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7.1 对称矩阵的对角化

[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)

一个对称矩阵是一个满足 A^(T) = A 的矩阵 A ,这种矩阵当然是方阵,它的主对角线元素是任意的,但其他元素在主对角线的两边成对出现.

例 1

下面的矩阵中,仅前面三个是对称矩阵.

text 对称: [ c c 1 & 0 0 & - 3 ], [ c c c 0 & - 1 & 0 - 1 & 5 & 8 0 & 8 & - 7 ], [ c c c a & b & c b & d & e c & e & f ] text 非对称: [ c c 1 & - 3 3 & 0 ], [ c c c 1 & - 4 & 0 - 6 & 1 & - 4 0 & - 6 & 1 ], [ c c c c 5 & 4 & 3 & 2 4 & 3 & 2 & 1 3 & 2 & 1 & 0 ]

为了开始学习对称矩阵,复习5.3节的对角化过程非常有用.

例 2

如果可能,对角化矩阵 A=6&-2&-1 -2&6&-1 -1&-1&5 .

解

A 的特征方程是

0 = - λ^ 3 + 1 7 λ^ 2 - 9 0 λ + 1 4 4 = - (λ - 8) (λ - 6) (λ - 3)

通过标准计算可得到每个特征空间的一个基:

λ = 8: boldsymbol v _ 1 = [ c - 1 1 0 ]; λ = 6: boldsymbol v _ 2 = [ c - 1 - 1 2 ]; λ = 3: boldsymbol v _ 3 = [ c 1 1 1 ]

这三个向量形成 ℝ³ 的一个基.事实上,容易验证 {±bv₁, ±bv₂, ±bv₃} 是 ℝ³ 的正交基.根据第6章的经验,单位正交基对计算可能有用,因此可以单位化 ±bv₁, ±bv₂ 和 ±bv₃ 得到单位特征向量.

boldsymbol u _ 1 = [ c - 1 / sqrt 2 1 / sqrt 2 0 ], boldsymbol u _ 2 = [ c - 1 / sqrt 6 - 1 / sqrt 6 2 / sqrt 6 ], boldsymbol u _ 3 = [ c 1 / sqrt 3 1 / sqrt 3 1 / sqrt 3 ]

令

P = [ c c c - 1 / sqrt 2 & - 1 / sqrt 6 & 1 / sqrt 3 1 / sqrt 2 & - 1 / sqrt 6 & 1 / sqrt 3 0 & 2 / sqrt 6 & 1 / sqrt 3 ], D = [ c c c 8 & 0 & 0 0 & 6 & 0 0 & 0 & 3 ]

那么有 A = PDP⁻1 ,和平常一样。由于 P 是方阵且有单位正交列,所以 P 是一个正交矩阵,而 P⁻1 就是 P^(T) 。(见6.2节。)

定理1 解释了为什么例2 中的特征向量是正交的——它们对应不同的特征值.

定理 1

如果 A 是对称矩阵,那么不同特征空间的任意两个特征向量是正交的.

证明

设 v₁ 和 v₂ 是对应于不同特征值 λ₁, λ₂ 的特征向量.为证明 v₁ · v₂ = 0 ,计算

r l r λ_ 1 ±b v _ 1 · ±b v _ 2 = (λ_ 1 ±b v _ 1) ^ T ±b v _ 2 = (A ±b v _ 1) ^ T · ±b v _ 2 & & text 由于 ±b v _ 1 text 是一个特征向量 & & = (±b v _ 1 ^ T A ^ T) ±b v _ 2 = ±b v _ 1 ^ T (A ±b v _ 2) & & text 由于 A ^ T = A & & = ±b v _ 1 ^ T (λ_ 2 ±b v _ 2) & & text 由于 ±b v _ 2 text 是一个特征向量 & & = λ_ 2 ±b v _ 1 ^ T ±b v _ 2 = λ_ 2 ±b v _ 1 · ±b v _ 2 & &

因此 (λ₁ - λ₂)±bv₁· ±bv₂ = 0 ,但是 λ₁≠ λ₂ ,所以 ±b v₁· ±b v₂ = 0

例2 中特殊类型的对角化对于对称矩阵理论十分重要.一个矩阵 A 称为可正交对角化,如

果存在一个正交矩阵 P (满足 P⁻1 = P^(T) )和一个对角矩阵 D 使得

A = P D P ^ T = P D P ^ - 1 (1)

为了正交对角化一个 n × n 矩阵,我们必须找到 n 个线性无关且单位正交的特征向量。什么条件下可能做到?如果 A 是像(1)一样可以正交对角化的,那么

A ^ T = (P D P ^ T) ^ T = P ^ TT D ^ T P ^ T = P D P ^ T = A

这样 A 是对称的!另一方面,定理2表明每一个对称矩阵都是可正交对角化,结论的证明非常困难,这里将其省略,证明的主要思路将在定理3之后给出.

