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1§3相似矩阵使得则称B是A的相似矩阵,或说矩阵A与B相似.定义1:设A,B都是n阶方阵,若存在可逆矩阵P,对A进行运算称为对A进行相似变换,可逆矩阵P称为把A变成B的相似变换阵.上页下页返回一、相似矩阵
2上页下页返回相似矩阵的运算性质(由定义可得到):设则1)2)3)
34)其中f(x)为P[x]中的任意一个多项式.特别5)若A1,B1可逆,则特别若令则(2)中的k可取任何整数.上页下页返回
4上页下页返回解:可求得其分别对应的特征向量:显然这两个向量线性无关.设例1:设求
5上页下页返回求得
6上页下页返回
7定理1:若n阶矩阵A与B相似,则它们的特征多项上页下页返回式相同,从而其特征值也相等.证:因为A与B相似,即有可逆矩阵P,使故即A与B的特征多项式相同,从而其特征值也相同.
8推论:若n阶矩阵A与对角阵相似,则是A的n个特征值.证:是Λ的n个特征值,而A与Λ相似,由定理1知也是A的n个特征值.上页下页返回
9二、相似对角阵对任一n阶矩阵A,能否找到一个相似变换阵P,使P-1AP=Λ为对角阵.定义2:对n阶矩阵A,若能找到相似因子阵P,使P-1AP=Λ(3)为对角阵,则称A可对角化,求矩阵P的过程称为把方阵A对角化.对角形矩阵是性质和计算都比较简单的矩阵.上页下页返回
10定理2:n阶方阵A与对角阵相似的充要条件是A有n个线性无关的特征向量.证:必要性:∵A与Λ相似,即存在相似因子阵P使把P用列向量表示为由得AP=PΛ而AP=(Ap1,Ap2,…,Apn),上页下页返回
11于是有即由于λi是A的n个特征值,P的列向量pi就是A的对应于特征值λi的特征向量.又由于P是可逆阵,(p1,p2,…,pn)线性无关.故满足AP=PΛ的矩阵故其列向量组充分性:∵A有n个线性无关的特征向量p1,p2,…,pn,且它们分别对应于特征值于是(5)成立.上页下页返回
12令(以特征向量为列作矩阵)则P可逆,且两边左乘P-1,推论1:若n阶方阵A有n个互不相同的特征值,则A必与对角阵相似.上页下页返回从而有P-1AP=Λ.即A与Λ相似.
13例1:求矩阵的相似对角阵及相似因子阵.解:先求特征值.上页下页返回得A的特征值为
14当A的特征向量为以p1,p2,p3为列作矩阵,得相似因子阵可验证上页下页返回时,可求得当A的特征向量为当A的特征向量为时,时,
15例2:判断矩阵能否与对角阵相似?解:由得A的特征值为上页下页返回
16当时,解方程组(2E-A)x=0,由(2E-A)=得∴基础解系(特征向量)为上页下页返回
17当时,解方程组(E-A)x=0,(E-A)=得∴基础解系(特征向量)为因此矩阵A没有三个线性无关的特征向量,故A不能与对角阵相似.上页下页返回
18例3:设A,B为n阶方阵,A可逆,证明AB与BA相似.解:∵A可逆,即A-1存在,故有A-1ABA=(A-1A)BA=BA∴AB与BA相似.上页下页返回注:1)相似对角阵主对角线上元素即为A的三个特征值.2)若不要求求出相似因子阵P,则只要求出特征值就可得对角阵.3)若特征值有重根时,A就不一定能对角化.
19上页下页返回§4对称矩阵的对角化定理1:实对称矩阵A的特征值为实数.设复数λ为实对称矩阵A的特征值,证:复向量x为对应于特征值λ的特征向量,即Ax=λx,x≠0.表示的共轭复数,表示x的共轭复向量,又由于A是实对称阵,则什么样的矩阵可对角化呢?结论:任意实对称矩阵都与对角矩阵相似.
20上页下页返回因而有,或但因x≠0,故则即λ是实数.两边转置两边右乘x(12)由特征向量的定义,(13)(11)
21上页下页返回定理2:设λ1、λ2是实对称矩阵A的两个特征值,p1、p2分别是对应于两个特征值的特征向量.若λ1≠λ2,则p1与p2正交.证:设上式两边右乘p2,有则但故∴p1与p2正交.
22上页下页返回定理3:n阶实对称阵一定有n个线性无关的特征向量,且A与实对角阵相似.定理4:设A为n阶实对称矩阵,则必有正交矩阵P,使(14)为对角矩阵,其中λ1,λ2,…,λn是A特征值.
23上页下页返回例7:试用正交矩阵P把化为对角阵.解:∵A为实对称阵,必存在正交矩阵P,使由解得
24上页下页返回当时,
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