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5.3 对角化

[美] David C. Lay、Steven R. Lay 等著,刘深泉等译机械工业出版社《线性代数及其应用(原书第5版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

在很多情况下,从分解式 A = PDP⁻1 (其中 D 是对角矩阵),我们能够了解到有关矩阵 A 的特征值和特征向量的信息。本节,我们利用分解式在 k 较大时能快速计算 A^k ,这是线性代数中某些应用的基本思想。稍后,在5.6节和5.7节,分解式被用来分析(解耦)动力系统。

下面的例题表明对角矩阵的幂很容易计算.

例 1

若 D = 5 & 0 0 & 3,则 D² = 5 & 0 0 & 3 5 & 0 0 & 3 = 5² & 0 0 & 3²

D ^ 3 = D D ^ 2 = [ l l 5 & 0 0 & 3 ] [ l l 5 ^ 2 & 0 0 & 3 ^ 2 ] = [ l l 5 ^ 3 & 0 0 & 3 ^ 3 ]

一般有

text 对 k ≥slant 1, D ^ k = [ l l 5 ^ k & 0 0 & 3 ^ k ]

若 A = PDP⁻1 ,其中 P 为可逆矩阵, D 为对角矩阵,那么 A^k 的计算也很简单,见下例.例2设 A = [ ll7 & 2 -4 & 1 ] ,给定 A = PDP⁻1 ,其中 P = [ ll1 & 1 -1 & -2 ],D = [ ll5 & 0 0 & 3 ] ,计算 A^k

解

由 2 × 2 矩阵的逆矩阵的标准公式得

P ^ - 1 = [ c c 2 & 1 - 1 & - 1 ]

然后,结合矩阵乘法,得

r l A ^ 2 & = (P D P ^ - 1) (P D P ^ - 1) = P D underbrace (P ^ - 1 P) _ I D P ^ - 1 = P D D P ^ - 1 & = P D ^ 2 P ^ - 1 = [ l l 1 & 1 - 1 & - 2 ] [ l l 5 ^ 2 & 0 0 & 3 ^ 2 ] [ l l 2 & 1 - 1 & - 1 ]

同理,

A ^ 3 = (P D P ^ - 1) A ^ 2 = underbrace (P D P ^ - 1) P _ I D ^ 2 P ^ - 1 = P D D ^ 2 P ^ - 1 = P D ^ 3 P ^ - 1

一般对 k ≥slant 1 ,有

r l A ^ k & = P D ^ k P ^ - 1 = [ c c 1 & 1 - 1 & - 2 ] [ c c 5 ^ k & 0 0 & 3 ^ k ] [ c c 2 & 1 - 1 & - 1 ] & = [ c c 2 · 5 ^ k - 3 ^ k & 5 ^ k - 3 ^ k 2 · 3 ^ k - 2 · 5 ^ k & 2 · 3 ^ k - 5 ^ k ]

如果方阵 A 相似于对角矩阵,即存在可逆矩阵 P 和对角矩阵 D,有 A = PDP⁻1 ,则称 A 可对角化。下一个定理给出了可对角化矩阵的特征,并告诉我们如何去建立合适的分解式。

定理 5 对角化定理

n × n 矩阵 A 可对角化的充分必要条件是 A 有 n 个线性无关的特征向量.

事实上, A=PDP⁻1 ,D为对角矩阵的充分必要条件是P的列向量是A的n个线性无关的特征向量。此时,D的主对角线上的元素分别是A的对应于P中特征向量的特征值。

换句话说, A 可对角化的充分必要条件是有足够的特征向量形成 ℝⁿ 的基,我们称这样的基为特征向量基.

证明

首先看到,若 P 是列为 v₁, …, vₙ 的任一 n × n 矩阵,D 是对角线元素为 λ₁, …, λₙ 的对角矩阵,那么

A P = A [ boldsymbol v _ 1 boldsymbol v _ 2 … boldsymbol v _ n ] = [ A boldsymbol v _ 1 A boldsymbol v _ 2 … A boldsymbol v _ n ] (1)

而

P D = P [ c c c c λ_ 1 & 0 & … & 0 0 & λ_ 2 & … & 0 vdots & vdots & & vdots 0 & 0 & … & λ_ n ] = [ l l l l λ_ 1 ±b v _ 1 & λ_ 2 ±b v _ 2 & … & λ_ n ±b v _ n ] (2)