定理 2

一个 n × n 矩阵 A 可正交对角化的充分必要条件是 A 是对称矩阵.

这个定理相当奇妙,我们根据第5章的经验可以推测,要知道何时一个矩阵 A 可对角化通常是不可能的,但对称矩阵却例外.

下面的例子给出一个矩阵,它的特征值并非全部都不相同.

例 3

将 A = 3 & -2 & 4 -2 & 6 & 2 4 & 2 & 3 正交对角化,其特征方程为

0 = - λ^ 3 + 1 2 λ^ 2 - 2 1 λ - 9 8 = - (λ - 7) ^ 2 (λ + 2)
解

平常计算可得特征空间的基:

λ = 7: ±b v _ 1 = [ c 1 0 1 ], ±b v _ 2 = [ c - 1 / 2 1 0 ], λ = - 2: ±b v _ 3 = [ c - 1 - 1 / 2 1 ]

尽管 v₁ 和 v₂ 是线性无关的,但它们并不正交。从 6.2 节可知, v₂ 在 v₁ 上的投影是 fracv₂ · v₁v₁ · v₁ · v₁ ,与 v₁ 正交的 v₂ 的分量是

boldsymbol z _ 2 = boldsymbol v _ 2 - frac boldsymbol v _ 2 · boldsymbol v _ 1boldsymbol v _ 1 · boldsymbol v _ 1 boldsymbol v _ 1 = [ c - 1 / 2 1 0 ] - frac - 1 / 22 [ l 1 0 1 ] = [ c - 1 / 4 1 1 / 4 ]

于是 {±bv₁, ±bz₂} 是关于 λ = 7 的特征空间的正交集。(注意 z₂ 是特征向量 ±bv₁ 和 ±bv₂ 的线性组合,从而 z₂ 属于特征空间。构造 z₂ 的过程就是6.4节的格拉姆-施密特方法。)由于特征空间是二维的(基是 ±bv₁, ±bv₂ ),故由基定理,正交集合 {±bv₁, z₂} 是一个特征空间的正交基(见2.9节或4.5节)。

将 v₁ 和 z₂ 规范化,我们得到关于 λ=7 的特征空间的单位正交基:

boldsymbol u _ 1 = [ c 1 / sqrt 2 0 1 / sqrt 2 ], boldsymbol u _ 2 = [ c - 1 / sqrt 1 8 4 / sqrt 1 8 1 / sqrt 1 8 ]

关于 λ = -2 的特征空间的单位正交基是

boldsymbol u _ 3 = frac 1| 2 boldsymbol v _ 3 | · 2 boldsymbol v _ 3 = frac 13 [ c - 2 - 1 2 ] = [ c - 2 / 3 - 1 / 3 2 / 3 ]

由定理1, u₃ 与其他特征向量 ±bu₁ 和 ±bu₂ 正交,因此 {±bu₁,±bu₂,±bu₃} 是一个单位正交集.令

P = [ l l l boldsymbol u _ 1 & boldsymbol u _ 2 & boldsymbol u _ 3 ] = [ c c c 1 / sqrt 2 & - 1 / sqrt 1 8 & - 2 / 3 0 & 4 / sqrt 1 8 & - 1 / 3 1 / sqrt 2 & 1 / sqrt 1 8 & 2 / 3 ], D = [ c c c 7 & 0 & 0 0 & 7 & 0 0 & 0 & - 2 ]

那么 P 将 A 正交对角化且 A = PDP⁻1 .

在例3 中,特征值 7 是二重的,特征向量是二维的。这个事实并不是偶然的,见下面定理。谱定理

矩阵 A 的特征值的集合有时称为 A 的谱,下面关于特征值的描述称为谱定理.

定理 3 对称矩阵的谱定理

一个对称的 n × n 矩阵 A 具有下述性质:

a. A 有 n 个实特征值,包含重复的特征值.

b.对每一个特征值 λ ,对应的特征空间的维数等于 λ 作为特征方程的根的重数。

c.特征空间相互正交,这种正交性是在特征向量对应于不同特征值的意义下成立的.

d. A 可正交对角化.

