\chapter{特征值和特征向量} \section{引子} \begin{theorem}[代数学基本定理] 复系数一元$n$次多项式在$\complexnum$上至少有一个根。 \end{theorem} \begin{corollary} 复系数一元$n$次多项式$p(x)$,在$\complexnum$上恰好有$n$个根(可能相同),即存在因式分解$p(x) = a_0(x- x_1)^{n_1} (x - x_2)^{n_2}\dots (x - x_s)^{n_s}$,其中$n_1 + n_2 + \dots + n_s = n$。 在上述因式分解中,$n_i$称为复根$x_i$的重数,$x_i$称为$p(x)$的$n_i$重根。 \end{corollary} \begin{theorem}[Vieta定理] 复系数一元$n$次多项式$p(x) = a_0x^n + a_1x^{n-1} + \dots + a_n$的$n$个根(计重数)$x_1, x_2, \dots, x_n$满足: \begin{align*} -\frac{a_1}{a_0} & = x_1 + x_2 + \dots + x_n,\\ & ~ \vdots\\ (-1)^k \frac{a_k}{a_0} & = \sum_{1 \leq i_1 < \dots < i_k \leq n} x_{i_1}x_{i_2}\dots x_{i_k},\\ & ~ \vdots\\ (-1)^n \frac{a_n}{a_0} & = x_1 x_2 \dots x_n\eqper \end{align*} \end{theorem} 如果不加特别说明,本章将出现的矩阵都是复矩阵。 \section{基本概念} \begin{definition}[特征值] 给定$n$阶方阵$A$,如果对$\lambda \in \complexnum$,存在非零向量$\bvec{x} \in \complexnum^n$,使得$A\bvec{x} = \lambda \bvec{x}$,则称$\lambda$为方阵$A$(在$\complexnum$上)得一个特征值,而称非零向量$\bvec{x}$为方阵$A$(在$\complexnum$上)得一个属于特征值$\lambda$的特征向量。 二元组$(\lambda, \bvec{x})$常称为方阵$A$的一个特征对。 特别地,对实方阵$A$,如果特征对$(\lambda, \bvec{x})$满足$\lambda \in \realnum, \bvec{x} \in \realnum^n$,则分别称二者为$A$在$\realnum$上的特征值和特征向量,称该二元组为$A$在$\realnum$上的特征对。 \end{definition} \begin{proposition} 数$\lambda_0$是$A$的特征值,当且仅当$\det(\lambda_0 I_n - A) = 0$特别地,$0$是$A$的特征值当且仅当$A$不可逆。 \end{proposition} \begin{definition} 多项式 \[p_A(\lambda) := \det(\lambda I_n - A) = \begin{vmatrix} \lambda - a_{11} & - a_{12} & \cdots & -a_{1n}\\ -a_{21} & \lambda - a_{22} & \ddots & \vdots\\ \vdots & \ddots & \ddots & -a_{n-1,n}\\ -a_{n1} & -a_{n2} & \cdots & \lambda - a_{nn} \end{vmatrix}\] 称为矩阵$A$的特征多项式。 \end{definition} \begin{theorem} 设$n$阶方阵$A$的特征多项式为$p_A(\lambda)$,那么: \begin{enumerate} \item 数$\lambda_0$是$A$的特征值,当且仅当$p_A(\lambda_0) = 0$,即$\lambda_0$是特征多项式$p_A(\lambda)$的根。 \item 向量$\bvec{x}_0 \in \complexnum^n$是$A$的属于$\lambda_0$的特征向量,当且仅当$\bvec{x}_0 \in \nullspace{\lambda_0 I_n - A}$且$\bvec{x}_0 \neq 0$,即$\bvec{x}_0$是$\lambda_0 I_n - A$的零空间中的非零向量。 \end{enumerate} \end{theorem} \begin{proposition} 上(下)三角矩阵的全部特征值就是其所有对角元素。 \end{proposition} \begin{theorem}[Gershgorin圆盘定理] 对矩阵 \(A = \begin{bmatrix} a_{ij} \end{bmatrix}_{n \times n}\), 定义如下$n$个圆盘 \[G_i(A) := \left\{z \bigg| \abs{z - a_{ii}} \leq \sum_{j \neq i} \abs{a_{ij}}\right\}\eqco\] 那么矩阵的任意特征值$\lambda$一定落在某个圆盘中。