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矩阵可对角化的条件

矩阵可对角化的条件
矩阵可对角化的条件

矩阵可对角化的条件

学生:翟亚丽 指导老师:王全虎

一 引言

矩阵可对角化的问题是高等代数和矩阵论最基本的问题之一,也是人们一直研究的问题之一。从矩阵对角化的判别法则到矩阵对角化的方法,从矩阵对角化的方法再到矩阵可对角化的条件,再延伸到矩阵的广义对角化,本文从矩阵可对角化的各种例子和矩阵可对角化的各种定理归纳总结出矩阵可对角化的条件。

二 矩阵可对角化的概念

定义【2】 设A 是数域F 上一个n 阶矩阵,如果存在F 上一个n 阶可逆矩阵T 使得T -1AT

具有对角形式100n a a ?? ? ? ??

? 那么就称矩阵A 可对角化。

三 矩阵可对角化的相关定理

定理1【1】 n 阶矩阵A 相似对角矩阵的充要条件是A 有n 个线性无关的特征向量。

定理2【3】 设i λ是线性变换A 的特征值,它的代数重数为i n ,几何重数为i m ,且1i i

m n ≤≤则A 可对角化的充分必要条件是:每个特征值的几何重数都等于代数重数。

定理 3【3】 A 可对角化?A 的最小多项式没有重根。

四 由矩阵可对角化的定理所引出的矩阵可对角化的条件及其相互之间的关系。

(一)设【12】()n M F A∈,K 重根按k 个计算,则A 可对角化?A 有n 个特征根,

自然会问:A 有n 个特征根是否也是A 可对角化的充分条件?

看例子11()01n M F ??A =∈ ???

则2()(1)A x x λ=-于是A 有2个特征值为1,但A 却不能对角化,故此例告诉我们A 有n 个特征根只是A 可对角化的必要条件,而非充要条件。而且

一般形如1,0k k F k ??A =∈ ???

的矩阵都不能对角化。在给出A 可对角化的充要条件时需对特征根的特征向量要进一步讨论,

若矩阵A 有n 个线性无关的特征向量则该矩阵可对角化,又有定理

(二)设()n M F A∈,若在F 中,A 有n 个不同的特征根,则A 可对角化。

因为,不同特征根对应的特征向量必线性无关,则特征向量线性无关时可得出矩阵可对

角化。A 有n 个不同的特征根是不是A 可对角化的必要条件呢?

我们已经知道,单位方阵I 以及kI 都是对角方阵,且他们的特征根都是n 重根又如:

100200010,030002003???? ? ?A =B = ? ? ? ?????

也都是对角方阵,且都有重特征根,这样有n 个不同的特

征根只是可对角化的充分条件,而不是必要条件,从前面的不可对角化的特征根特点来

看,它们的共同点是有重特征根,并且有重特征根仅仅是可对角化的一个必要条件,又

根据不同的特征值对应特征向量线性无关,则当矩阵有n 个不同的特征值时则矩阵也相

应有n 个不同的线性无关的特征向量,此时矩阵可对角化。

如 矩阵122212221?? ?A = ? ???

判其矩阵是否可对角化? 解:该矩阵的特征多项式为:21

222

12(1)(5)22

1E A λλλλλλ----=---=+----=0 所以其特征值为-1(二重)和5,把其特特征值代入求其相应特征向量,得其特征向量

分别为1231010,1,1111εεε?????? ? ? ?=== ? ? ? ? ? ?--??????

则有重根但却其特征向量线性无关,故该矩阵可对角化。

2 设A 是数域F 上一个n 阶矩阵,A 可以对角化的充要条件是①A 的特征根都在F 内,

②对于A 的每一特征根λ,秩()I A n S λ-=-这里S 为特征值的重数。

如矩阵1101??B = ???

不能对角化,因为A 的特征根1为二重根,而秩(I-B )=1不满足上述的第二个条件.又如矩阵

012310001

000100

00001n a a a a a --?? ?- ? ?-A = ?- ? ? ? ?-??

解:11110()n n n E A a a a f λλλλλ---=++++= 由于()f λ在Q 上不可约,且1,n >因此

()f λ在Q 中没有根,

从而A 没有特征值,于是A 不可对角化。但如果把A 看成复矩阵,

()I E f λλ-=由于()f λ在[]Q λ中没有重因式,因此()f λ在[]C λ中也没有重因式,从而()f λ的 复根1,,n λλ 两两不等,则复矩阵A 可对角化

(三) A 可对角化的充分必要条件是:每个特征值的几何重数都等于代数重数。

例子 F 是任意数域,200120012?? ?A = ? ???

判断是否可对角化?

解 3()(2)A f x x =-,因此A 的特征根为2是3重根,但0002100010I A ?? ?-=- ? ?-??

于是

(2)2r I A -=显然233≠-故可判断A 不可对角化。

此结论我们可得出与之类似结论:

⑴【5】矩阵A 相似于对角矩阵?2()()r E A r E A λλ-=-λ为A 的任一特征值。

⑵【5】实矩阵A 相似于对角矩阵?2()(),r cE A r cE A c -=-为任意常数。

⑶【5】方阵A 相似于对角矩阵12W W =,12,W W 分别为2()0,()0cE A x cE A x -=-=的解空间。 ⑷【5】方阵A 相似于对角矩阵?1212,,V V V V =分别为2()0,()0E A x E A x λλ-=-=的解空间。

⑸【5】当在复数域上时,令V 为n 维列向量空间,A 为n 阶复矩阵,a 是任一复数令 {}{}12()0/,()0/w aE A V w aE A V ββββ=-=∈=-=∈A

相似于对角矩阵?

{}120w w ?= ⑹【5】当矩阵A 相似于对角矩阵?对A 的每一特征值λ,有{}120w w = 其中{}{}12()0,/()0w E A w E A λββλβ=-==-=

有特例:若A 的特征值都代数重数为1时,由于不同特征值的特征向量是线性无关的,故必定可达到A 有n 个线性无关的特征向量,此时满足了前面的定理,矩阵可对角化。此又一可对角化的条件。该结论在复方阵中是否成立?

定理【3】 复方阵可对角化?A 的最小多项式没有重根。

由此定理得出其特征根的代数重数为1复方阵也可对角化。又问是否矩阵A 可对角化一定推出其特征根代数重数为1呢?看一例子:

例如:矩阵122212221?? ?A = ? ???

判断是否可对角化?

解:由1

222

1222

1E A λλλλ----=------其特征值分别为-1(2重)和5. 由属于-1的特征向量为12100,111εε???? ? ?== ? ? ? ?-????属于5的特征向量为3111ε?? ?= ? ???

存在矩阵101011111?? ?T = ? ?-??

使矩阵 A 可对角化

通过该例子说明代数重数为1只是矩阵可对角化的充分条件。

(四)如果存在一个基,使得线性变换在这个基下的矩阵是对角矩阵,那么称此线性变换可对角化,由于线性变换在不同基下的矩阵是相似的,故线性变换可对角化时,其基下的矩阵也可对角化。线性变换可对角化当且仅当有n 个线性无关的特征向量,此时该线性变换在有特征向量作为基下的矩阵为对角矩阵。有基的特点我们同理可引出 A 的属于不同特征值的特征子空间维数若等于n 时,则A 可以对角化。

如矩阵222214241-?? ?A =-- ? ?-??

判断该矩阵是否可对角化? 解:由22

222

14(3)(6)24

1E A λλλλλλ---=+-=-+--+ A 的特征值为3(2重),-6.

属于3的基础解系为12221,001ξξ-???? ? ?== ? ? ? ????? 属于特征值-6的基础解系为3122ξ?? ?= ? ?-??

