性：若若AB，則則BA 傳遞性：傳遞性：若若AB，BC，則則 AC 定理定理1 如果矩陣如果矩陣A與與B相似相似，則

2、它們有相同的特征值則它們有相同的特征值.證明：證明：因?yàn)橐驗(yàn)镻-1AP B，A與與B有相同的特征多項(xiàng)式有相同的特征多項(xiàng)式，|l lE-B|P-1(l lE)P-P-1AP|l lE-P-1AP|P-1(l lE-A)P|P-1|l lE-A|P|l lE-A|，所以它們有相同的特征值所以它們有相同的特征值.定義定義2 2 設(shè)設(shè)A，B為為n階矩陣階矩陣，如果存在可逆矩陣如果存在可逆矩陣P，使得使得 P-1AP B成立成立，則稱矩陣則稱矩陣A與與B相似相似，記為記為AB.假如假如A與對(duì)角矩陣相似，與對(duì)角矩陣相似，對(duì)角矩陣對(duì)角線上的元素對(duì)角矩陣對(duì)角線上的元素即即A的特征值的特征值 注：注：有相同的特

3、征多項(xiàng)式的方陣不一定相似有相同的特征多項(xiàng)式的方陣不一定相似.例：例：特征多項(xiàng)式均為特征多項(xiàng)式均為(l l-1)2,但不存在但不存在P-1EP=A.相似矩陣還具有下述性質(zhì)：相似矩陣還具有下述性質(zhì)：(1)相似矩陣有相同的秩；相似矩陣有相同的秩；(2)相似矩陣的行列式相等；相似矩陣的行列式相等；(3)相似矩陣的跡相等；相似矩陣的跡相等；定理定理1 1 如果矩陣如果矩陣A與與B相似相似，則它們有相同的特征值則它們有相同的特征值.(4)AmBm,m為正整數(shù)為正整數(shù).解解：由于由于A和和B相似，所以相似，所以Tr(A)=Tr(B),|A|=|B|,即即 解解：由于矩陣由于矩陣A和和D相似相似，所以所以|A

4、|=|D|,即即|A|=|D|12.例例1.若矩陣若矩陣相似，求相似，求x,y.解得解得例例2.設(shè)設(shè)3階方陣階方陣A相似于相似于,求求|A|.定理定理2 2 n階矩陣階矩陣A與與n階對(duì)角矩陣階對(duì)角矩陣 LLdiag(l l1 1,l l2 2,l ln)相似的充分必要條件為矩陣相似的充分必要條件為矩陣A有有n個(gè)線性無(wú)關(guān)的特征向量個(gè)線性無(wú)關(guān)的特征向量.2 2 n階矩陣與對(duì)角矩陣相似的條件階矩陣與對(duì)角矩陣相似的條件 例如，矩陣?yán)?，矩陣A 有兩個(gè)不同的特征值有兩個(gè)不同的特征值l l1 4,l l2-2,1-5 1 1 其對(duì)應(yīng)特征向量分別為其對(duì)應(yīng)特征向量分別為x x1 ，x x2 .1 1-5 1

5、取取P(x x1,x x2)，則則 1-5-5 1 1所以所以A與與對(duì)角矩陣相似對(duì)角矩陣相似.P-1AP-1 1-5-116-5-1 3 1 1-5 1 1 0-2 4 0，問(wèn)題問(wèn)題：若取若取P(x x2,x x1)，問(wèn)問(wèn)LL？稱為A可對(duì)角化 推推論論 若若n階階矩矩陣陣A有有n個(gè)個(gè)相相異異的的特特征征值值l l1，l l2，l ln，則則A與與對(duì)角矩陣對(duì)角矩陣 LLdiag(l l1 1,l l2 2,l ln)相似相似.注意注意 A有有n個(gè)相異特征值只是個(gè)相異特征值只是A可化為對(duì)角矩陣的可化為對(duì)角矩陣的充分條件充分條件,而不是而不是必要條件必要條件.且有且有Ax x1-2x x1，Ax x