因此,矩阵的全部特征值一定落在这$n$个圆盘中。 \end{theorem} \begin{definition}[代数重数] 给定$n$阶方阵$A$及$A$的一个特征值$\lambda_0 \in \complexnum$,如果$\lambda_0$是特征多项式$p_A(\lambda)$的$n_0$重根,则称$n_0$为$\lambda_0$作为$A$的特征值的代数重数(简称重数),称$\lambda_0$是$A$的一个$n_0$重特征值。 一个1重特征值,又称为单特征值。 \end{definition} \begin{proposition} 给定$n$阶实方阵$A$,如果$\lambda_0$是它的一个非实数特征值,则$\overline{\lambda}_0$也是它的特征值,且其代数重数和$\lambda_0$的代数重数相等。进一步地,如果复向量$\bvec{x}_0$是属于$\lambda_0$的特征向量,则$\overline{\bvec{x}}_0$是属于$\overline{\lambda}_0$的特征向量。 \end{proposition} \begin{proposition} 给定$n$阶方阵$A$,其特征多项式具有如下形式: \[p_A(\lambda) = \lambda^n - \trace(A) \lambda^{n-1} + \dots + (-1)^n \det(A)\eqper\] \end{proposition} \section{对角化和谱分解} 如果线性空间存在一组基$\bvec{x}_1, \bvec{x}_2,\dots, \bvec{x}_n$,且基向量$\bvec{x}_i(i = 1, 2, \dots, n)$是矩阵$A$的属于$\lambda_i$的特征向量,那么$A$可以写作$A + X\varLambda X\revmat$,其中 \(X = \begin{bmatrix} \bvec{x}_1 & \bvec{x}_2 & \dots & \bvec{x}_n \end{bmatrix}\), $\varLambda = \diag(\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n)$。 \begin{definition}[谱分解] 对方阵$A$,如果存在可逆矩阵$X$使得$X\revmat A X = \varLambda$是对焦矩阵,则称$A$是(在$\complexnum$上)可对角化的,$X$把$A$对角化,或$X$对角化$A$。 如果方阵$A, X, \varLambda$都是实矩阵,则称$A$在$\realnum$上可对角化。 当$A$可对角化,分解$A = X \varLambda X\revmat$称为$A$的谱分解。 \end{definition} \begin{proposition} 对$n$阶方阵$A$,$A$可对角化,当且仅当$A$有$n$个线性无关的特征向量。 \end{proposition} \begin{proposition} 方阵的属于不同特征值的特征向量线性无关。 \end{proposition} \begin{corollary} 有$n$个不同特征值的$n$阶方阵,即特征值都是单特征值的方阵,可对角化。 \end{corollary} \begin{definition}[几何重数] 给定$n$阶方阵$A$及其特征值$\lambda_0$,称特征子空间$\nullspace{\lambda_0I_n - A}$的维数为$\lambda_0$作为$A$的特征值的几何重数。 \end{definition} \begin{proposition} 方阵的特征值的几何重数不大于其代数重数。 \end{proposition} \begin{definition} 几何重数和代数重数相等的特征值,称为半单特征值。几何重数小于代数重数的特征值,称为亏损特征值。 \end{definition} \begin{theorem} \begin{enumerate} \item $n$阶方阵$A$可对角化,当且仅当其特征值都半单。 \item $n$阶是方阵$A$在$\realnum$上可对角化,当且仅当其特征多项式的根都是实根,且其特征值都半单。 \end{enumerate} \end{theorem} \begin{proposition} 设分块对角矩阵 \(A = \begin{bmatrix} A_1 & & & \\ & A_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_r \end{bmatrix}\), 其中$A_i, i = 1, 2, \dots, r$都是方阵,则$A$可对角化当且仅当所有的$A_i$都可对角化。 \end{proposition} \begin{example} 将$A$对角化。 \end{example} \begin{enumerate} \item 求特征值:求$\det(\lambda I - A) = 0$的根$\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_k$。 \item 对每个$\lambda_i$,求$\nullspace{\lambda_i I - A}$的一组基$\bvec{x}_{i,1}, \bvec{x}_{i,2}, \dots, \bvec{x}_{i,r_i}$。 \item 若有亏损特征值,则$A$不可对角化;若所有的特征值都是半单的,则令 \[X = \begin{bmatrix} \bvec{x}_{1,1} & \cdots & \bvec{x}_{1,r_1} & \bvec{x}_{2,1} & \cdots & \bvec{x}_{2, r_2} & \cdots & \bvec{x}_{k,1} & \cdots & \bvec{x}_{k, r_k} \end{bmatrix}\] \[\varLambda = \diag(\underbrace{\lambda_1 \dots \lambda_1}_{r_1\text{个}}\underbrace{\lambda_2 \dots \lambda_2}_{r_2\text{个}}\dots \underbrace{\lambda_k \dots \lambda_k}_{r_k\text{个}})\] 则有$A = X\varLambda X\revmat$。 \end{enumerate} \section{相似} \begin{definition}[相似] 对方阵$A, B$,如果存在可逆矩阵$X$使得$X\revmat A X = B$,则称$A$和$B$相似,或$A$相似于$B$。 \end{definition} \begin{proposition} 方阵的相似关系是等价关系。 \end{proposition} \begin{proposition} 方阵的相似关系有如下不变量: \begin{enumerate} \item 秩; \item 特征多项式、特征值、特征值的代数重数、迹、行列式; \item 特征值的几何重数。 \end{enumerate} \end{proposition} \begin{corollary} 两个对角矩阵相似当且仅当它们的对角元素除排列次序外相同。 \end{corollary} \begin{definition} 如果$A$可对角化,则称对角化得到的对角矩阵为$A$的相似标准形。 \end{definition} \begin{proposition} 对$n$阶方阵$A$,存在可逆矩阵$X$,使得$X\revmat A X = T$是上三角矩阵,且$T$的对角元素是$A$的$n$个特征值(记重数)。进一步地,通过选择特定的$X$,能够令$T$的对角元素是$A$的特征值的任意排列。 \end{proposition} \begin{theorem}[Hamilton-Cayley定理] 设方阵$A$的特征多项式为$p_A(\lambda)$,则$p_A(A) = O$。 \end{theorem} \begin{theorem}[Jordan分解] 对$n$阶方阵$A$,存在可逆矩阵$X$,使得 \[X\revmat A X = J = \begin{bmatrix} J_{n_1}(\lambda_1) & & & \\ & J_{n_2}(\lambda_2) & & \\ & & \ddots & \\ & & & J_{n_r}(\lambda_r) \end{bmatrix}\eqco\] 其中 \(J_{n_i}(\lambda_i) = \begin{bmatrix} \lambda_i & 1 & & \\ & \lambda_i & \ddots &\\ & & \ddots & 1\\ & & & \lambda_i \end{bmatrix}_{n_i \times n_i}\) 是$n_i$阶Jordan块,而$n_1 + n_2 + \dots + n_r = n$,且除了这些Jordan块的排列次序外,$J$被$A$唯一确定。注意$\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_r$中可能有相同的数。另外,当$A$是实方阵且$\lambda_i$全是实数时,$X$也可取作实方阵。 \end{theorem} \begin{definition} 设$A, B$是$n$阶方阵,如果存在可逆矩阵$X$使得$X\revmat A X = \varLambda_1$和$X\revmat B X = \varLambda_2$都是对角矩阵,则称$A, B$可以同时对角化。 \end{definition} \begin{proposition} 对可对角化的$n$阶方阵$A, B$,以下叙述等价: \begin{enumerate} \item $A,B$可以同时对角化; \item 存在$n$个线性无关的向量,同时是$A, B$的特征向量; \item $A, B$可交换,即$AB = BA$。 \end{enumerate} \end{proposition}