该基础解系线性无关,123,,ξξξ可组成V 上一组基,且属于不同特征值的特征子空间维数之和为3,令一方面有其特征子空间维数为3,也即其几何重数为1,满足几何重数等于代数重数从而该矩阵可对角化。该例子也验证了前面所说的矩阵可对角化的条件。

(五)最小多项式与矩阵可对角化的关系。

域F 上n 级矩阵A 可对角化当且仅当A 的最小多项式()m λ在[]F λ中能分解成不同的一次因式的乘积。

当我们把上述矩阵改为幂等矩阵时,由幂等矩阵的最小多项式2()(1)m λλλλλ=-=-或λ或1λ-因此该矩阵可对角化。故得出V 上幂等矩阵一定可对角化。再有当域F 上的特征不等于2时,V 上的对合变换A 一定可对角化,当域F 的特征等于2时不等于I 的对

合变换一定不可对角化,则此对合变换下所对应的矩阵同样满足此条件。因为对应矩阵A 的最小多项式2()1(1)(1)m λλλλ=-=+-或1λ-或1λ+因此A 可 对角化,当特征为2时,最小多项式()m λ等于221(1)λλ-=+或1λ+若()1m λλ=+ 则00,I I I A+=A =-=因此不等于I 的 对合矩阵不可对角化。

又由此条件可以引出令一矩阵对角化条件,当F 为复数域时,V 上的周期变换一定可对角化其根据为:

周期为m 的周期矩阵A 的最小多项式()m λ是1m λ-的因式,由于在复数域上的一元多项式环中,1m λ-能分解成m 个不同的一次因式的乘积,因此()m λ也能分解成不同的一次因式的乘积,从而A 可对角化。

例如 求数域F 上3级矩阵A 的最小多项式并且判断A 是否可对角化。

311020111-?? ?A = ? ???

解:A 的特征多项式3

11

()0

20111f I A λλλλλ--=-=----=331(2)(2)11λλλλ--=--- 2111

(2)0000111

I -A -==-,20I A -≠

因此A 的最小多项式2()(2)m λλ=-,从而A 不可对角化。

又如 110010001?? ?A = ? ???

解:A 是由Jordan 块2(1)J 和1(1)J 组成的Jordan 形矩阵,因此A 的最 小多项式

]22()(1),(1)(1),m λλλλ?=--=-?A 不可对角化。

于是可得出:域F 上级数1r >的Jordan 块()r J a 一定不可对角化,同理也包含级数大于 1的Jordan 块的Jordan 形矩阵一定不可对角化。

因为()r J a 的最小多项式是()r a λ-当1r >时由上述定理()r J a 不可对角化。再由若A 是

理数域Q 上的n 级非零矩阵,且A 有 一个零化多项式()g λ是Q 上r 次不可约多项式,

1r >

则A 是否可对角化?若A 是复数域上的矩阵时,A 是否可对角化?

解:由于A 的最小多项式()/()m g λλ,而()g λ在Q 上不可约,因此()m λ与()g λ相伴, 从而()m λ在Q 上不可约,由于deg ()1m r λ=>因此A 不可对角化。

把A 看成复矩阵时()m λ在[]C λ中可以分解成一次因式的乘积,由于()m λ在Q 上不可约, 因此()m λ在[]Q λ中没有重因式,由于有无重因式不随数域的扩大而改变,因此()m λ []C λ中也没有重因式,从而()m λ的分解式中一次因式两两不同,所以复矩阵A 可对角

化。

若把上述定理变成复数域上时,当矩阵满足()m λ在复数域中没有重根,则A 可对角化。

如 矩阵0121000100010001n a a a a --?? ?- ? ?A =- ? ? ?-?

? 解:其最小多项式1110()n n n m a a a λλλλ--=++++ 当在复数域中没有重根时,即

1110n n n a a a λλλ--++++ 在C 中没有重根时,A 可对角化。

当矩阵()g λ为A 的零化多项式,则((),'())1g g λλ=A 相似于对角矩阵。

如矩阵222533102-?? ?A =- ? ?-??

是否可对角化。为什么?

解:2

125

32102E A λλλλ---=-+-+其二阶子式2211,()110D λλ-=-=从而

12()()1d d λλ==由于A 的最小多项式33()(1)d λλ=+有重根,因此A 不相

似于对角矩阵。 法二:3(1)E A λλ-=+但2()0A E +≠故最小多项式为3(1)λ+因而A 不相似于对角矩阵。 法三:3(1)E A λλ-=+特征值-1的代数重数为3,秩(1)2,E A --=,-1的特征子空间

为1v -,1dim 3v -=,秩(1)1,E A --=即特征值-1的几何重数为1,与代数

重数不等,故A 不可对角化。

再由若:域F 上的n 级矩阵A 与B 都可对角化,且AB =BA ,那么在域F 上存在一个n

可逆阵T 使11,T AT T T --B 都为对角矩阵,也是矩阵可对角化的一个充分条件。 且结论推广为:若1,,n A A 都可对角化,且它们两两可交换,那么存在一个基,使得

1,,n A A 在此基下的矩阵都是对角矩阵。

例如:设A 是域F 上n 维线性空间V 上的线性变换,A 在V 的一个基1,,n αα 下的矩阵

A 为100n a a ?? ? ? ??? 求A 可对角化的充分必要条件。 解:V 能分解成A 的2维或1维不变子空间的直和:

122211,,,,2k k k k V n k αααααα-+=<>⊕<>⊕<>= ,

1212221,,,,21,k k k k k V n k ααααααα+++=<>⊕<>⊕⊕<>⊕<>=+ 设1/,i n i αα-+A <>的最小多项式为()i m λ,则A 的最小多项式()m λ为:

[]12()(),(),(),2;k m m m m n k λλλλ==

[]121()(),(),(),(),2 1.k k m m m m m n k λλλλλ+==+

当n=2k+1时;1/k A α+<>是1k α+<>上的数乘变换1k α+,它的最小多项式

11()k k m λλα++=-。

于是由上述定理得A 可对角化当且仅当()(1,,)i m i k λ= 在[]F λ中可分解成不同的一次因式的乘积。1/,i n i αα--A <>在基1,i n i αα--下

的矩阵100i i n i αα--??A = ???

。当10i n i αα--==时0i A =于是()i m λλ=;当1,i n i a α--不全为0时,

i A 不是数量矩阵,因此()i m λ的次数大于1,从而()i m λ等于i A 的特征多项式21()i i n i f a a λλ--=-。于是我们得出,A 可对角化的充

分必要条件是:当1,i n i a a --不全为0时,21i n i a a λ---在[]F λ中能分解成不同

的一次因式的乘积,其中1,,.i k = 这里2n k =或12

n -,视n 为偶数还是奇数而定。

(六)当,A B 是实对称矩阵时且AB =BA 则存在正交矩阵Q 使11,Q AQ Q Q --B 同时为对角矩阵。

若为复方阵时,则条件应为22,E A =B =AB =BA 则存在可逆阵P 使得11,P P P P --A B 对角化。

设n n R ?A∈,且A 为对合矩阵,则存在可逆阵T ,使得1r

n r E T T E --??A = ?-?

?

。 则由此可得出 定理1【10】 以11221,,,,n n n k k k k k A =?+?++? 为n 个实数,1,,n ?? 为n 个对合矩阵,

且两两可交换,即()i j j i i j ??=??≠,则A 可对角化。

定理2【10】 设12,,n n R λλ?A∈为其两个不同的特征值,则A 可对角化当且仅当存在对合阵

?,使得[]12121()()2

E λλλλA =

++-?,其中?为对合矩阵。 例1:试判断以下矩阵是否可对角化。 200121101?? ?A =- ? ???