6、2 x x2，Ax x3 x x3，向量組是向量組是A的線性無(wú)關(guān)的的線性無(wú)關(guān)的特征向量特征向量.所以當(dāng)所以當(dāng)P(x x1,x x2,x x3)時(shí)，有時(shí)，有 例如例如，A ，x x1 ，x x2 ，x x3 ，4-3-3 6-6-5 0 1 0-1 1 1-2 0 1 0 1 0 P-1AP diag(-2-2,1,1).A 1 6 3 -3 -6 -5 3 4 3(1)解：解：(1)矩陣矩陣A的特征方程為的特征方程為l l-1-6-3 3 6l l+5+5 -3l l-4-3|l lE-A|矩陣矩陣A的特征值為的特征值為 l l1 l l2-2,l l3 4，對(duì)于特征值對(duì)于特征值l l3 4，

7、解線性方解線性方程組程組(4 4E-A)X o，得其基礎(chǔ)解系得其基礎(chǔ)解系x x3=.112 對(duì)于特征值對(duì)于特征值l l1 l l2-2,解線性解線性方程組方程組(-2E-A)X o，1 110-101得其基礎(chǔ)解系得其基礎(chǔ)解系x x1=,x x2=.(l l+2+2)2(l l-4)-4)0，(2)-1 1-4B 1 0 3 0 2 0 例例3.3.判斷下列矩陣是否相似判斷下列矩陣是否相似于對(duì)角陣于對(duì)角陣,若相似求可逆矩陣若相似求可逆矩陣P，使使P-1 A P L L.由于由于A有有3個(gè)線性無(wú)關(guān)的特征個(gè)線性無(wú)關(guān)的特征 向量向量x x1，x x2，x x3，所以所以A相似于相似于對(duì)角陣對(duì)角陣L L

8、.所求的相似變換矩陣為所求的相似變換矩陣為 P=(x x1，x x2，x x3),1 0 1 -1-1 1 1 0 0 1 2 1對(duì)角陣為對(duì)角陣為L(zhǎng) L ,-2 0 0 0 0 0 0 -2 0 4 0滿足滿足 P-1 A P L L.A 1 6 3 -3 -6 -5 3 4 3(1)(2)-1 1-4B 1 0 3 0 2 0 例例3.3.判斷下列矩陣是否相似判斷下列矩陣是否相似于對(duì)角陣于對(duì)角陣,若相似求可逆矩陣若相似求可逆矩陣P，使使P-1 A P L L.l l+1-1 4 4-1 0l l-3-3 0 0l l-2 0 0|l lE-B|(l l-2)(l l-1)2 0，矩陣矩陣B的

9、特征值為的特征值為 l l1 l l211,l l3 2.對(duì)于特征值對(duì)于特征值l l1 l l211,解線性方解線性方程組程組(E-B)X o，得其基礎(chǔ)解系得其基礎(chǔ)解系x x1=，12-1 對(duì)于特征值對(duì)于特征值l l3 2，解線性方解線性方程組程組(2 2E-B)X o，得其基礎(chǔ)解系得其基礎(chǔ)解系x x2=.001顯然顯然，B不能相似于對(duì)角陣不能相似于對(duì)角陣.A 1 6 3 -3 -6 -5 3 4 3(1)(2)-1 1-4B 1 0 3 0 2 0 例例3.3.判斷下列矩陣是否相似判斷下列矩陣是否相似于對(duì)角陣于對(duì)角陣,若相似求可逆矩陣若相似求可逆矩陣P，使使P-1 A P L L.解：解：(

10、2)矩陣矩陣B的特征方程為的特征方程為 作業(yè)：作業(yè)：137137頁(yè)頁(yè) 5(1)5(1)思考題：思考題：設(shè)設(shè)問(wèn)問(wèn)x取何值時(shí)，矩陣取何值時(shí)，矩陣A可對(duì)角化可對(duì)角化.解：解：矩陣的特征方程為矩陣的特征方程為|l lE-A|l l+1-1 4-1 0l-l-3 0l-l-2 0 (l l-2)(l l-1)2 0，矩陣矩陣A的特征值為的特征值為 l l1 l l2 1，l l3 2.對(duì)于特征值對(duì)于特征值l l1 l l2 1，解線性方程組解線性方程組(E-A)X o，例例2.求矩陣求矩陣A-1 1-4 1 0 3 0 2 0的特征值與特征向量的特征值與特征向量.于是，于是，A的對(duì)應(yīng)于的對(duì)應(yīng)于l l1