现假设 A 可对角化且 A = PDP⁻1 ,用 P 右乘等式两边,则有 AP = PD。此时,由(1)和(2)得 [Av₁ Av₂ … Avₙ] = [λ₁v₁ λ₂v₂ … λₙvₙ] (3)

由列相等,有

A boldsymbol v _ 1 = λ_ 1 boldsymbol v _ 1, A boldsymbol v _ 2 = λ_ 2 boldsymbol v _ 2, … , A boldsymbol v _ n = λ_ n boldsymbol v _ n (4)

因为 P 可逆,故 P 的列 v₁, …, vₙ 必定线性无关。同样,因为这些 v₁, …, vₙ 非零,故(4)表示 λ₁, …, λₙ 是特征值, v₁, …, vₙ 是相应的特征向量。这就证明了定理中第一、第二和随后的第三个命题的必要性。

最后,给定任意 n 个特征向量 v₁, …, vₙ ,用它们作为矩阵 P 的列,并用相应的特征值来构造矩阵 D,由(1)~(3),等式 AP = PD 成立而不需要特征向量有任何条件。若特征向量是线性无关的,则 P 是可逆的(由可逆矩阵定理),由 AP = PD 可推出 A = PDP⁻1 。

矩阵的对角化

例 3

可能的话,将下面矩阵对角化:

A = [ c c c 1 & 3 & 3 - 3 & - 5 & - 3 3 & 3 & 1 ]

即求可逆矩阵 P 和对角矩阵 D,使得 A = PDP⁻1 .

解

对角化工作可分为 4 步来完成.

第 1 步 求出 A 的特征值.在 5.2 节曾提到,在矩阵的规模大于 2 × 2 时,可借用计算机求特征值,为避免分心,本书将会提供这一步的内容.现在的特征方程是一个 3 次多项式,可分解为:

r l 0 = det (A - λ I) & = - λ^ 3 - 3 λ^ 2 + 4 & = - (λ - 1) (λ + 2) ^ 2

特征值是 λ=1 和 λ=-2 .

第2步 求 A 的3个线性无关的特征向量.因为 A 是 3 × 3 矩阵,故需要3个向量.这一步很关键,如果找不到这3个向量,那么由定理5, A 就不能对角化.用5.1节的方法可求出每一特征空间的基:

boldsymbol v _ 1 = [ c 1 - 1 1 ]

对于 λ = 1 的基是:

对于 λ = -2 的基是: v₂ = -1 1 0 和 v₃ = -1 0 1

可以验证 {v₁, v₂, v₃} 是线性无关的.

第3步 用第2步得到的向量构造矩阵 P 。向量的次序不重要,用第2步选择的次序,形成

p = [ l l l boldsymbol v _ 1 & boldsymbol v _ 2 & boldsymbol v _ 3 ] = [ r r r 1 & - 1 & - 1 - 1 & 1 & 0 1 & 0 & 1 ]

第4步 用对应的特征值构造矩阵 D 。构造 D 时,特征值的次序必须和矩阵 P 的列选择的特征向量的次序一致。对应于 λ = -2 的特征向量有2个,特征值 λ = -2 要出现2次:

D = [ c c c 1 & 0 & 0 0 & - 2 & 0 0 & 0 & - 2 ]

验证所找的 P 和 D 是否正确是一个好的习惯,为避免计算 P⁻1 ,可简单验证 AP = PD,这等价于当 P 可逆时 A = PDP⁻1 。(但必须确认 P 是可逆的!)计算

A P = [ r r r 1 & 3 & 3 - 3 & - 5 & - 3 3 & 3 & 1 ] [ r r r 1 & - 1 & - 1 - 1 & 1 & 0 1 & 0 & 1 ] = [ r r r 1 & 2 & 2 - 1 & - 2 & 0 1 & 0 & - 2 ]P D = [ r r r 1 & - 1 & - 1 - 1 & 1 & 0 1 & 0 & 1 ] [ r r r 1 & 0 & 0 0 & - 2 & 0 0 & 0 & - 2 ] = [ r r r 1 & 2 & 2 - 1 & - 2 & 0 1 & 0 & - 2 ]
例 4

试着将下面的矩阵 A 对角化:

A = [ c c c 2 & 4 & 3 - 4 & - 6 & - 3 3 & 3 & 1 ]
解

A 的特征方程与例3的完全一样:

0 = det (A - λ I) = - λ^ 3 - 3 λ^ 2 + 4 = - (λ - 1) (λ + 2) ^ 2

特征值是 λ = 1 和 λ = -2 。但当我们找特征向量时,发现每一特征空间仅是一维的:

对于 λ=1 的特征向量: v₁=1 -1 1

对于 λ = -2 的特征向量: v₂ = -1 1 0

没有其他的特征向量了, A 的每个特征向量都是 ±bν₁ 或 ±bν₂ 的倍数.因此不可能利用 A 的特征向量

来构造出 ℝ³ 的基.由定理5, A 不能对角化

以下定理为矩阵可对角化提供了充分条件.