解:由2(1)(2)

E λλλ-A =--可得矩阵的两个特征值121,2λλ==(2重)。则:400300100124203021212202003201?????????? ? ? ??=--=-?? ? ? ?- ? ? ???-?????

??? 则2100100100212212010201201001E ?????? ??? ??=--== ??? ? ??? ?--??????

即?是对合矩阵,由定理2可知A 可对角化。

例2 试判断矩阵如下是否可对角化。

110430102-?? ?A =- ? ???

解:2(2)(1)E A λλλ-=--可得矩阵的两个特征值122,1λλ==(2重)。

220300520186003083021204003201?-?-???????? ? ? ??=--=-?? ? ? ?- ? ? ?????????

?? 则25205209408308301670201201841E ---?????? ??? ??=--=-≠ ??? ? ??? ?-??????

即?不是对合矩阵,由定理得出该矩阵不可对角化。

(七) 矩阵广义对角化

定义【7】 设(),,,n n M F F F αλA∈∈∈若向量组 {}1,,k A A ααα- 线性无关且k A αλα=则{}1,,k ααα-A A 为矩阵A 的一个k 次Krylov 特征向量。

如1111111111111111?? ?-- ?A = ?-- ?--??

证明:1A 不可次对角化。

2 A 在实数域内可广义对角化。

证明:()()()()1211221,2,3,41423,14,23,24,3,2,1n n σσσσσ??======== ??? 2222()(4)(416)A f x xE A x x x =-=-++

该矩阵在实数域内代数重数大于等于2的特征值为4(代数重数为2),因为齐次线性方程组2()0E X -A =解空间的维数为2,所以齐次线性方程组2(4)0E X -A =没有4个线性无关的解,矩阵A 不可次对角化。

2 ()()()()1211221,2,3,41324,132,4,3,13,1,2,4n n σσσσσ??======== ??? 333()(8)(8)A f x xE x x =-A =-+

矩阵3A 在实数 域内代数重数大于等于3的特征值为8(代数重数为3),齐次线性方程

组3(8)0I X -A =的一个非零解为21111124100,,004020ααα?????? ? ? ? ? ? ?=A =A = ? ? ? ? ? ??????? 2()(2)(2)(24)A f x xE A x x x x =-=-+++

矩阵A在实数域内代数重数大于等于1的特征值为2(代数重数为1),-2(代数重数为1)由(-2)3不等于8选取特征值为-2,齐次线性方程组(2)0

E A X

--=的一个非零解

21

1 1 1 1

α

-??

?

?

=

?

?

??

则2

21111111

,,,

αααα

A A线性无关,所以矩阵在实数域内可

广义对角化。

五总结

可对角化的矩阵在理论与实践中具有广泛的用途,本文从各个方面提出矩阵可对角化的条件,并探讨了各种条件之间的关系,还包含特殊矩阵如幂等矩阵,对合矩阵等等的可对角化的条件,以及在实数与复数域上之间的条件的不同,在一定条件下而且可以矩阵广义对角化。

关于矩阵对角化在国内外已有一定的研究,早在十九世纪末人们在研究行列式的性质和计算时提出对角矩阵的概念,由于计算机发展更为矩阵对角化提供了广阔的前景。本文从矩阵与特征值,特征向量,以及最小多项式之间的关系中找出矩阵可对角化的条件。

参考文献

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[]5钱吉林,岑嘉评,樊,刘恒,穆汉林,代数学辞典,[]M武汉,华中师范大学出版社,1994 []6钱吉林,线性数学概论[]M,武汉;华中师范大学出版社,2000

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[]11朱靖红,朱永生,矩阵对角化的相关问题,辽宁师范大学学报(自然科学版)

[]12曹锡皞,张益敏,黄登航,北京师范大学出版社,1984

致谢

首先,我要衷心地感谢我的指导老师王全虎老师!王老师在论文选题和论文写作中给予我的指导对我帮助非常大。他的办事风格和严谨的工作态度使我受益匪浅,对我来说这是一生中最宝贵的财富。

其次,我要感谢各位舍友提供给我的真诚的帮助,要是没有她们的帮助,我很难成功完成我的论文。

再次,我要感谢生我养我的父母,感谢他们对我的精心培养,若没有她们就没有今天的我。

最后,我要感谢我的母校-------山西师范大学给予我四年的培养。

矩阵的可对角化及其应用

附件: 分类号O15 商洛学院学士学位论文 矩阵的可对角化及其应用 作者单位数学与计算科学系 指导老师刘晓民 作者姓名陈毕 专业﹑班级数学与应用数学专业07级1班 提交时间二0一一年五月

矩阵的可对角化及其应用 陈毕 (数学与计算科学系2007级1班) 指导老师刘晓民 摘要:矩阵可对角化问题是矩阵理论中的一个重要问题,可对角化矩阵作为一类特殊的矩阵,在理论上和应用上有着十分重要的意义。本文对可对角化矩阵做出了全面的概括和分析,并利用高等代数和线性代数的有关理论给出了矩阵可对角化的若干条件,同时也讨论了化矩阵为对角形的求解方法,最后总结出可对角化矩阵在求方阵的高次幂﹑利用特征值求行列式的值﹑由特征值和特征向量反求矩阵﹑判断矩阵是否相似﹑向量空间﹑线性变换等方面的应用. 关键词:对角化;特征值;特征向量;相似;线性变换 Matrix diagonolization and its application Chen Bi (Class 1,Grade 2007,The Depart of Math and Calculation Science) Advisor:Lecturer Liu Xiao Min Abstract: Matrix diagonolization problem is an important problem in matrix theory diagonolization matrix, as a kind of special matrix, in theory and application has the extremely vital significance. This paper has made diagonolization matrix

矩阵可对角化的总结

矩阵可对角化的总结-标准化文件发布号:(9556-EUATWK-MWUB-WUNN-

矩阵可对角化的总结莆田学院数学系02级1班连涵生 21041111 [摘要]:主要讨论n级方阵可对角化问题:(1)通过特征值,特征向量和若尔当标准形讨论方阵可对角化的条件;(2)实n级对称矩阵的可对角化讨论;(3)几个常见n 级方阵的可对角化讨论。 [关键词]:n级方阵;可对角化;相似;特征值;特征向量;若尔当标准形;n级实对称矩阵 说明:如果没有具体指出是在哪一个数域上的n级方阵,都认为是复数域上的。当然如果它的特征多项式在某一数域K上不能表成一次多项式的乘积的话,那么在此数域上它一定不能相似对角阵。只要适当扩大原本数域使得满足以上条件就可以。复数域上一定满足,因此这样假设,就不用再去讨论数域。 引言 所谓矩阵可对角化指的是矩阵与对角阵相似,而说线性变换是可对角化的指的是这个线性变换在某一组基下是对角阵(或者说线性变换在一组基下的矩阵是可对角化的),同样可以把问题归到矩阵是否可对角化。本文主要是讨论矩阵可对角化。 定义1:设A,B是两个n级方阵,如果存在可逆矩阵P,使P-1AP=B,则称B与A相似,记作A~ B。矩阵P称为由A到B的相似变换矩阵。[]1[]2[]3[]4 2

