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線性代數如何求矩陣的特征向量

生活 更新时间:2025-02-24 04:57:09

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)1

線性代數的教材中,有兩處着重提到過n維向量,一處是n維向量的定義:

n個有順序的數所組成數組

叫做n維向量。數叫做向量的分量(或坐标)。

另一處是n維向量内積的定義:

設有n維向量

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)2

令,

稱為向量與的内積。

注意看,兩種n維向量在形式有什麼不同?一種寫成行矩陣,一種寫成列矩陣,對不對?

那麼,各取一組3維向量,每組3個向量,按同樣的編号方式寫出它們的矩陣,會有什麼不同呢?一起來看一下。

第一種向量,3個3維向量分别為:

它們組成的矩陣為:

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)3

第二種向量,3個3維向量分别為:

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)4

它們組成的矩陣為:

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)5

看出什麼端倪來沒有?從形式上看,矩陣A的行即是矩陣B的列,兩個矩陣互為轉置矩陣。顯然橫着寫的向量和豎着寫的向量不是一回事。

那麼問題來了,兩種向量之間有什麼關聯嗎?

要想探究兩種向量之間的關聯,最簡單的辦法,是寫出與它們同時具有關聯意義的行列式,再看看它們的行列式有什麼不同。

那麼怎麼樣去找與兩種向量都有關聯的行列式呢?由于行列式的元素的基本含義是某一多元線性方程組的系數,那我們根據上面的兩種3維向量組,分别寫出對應的齊次線性方程組(各方程右端均為0,對應向量的内積為0)就好了。

在教材中,第一種向量的引出,是為“線性相關”這一概念作準備的,那我們就從這裡入手。

我們先看一下線性相關的定義:

設有n維向量組,如果存在一組不全為o的數,使

,則稱該向量組線性相關。

(注意一下編号的下墜字母m,通常我會用它來表示“行”)

根據線性相關的定義,我們為第一種向量組

構建齊次線性方程組。

為了編号形式一緻,設存在一組不為全0的數,使。即

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)6

将字母對調一下,即為

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)7

提取的系數作為元素,有行列式:

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)8

的行列排序對照矩A,行變成了列,列變成了行,反而跟矩陣B長得一樣了。

第二種向量的引出,是為“向量的内積”這一概念作準備的,向量的内積為0時,恰好對應齊次線性方程組(等号右端都為0)。

設存在非零向量()’,與向量

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)9

的内積均為零,則有

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)10

提取的系數作為元素,有行列式:

線性代數如何求矩陣的特征向量(趣味線性代數三)11

的行列排序對照矩B,也是行變列,列變行,跟矩陣A排序相同。

可以看出來,兩個行列式,也隻是行列互換,計算結果是一樣的,。這說明兩組向量所構成的向量空間是等價的,換句話說,一個向量空間可以用兩種方式來表達。

對于一個向量空間,我們可以這樣看待它:它有n個維度,對應線性方程組有n個未知數;在這n維空間裡有m條向量線段,對應方程組包含m個方程。對應到行列式裡m為行,n為列。

取一個向量的分量(或行列式的元素),它的下标是ij,誰也沒有規定i=m、i=n吧!所以,i可以在m裡取值,也可以在n裡取值,j同理。這樣,就産生了兩種不同的向量。

i在n裡取值時,表示在第i個維度裡,第j條向量線段在其維度軸線上的投影坐标;鎖定i,得到第一種向量,表示在一條維度軸線上,記錄下所有向量線段的投影坐标。那麼,不同維度軸線上的坐标線性關聯嗎?于是我們在此基礎上讨論線性相關或線性無關。

i在m裡取值時,代表第i條向量線段在第j個維度軸線上的投影坐标;鎖定i,得到第二種向量,表示一條向量線段在所有維度軸線上的坐标。既然得到一條向量線段的所有坐标,自然就是用來求内積的。

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