定理 6

有 n 个相异特征值的 n × n 矩阵可对角化.

证明

设 v₁,…,vₙ 是矩阵 A 对应于 n 个相异特征值的特征向量,由 5.1 节定理2 是线性无关的,因此,由定理5,{v₁,…,vₙ} 是线性无关的,因此,由定理 5,A 可对角化.

不过, n × n 矩阵并不是必须有 n 个相异特征值才可对角化。例3 的 3 × 3 矩阵尽管只有 2 个相异的特征值,但它是可对角化的。

例 5

确定下列矩阵能否对角化:

A = [ c c c 5 & - 8 & 1 0 & 0 & 7 0 & 0 & - 2 ]
解

很容易判断矩阵 A 可对角化.因为 A 是 3 × 3 的三角矩阵,其特征值显然是 5, 0 和 -2, 有三个相异的特征值,故 A 可对角化.

如果 n × n 矩阵 A 有 n 个相异的特征值及相应的特征向量 v₁, …, vₙ ,若记 P = [v₁ … vₙ] ,那么由定理2,P 的列是线性无关的,自然 P 是可逆的。当 A 可对角化,但 A 相异的特征值的个数少于 n 时,我们仍可以用以下定理给出的方法来构造可逆矩阵 P^(ominus) 。

定理 7

设 A 是 n × n 矩阵,其相异的特征值是 λ₁, …, λₚ .

a.对于 1 ≤slant k ≤slant p, λₖ 的特征空间的维数小于或等于 λₖ 的代数重数.

b.矩阵 A 可对角化的充分必要条件是所有不同特征空间的维数之和为 n,即(i)特征多项式可完全分解为线性因子,(ii)每个 λₖ 的特征空间的维数等于 λₖ 的代数重数。

c.若 A 可对角化, Bₖ 是对应于 λₖ 的特征空间的基,则集合 B₁, …, Bₚ 中所有向量的集合是 Rⁿ 的特征向量基.

例 6

试着将下列矩阵对角化.

A = [ c c c c 5 & 0 & 0 & 0 0 & 5 & 0 & 0 1 & 4 & - 3 & 0 - 1 & - 2 & 0 & - 3 ]
解

A 是三角矩阵,特征值是 λ = 5 和 λ = -3 ,重数都是2.利用5.1节的方法,我们求出每个特征空间的基.

对应 λ = 5 的基:

boldsymbol v _ 1 = [ c - 8 4 1 0 ], boldsymbol v _ 2 = [ c - 1 6 4 0 1 ]

对应 λ = -3 的基: v₃ = 0 0 1 0 , v₄ = 0 0 0 1

由定理7,向量集合 {±bv₁,… ,±bv₄} 是线性无关的,故 P = [±bv₁ … ±bv₄] 是可逆的,且有 A = PDP⁻1 ,其中

P = [ c c c c - 8 & - 1 6 & 0 & 0 4 & 4 & 0 & 0 1 & 0 & 1 & 0 0 & 1 & 0 & 1 ], D = [ c c c c 5 & 0 & 0 & 0 0 & 5 & 0 & 0 0 & 0 & - 3 & 0 0 & 0 & 0 & - 3 ]
练习题
  1. A=4 & -3 2 & -1 ,计算 A⁸ .

  2. 设 A = -3 & 12 -2 & 7 , ν₁ = 3 1 , ν₂ = 2 1 ,若已知 ±bν₁ 和 ±bν₂ 是 A 的特征向量,将 A 对角化.

  3. 设 4 × 4 矩阵 A 的特征值是 5, 3 和 -2,并且已知对应于 λ = 3 的特征空间是二维的,你能否判断 A 是可对角化的?

习题5.3

在习题 1 和习题 2 中,设 A = PDP⁻1 ,计算 A⁴ .