3 定义2:设A 是一个n 级方阵,如果有数λ和非零向量X ,使AX=λX 则称λ是矩阵A 的特征值,X 称为A 的对应于λ的特征向量,称{|}V A λααλα==为矩阵对应于特征值λ的特征子空间。[]1[]2[]3[]4 定义3:设A 是数域P 上一个n 级方阵,若多项式()[]f x P X ∈,使()0f A =则称()f x 为矩阵A 的零化多项式。[]2 定义4:数域P 上次数最低的首项为1的以A 为根的多项式称为A 的最小多项式。[]1[]2[]3 一、 首先从特征值,特征向量入手讨论n 级方阵可 对角化的相关条件。 定理1:一个n 级方阵A 可对角化的充要条件它有n 个线性无关的特征向量。[]1[]2[]3[]4 证明:必要性:由已知,存在可逆矩阵P ,使 121n P AP λλλ-??????=??????即12n AP P λλλ??????=?????? 把矩阵P 按列分块,记每一列矩阵为 12,, ,n P P P 即

04 矩阵的对角化

第四讲 矩阵的对角化 对角矩阵的形式比较简单,处理起来较方便,比如求解矩阵方程Ax b =时,将矩阵A 对角化后很容易得到方程的解。以前我们学习过相似变换对角化。那么,一个方阵是否总可以通过相似变换将其对角化呢?或者对角化需要什么样的条件呢?如果不能对角化,我们还可以做哪些处理使问题变得简单呢? 一、特征征值与特征向量 1. 定义:对n 阶方阵A ,若存在数λ,及非零向量(列向量)x ,使得Ax x λ=,则称λ为A 的特征值,x 为A 的属于特征值λ的特征向量。 ☆ 特征向量不唯一; ☆ 特征向量为非零向量; ☆ ()0I A x λ-=有非零解,则det()0I A λ-=,称

det()I A λ-为A 的特征多项式。 例1 12 22122 2 1A ????=?????? ,求其特征值和特征向量。 【解】1 22 det()2 122 21 I A λλλλ----=------ 2 (1)(5)λλ=+-, 特征值为 121λλ==-,35λ=, 对于特征值1λ=-,由 ()0I A x --=, 1232222220222ξξξ?? ??????=???????????? , 1230ξξξ++= , 312ξξξ=-- ,

可取基础解系为 1101x ?? ??=?? ??-?? ,2011x ????=????-??, 所以属于特征值1λ=-的全部特征向量为 1122k x k x + ,其中12,k k 为不全为零的数. 对于特征值5λ=,由 (5)0I A x -=, 1234222420224ξξξ--?? ??????--=????????--???? , 123ξξξ== , 可取基础解系为 3111x ?? ??=?????? , 所以属于特征值1λ=-的全部特征向量为 33k x ,其中3k 为非零的数. 2. 矩阵的迹与行列式

可对角化矩阵的应用

可对角化矩阵的应用 矩阵可对角化问题是矩阵理论中的一个重要问题,可对角化矩阵作为一类,特殊的矩阵,在理论上和应用上有着十分重要的意义。下面列举几个常见的可对角化矩阵的应用的例子。 1.求方阵的高次幂 例设V 是数域P 上的一个二维线性空间,12,εε是一组基,线性变换σ在12,εε下的矩阵A =2110?? ?-?? ,试计算k A 。 解:首先计算σ在V 的另一组基12,ηη下的矩阵,这里 ()()121211,,12-?? ηη=εε ? -?? , 且 σ 在 12 ,ηη下的矩阵为 1 112 1112 12 11111121012111 01 2 1 ----?????????? ?? ??== ? ??? ????? ?----- ????????? ?????显然 1 10 10 1k k ??? ? = ? ? ?? ?? ,再利用上面得到的关系1 1121111112101201---???????? = ? ??? ?---???????? 我们可以得到 1 21111111111211 101201121201111k k k k k k k ----+????????????????=== ? ??? ? ????? ? ------+???????????????? 2.利用特征值求行列式的值。 例:设n 阶实对称矩阵2A =A 满足,且A 的秩为r ,试求行列式2E A -的值。 解:设AX=λX ,X ≠0,是对应特征值λ的特征向量,因

为2A A =,则22X X λE =AE =A =λ,从而有()20X λ-λ=,因为X ≠0, 所以()1λλ-=0,即λ=1或0,又因为A 是实对称矩阵,所以A 相似于对角矩阵,A 的秩为r ,故存在可逆矩阵P ,使 1 00 0r E P AP -??= ??? =B ,其中 r E 是r 阶单位矩阵,从而 1102220 2r n r n r E E A PP PBP E B E -----=-=-= =2 3由特征值与特征向量反求矩阵。 若矩阵A 可对角化,即存在可逆矩阵P 使,其中B 为对角矩阵,则 例 设3阶实对称矩阵A 的特征值为,对应的特征向量为,求矩阵A 。 解:因为A 是实对称矩阵,所以A 可以对角化,即A 由三个线性无关的特征向量,设对应于231λ=λ=的特征向量为 () 123,,T P X X X =,它应与特征向量 1 P 正交,即 []1123,00P P X X X =++=,该齐次方程组的基础解系为 ()() 231,0,0,0,1,1T T P P ==-,它们即是对应于231λ=λ=的特征向量。 取 ()123010100,,101,010101001P P P P B -???? ? ? === ? ? ? ?-???? ,则 1P A P B -=, 于是1110 010******* 210101010 0011010011 1010022A PBP -? ? ?-?????? ? ??? ?===- ? ??? ? ??? ? ?--??????- ??? 4判断矩阵是否相似

矩阵可对角化的判定条件开题报告

矩阵可对角化的判定条件开题报告 开题报告 矩阵可对角化的判定条件 选题的背景、意义 矩阵最初是作为研究代数学的一种工具提出的,但是经过两个多世纪的发展,现在已成为独立的一门数学分支?矩阵论。矩阵论又可分为矩阵方程论、矩阵分解论和广义逆矩阵论等矩阵的现代理论。矩阵及其理论现已应用于自然科学、工程技术、社会科学等许多领域。如在观测、导航、机器人的位移、化学分子结构的稳定性分析、密码通讯、模糊识别、计算机层析及 X 射线照相术等方面都有广泛的应用。随着现代数字计算机的飞速发展和广泛应用,许多实际问题可以通过离散化的数值计算得到定量的解决。于是作为处理离散问题的线性代数和矩阵计算,成为从事科学研究和工程设计的科技人员必备的数学基础。 矩阵是一个重要的数学工具,不仅在数学中有广泛的应用,在其他学科中也经常遇到。它在二十世纪得到飞速发展,成为在物理学、生物学、地理学、经济学等中有大量应用的数学分支,现在矩阵比行列式在数学中占有更重要的位置。 矩阵对角化是矩阵论的重要组成部分,在矩阵论中占有重要的作用,研究矩阵对角化问题很有实用价值,关于矩阵对角化问题的研究,这方面的资料和理论已经很多。但是他们研究的角度和方法只是某个方面的研究,没有进行系统的分类归纳和总结。因此,我就针对这方面进行系统的分类归纳和总结,对一些理论