11、l l2 1的全部特征向量為的全部特征向量為得其基礎(chǔ)解系得其基礎(chǔ)解系 ，12-1(c1不為不為0).-1 1-4 1 0 3 0 2 0(3)對(duì)于矩陣 A 及特征值l1，解齊次線性方程組(lE-A)XO 因?yàn)樘卣骶仃嘐-A所以齊次線性方程組(E-A)XO的一般解為1+1-1 4-1 01-3 01-2 02-1 4-1 0-2 0-1 010 00 01 10 2，基礎(chǔ)解系為 12-1x1-x3x2-2x3 解：解：矩陣的特征方程為矩陣的特征方程為l l+1-1 0(l l-2)(l l-1)2 0，矩陣矩陣A的特征值為的特征值為 l l1 l l2 1，l l3 2.對(duì)于特征值對(duì)于特征值l

12、l3 2，解線解線性方程組性方程組(2E-A)X o，例例2.求矩陣求矩陣A-1 1-4 1 0 3 0 2 0的特征值與特征向量的特征值與特征向量.于是，于是，A的對(duì)應(yīng)于的對(duì)應(yīng)于l l3 2的全的全部特征向量為部特征向量為得其基礎(chǔ)解系得其基礎(chǔ)解系 ，001|l lE-A|l l+1-1 4-1 0l-l-3 0l-l-2 0(c2不為不為0).-1 1-4 1 0 3 0 2 0(4)對(duì)于矩陣 A 及特征值l2，解齊次線性方程組(lE-A)XO 因?yàn)樘卣骶仃?E-A所以齊次線性方程組(2E-A)XO的一般解為2+1-1 4-1 02-3 02-2 03-1 4-1 0-1 0 0 010 0

13、0 01 00 0，基礎(chǔ)解系為 001x10 x20為什么為什么?有關(guān)特征值和特征向量 特征值和特征向量的知識(shí)在物理學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中用特征值和特征向量的知識(shí)在物理學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中用特征值和特征向量的知識(shí)在物理學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中用特征值和特征向量的知識(shí)在物理學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中用處很大，有時(shí)在求處很大，有時(shí)在求處很大，有時(shí)在求處很大，有時(shí)在求n n階方陣的階方陣的階方陣的階方陣的p p次冪時(shí)也有用。次冪時(shí)也有用。次冪時(shí)也有用。次冪時(shí)也有用。比如比如比如比如 5-1 3 1 5-1 3 1 5-1 3 1特征值特征值特征值特征值特征向量特征向量特征向量特征向量特征向量特征向量特征向量特征向量特征值特征值特征值特征值有關(guān)

14、特征值和特征向量 5-1 3 1 1-5 1 1 4 10101010 4 -2=1-5 1 1 0-2 4 0=特征值特征值特征值特征值 5-1 3 1 1-5 1 1 1-5 1 1-1=0-2 4 0 1-5 1 1 1-5 1 1-1 0-2 4 0 5-1 3 1=5-1 3 1p=?=?例例8 8設(shè)設(shè)A為為三三階階方方陣陣，其其特特征征值值互互不不相相同同，若若|A|0|A|0，則則A A的的秩秩為為_.(2008 2008 數(shù)三數(shù)三)例例7 7設(shè)設(shè)A為為二二階階方方陣陣，a a1 1,a,a2 2為為線線性性無(wú)無(wú)關(guān)關(guān)的的二二維維列列向向量量，Aa a1 1=0，Aa a2 2=2a a1 1+a a2 2,則則A的非零特征值為的非零特征值為_.(2008 2008 數(shù)一數(shù)一)分析：分析：第二個(gè)式子第二個(gè)式子左乘左乘AA A2 2a a2 222AaAa1 1+AaAa2 2 AaAa2 2l l2 22 2a a2 2 l l2 2a a2 2，可推知，可推知l l2 211