  1. P=5 & 7 2 & 3, D=2 & 0 0 & 1

[ c c c 2 & 2 & 1 1 & 3 & 1 1 & 2 & 2 ]P = [ c c 2 & - 3 - 3 & 5 ], D = [ c c 1 & 0 0 & frac 12 ]

在习题 3 和习题 4 中,利用分解式 A = PDP⁻1,计算 A^(k) , k 为正整数.

[ c c a & 0 3 (a - b) & b ] = [ l l 1 & 0 3 & 1 ] [ l l a & 0 0 & b ] [ l l 1 & 0 - 3 & 1 ]
[ c c - 2 & 1 2 - 1 & 5 ] = [ c c 3 & 4 1 & 1 ] [ c c 2 & 0 0 & 1 ] [ c c - 1 & 4 1 & - 3 ]

在习题5和习题6中,矩阵 A 被分解为 PDP⁻1 ,利用对角化定理求 A 的特征值和每个特征空间的基.

= [ c c c 1 & 1 & 2 1 & 0 & - 1 1 & - 1 & 0 ] [ c c c 5 & 0 & 0 0 & 1 & 0 0 & 0 & 1 ] [ c c c frac 14 & frac 12 & frac 14 frac 14 & frac 12 & - frac 34 frac 14 & - frac 12 & frac 14 ][ c c c 4 & 0 & - 2 2 & 5 & 4 0 & 0 & 5 ] = [ c c c - 2 & 0 & - 1 0 & 1 & 2 1 & 0 & 0 ] [ c c c 5 & 0 & 0 0 & 5 & 0 0 & 0 & 4 ] [ c c c 0 & 0 & 1 2 & 1 & 4 - 1 & 0 & - 2 ]

试着将习题 7~20 的矩阵对角化.习题 11~16 的特征值如下所示:

(11) λ=1,2,3 ; (12) λ=2,8 ; (13) λ=5,1 ;

(14) λ=5,4 ; (15) λ=3,1 ; (16) λ=2,1.对于习题 18,一个特征值是 λ=5 ,对应的特征向量为 (-2,1,2) .

[ c c 1 & 0 6 & - 1 ]
[ c c 5 & 1 0 & 5 ]
[ c c 3 & - 1 1 & 5 ]
[ c c 2 & 3 4 & 1 ]
[ c c c - 1 & 4 & - 2 - 3 & 4 & 0 - 3 & 1 & 3 ]
[ c c c 4 & 2 & 2 2 & 4 & 2 2 & 2 & 4 ]
[ r r r 2 & 2 & - 1 1 & 3 & - 1 - 1 & - 2 & 2 ]
[ c c c 4 & 0 & - 2 2 & 5 & 4 0 & 0 & 5 ]
[ r r r 7 & 4 & 1 6 2 & 5 & 8 - 2 & - 2 & - 5 ]
[ r r r 0 & - 4 & - 6 - 1 & 0 & - 3 1 & 2 & 5 ]
[ c c c 4 & 0 & 0 1 & 4 & 0 0 & 0 & 5 ]
[ c c c - 7 & - 1 6 & 4 6 & 1 3 & - 2 1 2 & 1 6 & 1 ]
[ c c c c 5 & - 3 & 0 & 9 0 & 3 & 1 & - 2 0 & 0 & 2 & 0 0 & 0 & 0 & 2 ]
[ c c c c 4 & 0 & 0 & 0 0 & 4 & 0 & 0 0 & 0 & 2 & 0 1 & 0 & 0 & 2 ]

在习题21和习题22中,A,B,P和D是 n × n 矩阵,标出每个命题的真假,证明你的答案(在做这些习题之前先仔细研读定理5和定理6及本节的例子).

  1. a.若存在矩阵 D 和可逆矩阵 P 使得 A = PDP⁻1 成立,则 A 可对角化.

b.若 ℝⁿ 有 A 的特征向量基,则 A 可对角化.

c. A 可对角化的充分必要条件是 A 有 n 个特征值(算上重数).

d.若 A 可对角化,则 A 是可逆的.

  1. a.若 A 有 n 个特征向量,则 A 可对角化. b. 若 A 可对角化,则 A 有 n 个相异的特征值. c. 若 AP = PD, D 为对角矩阵,那么 P 的非零列必定是 A 的特征向量.

d.若 A 可逆,则 A 可对角化.

  1. 5 × 5 矩阵 A 有 2 个特征值,一个特征空间是三维的,另一个特征空间是二维的。A 可对角化否?为什么?