进行应用和举例,给出算法。特别给出了解题时方法的选择。 矩阵的应用在现代社会中是十分广泛的,本文围绕有限维线性空间上的线性变换对角化问题与矩阵可对角化相互转换进行研究.根据矩阵的多项式对矩阵对角化问题进行判断,这种方法不仅为探讨矩阵对角化提供了一个简便的工具,也把矩阵和有限维空间相结合.在现代科技中,很多问题都是运用此类方式。 矩阵对角化问题只是矩阵理论中的一个小问题,但是一个基础问题,这样矩阵可对角化作为矩阵理论里的最基础的知识,就显得格外的重要.通过对《高等代数》,《科学计算方法》等有关资料的查阅和分析研究,为我们对判定矩阵的可对角化的条件提供了相关依据和理论. 文献[1]和[2]介绍了广义逆矩阵和一类特殊矩阵可对角化的判定条件,利用子空间关于矩阵的最小多项式研究了矩阵可广义对角化的充要条件,给出了一种更简单的判别仅有两个互异特征根的矩阵与对角阵相似以及求特征向量的方法。 文献[3]总结了利用循回阵的性质找出一个矩阵可对角化的充要条件。任意阶矩阵可以对角化的充要条件是相似于一个阶循回阵, 形式最简单的矩阵是对角阵。矩阵对角化是线性变换和化二次型到主轴上问题中经常遇到并需要解决的一个关键问题,但不是任何一个阶矩阵都可以对角化。 文献[4]总结了对矩阵的计算中用到了对角化的性质。该文详细地分析了Doolittle LU分解过程,基于分解过程的特点,在MPI(Message-Passing interface)并行环境下,提出了按直角式循环对进程进行任务分配的并行求解方法。实验证明该方法可以有效地减少进程间数据通信量,从而加快计算速度。 文献[5]?[7] 阐述了矩阵可对角化的条件以及对实对称矩阵的可对角化,

最新对角化矩阵的应用本科

对角化矩阵的应用本 科

XXX学校 毕业论文(设计) 对角化矩阵的应用 学生姓名 学院 专业 班级 学号 指导教师 2015年 4 月 25 日

毕业论文(设计)承诺书 本人郑重承诺: 1、本论文(设计)是在指导教师的指导下,查阅相关文献,进行分析研究,独立撰写而成的. 2、本论文(设计)中,所有实验、数据和有关材料均是真实的. 3、本论文(设计)中除引文和致谢的内容外,不包含其他人或机构已经撰写发表过的研究成果. 4、本论文(设计)如有剽窃他人研究成果的情况,一切后果自负. 学生(签名): 2015 年4月25日

对角化矩阵的应用 摘要 矩阵对角化问题是矩阵理论中一个关键性问题.本文借助矩阵可对角化条件,可对角化矩阵性质和矩阵对角化方法来研究可对角化矩阵一些应用,包括求方阵的高次幂,反求矩阵,判断矩阵是否相似,求特殊矩阵的特征值,在向量空间中证明矩阵相似于对角矩阵,运用线性变换把矩阵变为对角矩阵,求数列通项公式与极限,求行列式的值. 【关键词】对角化;特征值;特征向量;矩阵相似;线性变换

Application of diagonalization matrix Abstract Matrix diagonalization problem is the key issue in the matrix theory. In this paper, by using matrix diagonalization conditions, diagonalization matrix properties and matrix diagonalization method we study some applications of diagonalization matrix, including for high-order exponent of matrix, finding the inverse matrix, matrix to determine whether it is similar, the eigenvalue of special matrix, in the vector space that matrix similar to a diagonal matrix, using linear transformation matrix is a diagonal matrix, for the series of general term formula and limit, the determinant of value. [Key words] The diagonalization; Eigenvalue; Feature vector; Similar; Linear transformation

矩阵对角化及应用论文

矩阵对角化及应用 理学院 数学082 缪仁东 指导师:陈巧云 摘 要:本文是关于矩阵对角化问题的初步研究,对矩阵对角化充要条件的归纳,总结,通过对实对称矩阵,循环矩阵,特殊矩阵对角化方法的计算和研究,让读者对矩阵对角化问题中求特征值、特征向量,求可逆矩阵,使对角化,提供了简便,快捷的求解途征. 关键词:对角矩阵;矩阵对角化;实对称矩阵;特征值;特征向量. 矩阵对角化是矩阵论的重要组成部分,在矩阵论中占有重要的作用,研究矩阵对角化问题很有实用价值,关于矩阵对角化问题的研究,这方面的资料和理论已经很多.但是他们研究的角度和方法只是某个方面的研究,没有进行系统的分类归纳和总结.因此,我就针对这方面进行系统的分类归纳和总结,对一些理论进行应用和举例,给出算法.特别给出了解题时方法的选择. 1.矩阵对角化概念及其判定 所有非主对角线元素全等于零的n 阶矩阵,称为对角矩阵或称为对角方阵. 定义1.1 矩阵A 是数域P 上的一个n 级方阵. 如果存在一个P 上的n 级可逆矩阵X ,使 1X AX - 为对角矩阵,则称矩阵A 可对角化. 矩阵能否对角化与矩阵的特征值特征向量密切相关. 定义 1.2 设A 是一个n 阶方阵,λ是一个数,如果方程组 AX X λ= (1) 存在非零解向量,则称λ为的A 一个特征值,相应的非零解向量X 称为属于特征值λ的特征向量. (1)式也可写成, ()0E A X λ-= (2) 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 =0E A λ-, (3)

即 11 121212221 2 0n n n n nn a a a a a a a a a λλλ------=--- 上式是以λ为未知数的一元n 次方程,称为方阵A 的特征方程. 其左端A E λ-是λ的n 次多项式,记作()f λ,称为方阵 的特征多项式. 11 1212122 21 2 ()||n n A n n nn a a a a a a f E A a a a λλλλλ------=-= --- 111n n n n a a a λλλ--=++ ++ 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 有n 个特征值. 设n 阶矩阵()ij A a =的特征值为12,,n λλλ,由多项式的根与系数之间的关系,不难证明 (ⅰ)121122n nn a a a λλλ+++=++ +; (ⅱ)12 n A λλλ=. 若λ为A 的一个特征值,则λ一定是方程=0A E λ-的根, 因此又称特征根,若λ为方程 =0A E λ-的i n 重根,则λ称为A 的i n 重特征根.方程 ()0A E X λ-=的每一个非零解向量都 是相应于λ的特征向量,于是我们可以得到求矩阵A 的全部特征值和特征向量的方法如下: 第一步:计算A 的特征多项式E A λ-; 第二步:求出特征方程=0E A λ-的全部根,即为A 的全部特征值; 第三步:对于 的每一个特征值λ,求出齐次线性方程组: ()0E A X λ-= 的一个基础解系12,,,s ξξξ,则A 的属于特征值λ的全部特征向量是 1122s s k k k ξξξ+++(其中12,,,s k k k 是不全为零的任意实数) . 设P 是数域, Mn (P ) 是P 上n ×n 矩阵构成的线性空间, A ∈Mn (P ) , 1,2t ,,λλλ 为 A 的t 个互不相同的特征值,高等代数第二版(北京大学数学系几何与代数教研室编)第四版(张和瑞、郝炳新编)课程中,我们学过了矩阵可对角化的若干充要条件如: (1) A 可对角化当且仅当A 有n 个线性无关的特征向量; (2) A 可对角化当且仅当特征子空间维数之和为n ;

矩阵可对角化的条件.

第二节矩阵可对角化的条件 定义1 如果矩阵能与对角矩阵相似,则称可对角化。 例1设,则有:,即。从而 可对角化。 定理1 阶矩阵可对角化的充分必要条件是有个线性无关的特征向量。 证明:必要性如果可对角化,则存在可逆矩阵,使得 将按列分块得,从而有

因此有,所以是的属于特征值的特征向量,又由可逆,知线性无关,故有个线性无关的特征向量。 充分性设是的个线性无关的特征向量,它们对应的特征值依次为 ,则有。令,则是一个可逆矩阵且有: 因此有,即,也就是矩阵可对角化。 注若,则,对按列分块得 ,于是有 ,即 ,从而。可见,对角矩阵的元素就是矩阵的特征值,可逆矩阵就是由的线性无关的特征向量所构成的,并且特征向量的顺序依赖于对角矩阵。 定理2 矩阵的属于不同特征值的特征向量是线性无关的。

证明:设是的个互不相同的特征值,是的属于特征值的特征向量,现对作数学归纳法证明线性无关。 当时,由于特征向量不为零,因此定理成立。 假设的个互不相同的特征值对应的个特征向量是线性无关的。设 是的个互不相同的特征值,是的属于特征值的特征向量。又设 (1) 成立。则有,又将(1)式两边同乘得: 从而有,由归纳假设得 ,再由两两互不相同可得 ,将其代入(1)式得,因此有,从而 线性无关。 推论1 若阶矩阵有个互不相同的特征值,则可对角化,且 。 定理3 设是阶矩阵的个互异特征值,对应于的线性无关的特征 向量为,则由所有这些特征向量(共个)构成的向量组是线性无关的。

证明:设,记, ,则有,且或是的属于特征值的特征向量。若存在某个,,则由属于不同特征值的特征向量线性无关知 ,矛盾。因此有,,又由已知得 ,,因此向量组 线性无关。 定理4设是阶矩阵的一个重特征值,对应于的特征向量线性无关的最大个数为,则,即齐次线性方程组的基础解系所含向量个数不超过特征值的重数。 证明:用反证法。由于是的属于特征值的特征向量当且仅当是齐次线性方程组的非零解,因此对应于的特征向量线性无关的最大个数与齐次线性方程组的基础解系所含向量个数相等。设是齐次线性方程组的一个基础解系,且假设,则有。现将扩充为一个维线性无关向量组,其中 未必是的特征向量,但有是一个维向量,从而 可由向量组线性表示,即: 因而有:

矩阵可对角化的充分必要条件论文

学号 20080501050116 密级 兰州城市学院本科毕业论文 矩阵可对角化的充分必要条件 学院名称:数学学院 专业名称:数学与应用数学 学生姓名:练利锋 指导教师:李旭东 二○一二年五月

BACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY Matrix diagonalization of the necessary and sufficient condition College : Mathematics Subject : Mathematics and Applied Mathematics Name : Lian Lifeng Directed by : Li Xudong May 2012

郑重说明 本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的,所以数据、资料真实可靠。尽我所能,除文中已经注明应用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有的著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名 : 日期 :

摘要 矩阵是否可以对角化,是矩阵的一条很重要的性质。对相似可对角化的充分必要条件的理解,一直是线性代数学习中的一个困难问题。本文给出了矩阵可对角化的几个充分必要条件和相应的证明。 关键词:方阵;特征值;特征向量;对角化

ABSTRACT Matrix diagonalization is a very important nature of matrix.Understanding the necessary and sufficient conditions of similarity can be diagonalized , has been a difficult problem in linear algebra.In this paper, several necessary and sufficient conditions and the corresponding proofs of matrix diagonlization have been given. Key words:square;eigenvalue;eigenvector;diagonalization

矩阵可对角化的充分必要条件开题报告

本科毕业论文开题报告 题目:矩阵可对角化的充分必要条件院系:数学学院 专业:数学与应用数学 班级: 081(本) 姓名:练利锋 指导教师:李旭东 申报日期: 2011年12月30日

开题报告填写要求 1.开题报告作为毕业论文(设计)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业论文(设计)工作前期内完成,经指导教师签署意见审查后生效。 2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写,按教务处统一设计的电子文档标准格式打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见。 3.学生查阅资料的参考文献应在3篇及以上(不包括辞典、手册),开题报告的字数要在1000字以上。 4.有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2004年9月26日”或“2004-09-26”。

毕业论文开题报告 1.本课题的研究意义 矩阵是高等代数中的重要组成部分,是许多数学分支研究的重要工具。而对角矩阵作为矩阵中比较特殊的一类,形式简单,研究起来非常方便。而研究矩阵的对角化及其理论意义也很明显,相似是一种等价关系,对角化相当于对一类矩阵在相似意义下给出了一种简单的等价形式,这对理论分析是方便的。相似的矩阵拥有很多相同的性质,比如特征多项式,特征根,行列式…….如果只关心这类性质,那么相似的矩阵可以看作没有区别的,这时研究一个一般的可对角化矩阵,只要研究它的标准形式——一个对角矩阵就可以了。而对角矩阵是最简单的一类矩阵,研究起来非常方便。这个过程相当于在一个等价类中选取最顺眼的元素进行研究。 另外,对角化突出了矩阵的特征值,而过度矩阵T反映了特征向量的信息,对角化过程的直观意义还是很明显的。再结合正交矩阵的概念,可以得到一些不平凡的结论,例如实对称矩阵总可以对角化。 事实上,在大学的学习中矩阵对角化理论占有非常重要的地位,因此,对它的研究意义重大。然而在高等代数学习中,大部分学生对矩阵对角化的充分必要条件的学习效果不是很理想,对什么样的矩阵可以对角化以及对角阵的求解步骤了解不深,常常出现错误,我认为主要的原因是他们对矩阵的相似对角化概念及其充分必要条件理解不透彻,本课题给出矩阵可对角化的基本概念和可对角的充分必要条件,并给出其他一些引申的充分必要条件和性质,对这些条件和性质的证明有助于学生对矩阵可对角化的条件进一步理解和强化,以及对可对角化矩阵的相似对角阵的求法和性质进一步理解掌握。从而使高等代数中的重要概念——矩阵的对角化理论比较完整的呈现在我们面前。 总之,矩阵对角化的充要条件是一个传统但又很重要的研究课题,具有广泛的应用价值。在很多有关矩阵数学问题的分析和证明中,我们都需要用到矩阵的对角化。本文给出了矩阵可对角的若干充分必要条件,希望对同学们在今后的学习和实际应运中有一定的帮助。 2.本课题的基本内容

矩阵可对角化的总结

矩阵可对角化的总结莆田学院数学系02级1班连涵生21041111 [摘要]:主要讨论n级方阵可对角化问题:(1)通过特征值,特征向量和若尔当标准形讨论方阵可对角化的条件;(2)实n 级对称矩阵的可对角化讨论;(3)几个常见n 级方阵的可对角化讨论。 [关键词]:n级方阵;可对角化;相似;特征值;特征向量;若尔当标准形;n级实对称矩阵 说明:如果没有具体指出是在哪一个数域上的n级方阵,都认为是复数域上的。当然如果它的特征多项式在某一数域K上不能表成一次多项式的乘积的话,那么在此数域上它一定不能相似对角阵。只要适当扩大原本数域使得满足以上条件就可以。复数域上一定满足,因此这样假设,就不用再去讨论数域。 引言 所谓矩阵可对角化指的是矩阵与对角阵相似,而说线性变换是可对角化的指的是这个线性变换在某一组基下是对角阵(或者说线性变换在一组基下的矩阵是可对角化的),同样可以把问题归到矩阵是否可对角化。本文主要是讨论矩阵可对角化。 定义1:设A,B是两个n级方阵,如果存在可逆矩阵P,使P-1AP=B,则称B与A相似,记作A~B。矩阵P称为由A 到B的相似变换矩阵。[]1[]2[]3[]4