  2. 3 × 3 矩阵 A 有 2 个特征值,每个特征空间是一维的,A 可对角化否?为什么?

  3. 4 × 4 矩阵 A 有3个特征值,有一个特征空间为一维,其他特征空间之一是二维的。 A 是否可对角化?说明理由。

  4. 7 × 7 矩阵 A 有 3 个特征值,一个特征空间是二维的,其他特征空间之一是三维的,A 是否不可对角化?说明理由.

  5. 证明:若 A 可对角化且可逆,则 A⁻1 亦可对角化.

  6. 证明: 若 A 有 n 个线性无关的特征向量,则 A^(T) 也有 n 个线性无关的特征向量.(提示: 用对角化定理.)

  7. 分解式 A = PDP⁻1 不是唯一的,用例2的矩阵 A ,利用例2的结果求矩阵 D₁ = 3 & 0 0 & 5 ,利用例2的结果求矩阵 P₁ ,使得 A = P₁D₁P₁⁻1 .

  8. 对例2 的 A 和 D,求不等于 P 的可逆矩阵 P₂ ,使得 A = P₂ DP₂⁻1 .

  9. 构造一个非零的 2 × 2 可逆但不可对角化的矩阵.

  10. 构造一个不是对角阵的 2 × 2 可对角化但不可逆的矩阵.

[M]将习题33~36的矩阵对角化,先用矩阵程序的特征值命令求特征值,然后用5.1节的方法找出特征空间的基.

[ r r r r 6 & 4 & 0 & 9 - 3 & 0 & 1 & 6 - 1 & - 2 & 1 & 0 - 4 & 4 & 0 & 7 ]
[ c c c c 0 & 1 3 & 8 & 4 4 & 9 & 8 & 4 8 & 6 & 1 2 & 8 0 & 5 & 0 & - 4 ]
[ r r r r r 1 1 & - 6 & 4 & - 1 0 & - 4 - 3 & 5 & - 2 & 4 & 1 - 8 & 1 2 & - 3 & 1 2 & 4 1 & 6 & - 2 & 3 & - 1 8 & - 1 8 & 8 & - 1 4 & - 1 ][ c c c c c 4 & 4 & 2 & 3 & - 2 0 & 1 & - 2 & - 2 & 2 6 & 1 2 & 1 1 & 2 & - 4 9 & 2 0 & 1 0 & 1 0 & - 6 1 5 & 2 8 & 1 4 & 5 & - 3 ]
练习题答案
  1. operatornamedet(A - λ I) = λ² - 3λ + 2 = (λ - 2)(λ - 1) ,特征值是2和1,对应的特征向量是 v₁ = 3 2 和 v₂ = 1 1 ,然后构造 P = 3 & 1 2 & 1 , D = 2 & 0 0 & 1 , P⁻1 = 1 & -1 -2 & 3.由 A = PDP⁻1 ,得
A ^ 8 = P D ^ 8 P ^ - 1 = [ l l 3 & 1 2 & 1 ] [ l l 2 ^ 8 & 0 0 & 1 ^ 8 ] [ c c 1 & - 1 - 2 & 3 ] = [ l l 3 & 1 2 & 1 ] [ l l 2 5 6 & 0 0 & 1 ] [ c c 1 & - 1 - 2 & 3 ] = [ l l 7 6 6 & - 7 6 5 5 1 0 & - 5 0 9 ]
  1. 计算 A±bv₁ = -3 & 12 -2 & 7 3 1 = 3 1 = 1 · ±bv₁, A±bv₂ = -3 & 12 -2 & 7 2 1 = 6 3 = 3 · ±bv₂

显然, v₁ 和 v₂ 分别是特征值 1 和 3 对应的特征向量,因此 A = PDP⁻1 ,其中

P = 3 & 2 1 & 1 和 D = 1 & 0 0 & 3

  1. A 可对角化,对应于 λ=3 的特征空间有一个基 {v₁,v₂}.此外,对应于 λ=5 和 λ=-2 至少有一个特征向量,记为 v₃ 和 v₄ ,则由定理2 是线性无关的.由定理7({v₁,…,v₄} 是线性无关的.由定理 7(b),A 可对角化.因为向量全属于 R⁴ , R⁴ 的基包含的线性无关向量的个数不超过 4,故对应于 λ=5 和 λ=-2 的特征空间都是一维的.
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