定义2:设A 是一个n 级方阵,如果有数λ和非零向量X ,使AX=λX 则称λ是矩阵A 的特征值,X 称为A 的对应于λ的特征向量,称{|}V A λααλα==为矩阵对应于特征值λ的特征子空间。[] 1[]2[]3[] 4 定义3:设A 是数域P 上一个n 级方阵,若多项式 ()[]f x P X ∈,使()0f A =则称()f x 为矩阵A 的零化多项式。[] 2 定义4:数域P 上次数最低的首项为1的以A 为根的多项式称为A 的最小多项式。[] 1[]2[] 3 一、首先从特征值,特征向量入手讨论n 级方阵可对角化的 相关条件。 定理1:一个n 级方阵A 可对角化的充要条件它有n 个线性无关的特征向量。[] 1[]2[]3[] 4 证明:必要性:由已知,存在可逆矩阵P ,使 1 2 1 n P AP λλλ-????? ?=??????即12n AP P λλλ?? ????=????? ? 把矩阵P 按列分块,记每一列矩阵为 12,,,n P P P 即 12[,,,]n P P P P = 于是有

矩阵的对角化的应用

矩阵的对角化的应用 摘要:矩阵是高等代数中的一个重要的基本概念,是代数学的一个主要研究对 象。对角矩阵作为一种特殊的矩阵,在理论研究和矩阵性质推广中有重要意义。本文对可对角化矩阵做出了全面的概括和分析,并利用高等代数和线性代数的有关理论给出了矩阵可对角化的若干条件,同时也讨论了化矩阵为对角形的求解方法,最后总结出可对角化矩阵在求方阵的高次幂﹑利用特征值求行列式的值﹑由特征值和特征向量反求矩阵﹑判断矩阵是否相似﹑向量空间﹑线性变换等方面的应用. 关键词:对角化;特征值;特征向量;相似 一、概念 所谓矩阵可对角化指的是矩阵与对角阵相似 定义1:如下形式的n×n矩阵= 称为对角矩阵简记为 =diag(,,,) 定义2:把矩阵A(或线性变换)的每个次数大于零的不变因子分解成互不相同的首项为1的一次因式方幂的乘积,所有这些一次因式方幂(相同的必须按出现的次数计算)称为矩阵A(或线性变换)的初等因子。 定义3:设A是数域P上的n级矩阵,如果数域P上的多项式f(x)使得f(x)=0,则称f(x)以A为根,在以A为根的多项式中,次数最低且首项系数为1的多项式称为A的最小多项式。 定义4:设V是P上的线性空间,是V上的一个变换,如果对任意V和 P都有,则称为V的一个线性变换

定义5:设是数域P上线性空间V的一个线性变换,如果存在P中的一个数 和V中非零元素使得,则称为的一个特征值,而称为的属于特征值的一个特征向量,由的属于特征值的全部特征向量再添上零元素构成的集合构成V的一个子空间,称为的一个特征子空间。 定义6:设A,B为数域P上的两个n级矩阵,如果存在数域P上的n级可逆矩阵X 使得B=AX,则称A相似于B,记为A B,并称由A变到B得变换为相似变换,称X为相似变换矩阵。 二〃矩阵对角化条件 常用的充要条件 (1)可对角化当且仅当有个线性无关的特征向量; (2)可对角化当且仅当特征子空间维数之和为; (3)可对角化当且仅当的初等因子是一次的; (4)可对角化当且仅当的最小多项式无重根。[2-5] 三. 实对称矩阵对角化的一种简化方法 设是实对称矩阵,求正交矩阵使的问题,一般方法可简述为: (1)求特征值; (2)求对应的特征向量; (3)将特征向量正交标准化; (4)写出及.

矩阵对角化的步骤例题

矩阵对角化的步骤例题 1. 【将矩阵A=(12 先求特征值:|λE-A|=|(λ-1 -2 3)(1 λ-4 3) (-1 2 λ-5)|=(λ-2)^2(λ-6)=0所以特征值λ1=λ2=2,λ3=6求特征向量:当λ=2时:λE-A=(1 -2 3) (1 -2 3) (-1 2 -3)解得特征向量分别为:ξ1=(-3 0 1) ξ2=(2 1 0)当λ=6时,λE-A=(5 -2 3) (1 2 3) (-1 2 1)特征向量为ξ3=(1 1 -1)所以P=(-3 2 1) (0 1 1) (1 0 -1)矩阵对角化:P的逆AP=(2 0 0)(0 2 0)(0 0 6)对角矩阵为(2 0 0)(0 2 0)(0 0 6)。 2. 矩阵对角化问题,题目和答案都在这,麻烦写一遍过程,结果是怎么搞 设矩阵A的特征值为λ那么 |A-λE|= 3-λ6 6 0 2-λ0 -3 -12 -6-λ =(2-λ) [(3-λ)(-6-λ)+18] =(2-λ)(3+λ)λ=0 解得λ=0,2,-3

λ=0时,A-0E= 3 6 6 0 2 0 -3 -12 -6 r2/2,r3+r1,r1/3 ~ 1 2 2 0 1 0 0 -6 0 r1-2r2,r3+6r2 ~ 1 0 2 0 1 0 0 0 0 得到特征向量(-2,0,1)^T λ=2时,A-2E= 1 6 6 0 0 0 -3 -12 -8 r3+3r1

~ 1 6 6 0 0 0 0 6 10 r1-r3,r3/6,交换r2r3 ~ 1 0 -4 0 1 5/3 0 0 0 得到特征向量(4,-5/3,1)^T λ=-3时,A+3E= 6 6 6 0 5 0 -3 -12 -3 r2/5,r1/6,r3+3r1,r3+9r2,r1-r2 ~ 1 0 1 0 1 0 0 0 0 得到特征向量(-1,0,1)^T

矩阵对角化的研究文献综述

毕业论文文献综述 数学与应用数学 矩阵对角化的研究 一、前言部分(说明写作的目的,介绍有关概念、综述范围,扼要说明有关主题争论焦点) (一)写作目的 矩阵可对角化问题是矩阵理论中的一个基本问题.通过此次写作希望能比较全面的认识矩阵的对角化的基础知识,深入理解其基本内容,领会其思想方法,并掌握求矩阵的对角化的方法.通过求矩阵的对角化的多种解决方法来了解矩阵的对角化问题,并通过比较总结出一套比较简单易行的方案.除此之外,还要在原有的基础上,得到一些有意义的结果,争取在某些方面有所创新. (二)有关概念 首先,我们给出文中常用的符号如下[1]: (i)C 表示实数域; (ii)m n C ?表示实数域上的m n ?阶矩阵的集合; (iii)()n M C 表示n 阶复矩阵的集合; (iv)n n R ?表示n n ?实矩阵集合; (v)()n M R 表示n 阶实矩阵的集合; (vi)n E 表示n n ?阶的单位矩阵; (vii)det A 表示矩阵A 的行列式; (viii)()1122,,,nn diag a a a L 表示主对角线上为元素1122,,,nn a a a L 的对角矩阵; 定义1[2]: 对角线以外的元都等于0,即当i j ≠时有(),0A i j =的方阵称为对角矩阵.记为()1122,,,nn diag a a a L .如: ()112211220000,,,00nn nn a a diag a a a def a ???????????? L L L M M O M L

特别地,()1,1,,1diag L 称为单位矩阵,简称单位阵,记n E . 定义2[3]: 若n 阶矩阵A 与对角矩阵相似,则称A 可对角化,也称A 是单纯矩阵. (三)综述范围 若一个n 阶矩阵相似于对角阵时,可以使许多问题的研究和计算简化.求解矩阵对角化先得确定矩阵是否符合可对角化的条件,所以在文献[4-5]具体介绍了矩阵可对角化的条件,根据这些条件求一般矩阵以及一些特殊矩阵的对角化,在文献[6-8]中比较详细的介绍了他们的定理及证明方法. 通常,矩阵可对角化问题与特征值密切相关,除此之外我们还可以通过可逆矩阵求解矩阵的对角阵.通过求矩阵可对角化的多种解决方法来了解矩阵的对角化问题,并通过比较总结出一套比较简单易行的方案[9]. 本文结合矩阵的基本知识原理,对矩阵对角化的各种常用求法进行梳理、归纳,并举例进行说明. (四)主要的问题 矩阵相似于对角阵时,可以使许多问题的研究和计算简化.如何用最简便的方法解决不同矩阵(如对称矩阵,幂等矩阵,对合矩阵)的对角化问题. 二、主体部分(阐明有关主题的历史背景、现状和发展方向,以及对这些问题的评述) (一)历史背景 矩阵这个概念是从解线性方程组中产生的.我国现存的最古老的数学书《九章算术》(成书于公元1世纪,作者不详)中,就有一个线性方程组的例子: 323923342326x y z x y z x y z ++=??++=??++=? 为了使用加减消去法解方程,古人把系数排成如下图所示的方形: =≡≡ 古时称这种矩形的数表为“方程”或“方阵”,其意思与矩阵相仿.在西方,矩阵这个

矩阵的对角化及其应用教学文稿

矩阵的对角化及其应 用

湖北民族学院理学院2016届 本科毕业论文(设计) 矩阵的对角化及其应用 学生姓名:赵远安学号: 021241015 专业:数学与应用数学指导老师:刘先平 答辩时间: 2016.5.22 装订时间: 2016.5.25

A Graduation Thesis (Project) Submitted to School of Science, Hubei University for Nationalities In Partial Fulfillment of the Requiring for BS Degree In the Year of 2016 Diagonalization of the Matrix and its Applications Student Name: ZHAO Yuanan Student No.: 021241015 Specialty: Mathematics and Applied Mathematics Supervisor: Liu Xianping Date of Thesis Defense:2016.5.22 Date of Bookbinding: 2016.5.25

摘要 矩阵在大学数学中是一个重要工具,在很多方面应用矩阵能简化描述性语言,而且也更容易理解,比如说线性方程组、二次方程等. 矩阵相似是一个等价关系,利用相似可以把矩阵进行分类,其中与对角矩阵相似的一类矩阵尤为重要,这类矩阵有很好的性质,方便我们解决其它的问题. 本文从矩阵的对角化的诸多充要条件及充分条件着手,探讨数域上任意一个n阶矩阵的对角化问题,给出判定方法,研究判定方法间的相互关系,以及某些特殊矩阵的对角化,还给出如幂等矩阵、对合矩阵、幂幺矩阵对角化的应用. 关键词:对角矩阵,实对称矩阵,幂等矩阵,对合矩阵,特征值,特征向量,最小多项式

矩阵的对角化

矩阵的对角化 (李体政 徐宗辉) ● 教学目标与要求 通过学习,使学生明白为什么要进行矩阵的对角化, 并且熟练掌握一般方阵对角化的方法, 特别是实对称矩阵的对角化方法. ● 教学重点与难点 教学重点: 一般方阵可以对角化的条件及其对角化; 实对称矩阵的对角化. 教学难点: 求正交矩阵,使实对称矩阵化为对角矩阵. ● 教学方法与建议 先引入相似矩阵的概念, 通过分析相似矩阵的性质, 让学生看到: 讨论方阵与一个对角矩阵相似(在本节中我们称为矩阵的对角化)的问题是非常有意义的, 从而提出矩阵对角化的两个核心问题: (1) 对于任何一个方阵,是否一定可以对角化(即存在性问题); (2) 对于一个方阵,若可以对角化,那么如何进行对角化. 围绕这两个问题,完成本节课的教学任务. ● 教学过程设计 1. 问题的提出 我们先引入相似矩阵的概念: 定义1: 对于阶数相同的方阵A 和B , 若存在可逆方阵P , 使得 1 P AP B -= 则称矩阵A 与B 相似, 记为A B , 而对A 进行的运算1 P AP -称为对A 进行的相似变换, 可逆方阵P 称为把A 变为B 的相似变换矩阵. 利用相似矩阵的定义及前面的知识不难得出如下结论: 性质1: 设 A B , 则有 1) A B =; 2) ()()r A r B =; 3) I A I B λλ-=-, 从而具有相同的特征值. 说明: 性质1表明, 假如矩阵A 与B 相似, 则A 与B 具有相同的行列式、相同的秩以及相同的特征值. 而且很自然地推出, 若A 与一个对角矩阵Λ相似, 那么Λ的主对角线元素恰好就是A 的n 个特征值. 考虑到对角矩阵是一类性质优良的矩阵, 我们进一步会

矩阵可对角化的判定条件及推广

矩阵可对角化的判定条件及推广 数学与计算机科学学院 数学与应用数学(S ) 学号:2011031103 姓名:方守强 指导教师:梁俊平 摘要:矩阵是否可以对角化,是矩阵的一条很重要的性质。对相似可对角化的充分必要条件的理解,一直是线性代数学习中的一个困难问题。本文给出了矩阵可对角化的几个充分必要条件和相应的证明。 关键词:方阵;特征值;特征向量;对角化 引言:矩阵是高等代数中的重要组成部分,是许多数学分支研究的重要工具。 而对角矩阵作为矩阵中比较特殊的一类,其形式简单,研究起来也非常方便。研究矩阵的对角化及其理论意义也很明显,矩阵相似是一种等价关系,对角化相当于对一类矩阵在相似意义下给出了一种简单的等价形式,这对理论分析是方便的。相似的矩阵拥有很多相同的性质,比如特征多项式、特征根、行列式……如果只关心这类性质,那么相似的矩阵可以看作是没有区别的,这时研究一个一般的可对角化矩阵,只要研究它的标准形式——一个对角形矩阵就可以了。而对角矩阵是最简单的一类矩阵,研究起来非常方便。 在本课题中通过阅读参考文献、查阅相关资料,初步总结出了矩阵可对角化的若干充分必要条件,并给予了相应的证明过程。 一、矩阵可对角化的概念 1 特征值、特征向量的概念 定义1 设A 是数域P 上线性空间V 的一个线性变换, 如果对于数域P 中的一个数0λ存在一个非零向量ε使得ελε0=A ,那么0λ称为A 的一个特征值,而 ε 称为A 的属于特征值0λ的一个特征向量。 求方阵A 的特征值与特征向量的步骤: (1)由特征方程A E -λ=0求得A 的n 个特征值,设t λλλ,,,21 是A 的互异特征值,其重数分别为t n n n ,,,21 则n n n n t =+++ 21。

矩阵对角化方法的研究

目录 摘要 ........................................................................................................................................... I Abstract. ................................................................................................................................. II 第一章绪论 (1) 1.1 引言 (1) 1.2 预备知识 (1) 1.2.1 可对角化概念及判断是否可对角化相关知识: (1) 1.2.2 相关结论知识: (2) 第二章矩阵对角化方法探究 (5) 2.1 矩阵对角化的方法 (5) 2.1.1 一般矩阵的3种对角化方法 (5) 2.1.2 实对称矩阵的对角化 (10) 第三章运用 (14) 3.1 已知特征值和特征向量,求原矩阵 (14) 3.2 计算方阵的高次幂 (14) 参考文献: (17) 致谢 (18) .

矩阵对角化方法的研究 学生:胡邦群指导教师:何聪教师 摘要对角矩阵是矩阵中形式最为简单但其地位却十分重要,因此对矩阵对角化问题的研究很有价值。本文主要介绍了对于一般矩阵的3种对角化方法并对实对称矩阵的对角化方法以及对角矩阵的运用做了相关补充,同时配例题加以阐述。 关键词: 特征值;特征向量;可对角化;矩阵初等变化;正交变换;线性无关

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