(a)可从5.5节的习题24得出,(b)可从(d)容易得到(见习题31).(c)就是定理1.由于(a),因此(d)的一个证明可用习题32和第6章补充习题16中已经讨论过的舒尔因子分解给出,证明的细节从略.

假设 A = PDP⁻1 ,其中 P 的列是 A 的单位正交特征向量 u₁, …, uₙ ,且相应的特征值 λ₁, …, λₙ 属于对角矩阵 D,那么由于 P⁻1 = P^(T) ,故

A = P D P ^ T = [ boldsymbol u _ 1 … boldsymbol u _ n ] [ c c c λ_ 1 & & 0 & ddots & 0 & & λ_ n ] [ c boldsymbol u _ 1 ^ T vdots boldsymbol u _ n ^ T ] = [ λ_ 1 boldsymbol u _ 1 … λ_ n boldsymbol u _ n ] [ c boldsymbol u _ 1 ^ T vdots boldsymbol u _ n ^ T ]

利用乘积的行列展开式(2.4节定理10),我们可以得到

A = λ_ 1 boldsymbol u _ 1 boldsymbol u _ 1 ^ T + λ_ 2 boldsymbol u _ 2 boldsymbol u _ 2 ^ T + … + λ_ n boldsymbol u _ n boldsymbol u _ n ^ T (2)

由于它将 A 分解为由 A 的谱(特征值)确定的小块,因此这个 A 的表示就称为 A 的谱分解。(2)中的每一项都是一个秩为1的 n × n 矩阵。例如, λ u₁u₁^(T) 的每一列都是 u₁ 的倍数。更进一步,在 ±bx 属于 ℝⁿ 的意义下,每个矩阵 uⱼuⱼ^(T) 都是投影矩阵,向量 (uⱼuⱼ^(T))±bx 是 ±bx 在由 uⱼ 生成的子空间

上的正交投影.(见习题35.)

例 4

构造矩阵 A 的一个谱分解,已知 A 有以下正交对角化分解:

A = [ l l 7 & 2 2 & 4 ] = [ l l 2 / sqrt 5 & - 1 / sqrt 5 1 / sqrt 5 & 2 / sqrt 5 ] [ l l 8 & 0 0 & 3 ] [ l l 2 / sqrt 5 & 1 / sqrt 5 - 1 / sqrt 5 & 2 / sqrt 5 ]
解

将 P 的列记为 ±bu₁ 和 ±bu₂ ,则有

A = 8 boldsymbol u _ 1 boldsymbol u _ 1 ^ T + 3 boldsymbol u _ 2 boldsymbol u _ 2 ^ T

为验证 A 的谱分解,计算

boldsymbol u _ 1 boldsymbol u _ 1 ^ T = [ l 2 / sqrt 5 1 / sqrt 5 ] [ l l 2 / sqrt 5 & 1 / sqrt 5 ] = [ l l 4 / 5 & 2 / 5 2 / 5 & 1 / 5 ]boldsymbol u _ 2 boldsymbol u _ 2 ^ T = [ c - 1 / sqrt 5 2 / sqrt 5 ] [ l l - 1 / sqrt 5 & 2 / sqrt 5 ] = [ c c 1 / 5 & - 2 / 5 - 2 / 5 & 4 / 5 ]

且

8 ±b u _ 1 ±b u _ 1 ^ T + 3 ±b u _ 2 ±b u _ 2 ^ T = [ l l 3 2 / 5 & 1 6 / 5 1 6 / 5 & 8 / 5 ] + [ l l 3 / 5 & - 6 / 5 - 6 / 5 & 1 2 / 5 ] = [ l l 7 & 2 2 & 4 ] = A

数值计算的注解 当 A 是对称且不太大的矩阵时,现代高性能的计算机程序可以非常精确地计算特征值和特征向量。它们对 A 使用一系列包含正交矩阵的相似变换,变换后矩阵的对角元素很快收敛于 A 的特征值。(见 5.2 节的数值计算的注解。)利用正交矩阵常常可避免计算过程的误差积累。当 A 对称时,正交矩阵序列可形成列向量是 A 的特征向量的正交矩阵。

一个非对称矩阵没有完全的正交特征向量集,但算法仍得到相当精确的特征值。之后,就需要用非正交化方法计算特征向量。

练习题
  1. 证明:如果 A 是对称矩阵,那么 A² 也是对称的.

  2. 证明:如果 A 是可正交对角化的,那么 A² 也是可正交对角化的.

习题7.1

判断习题 1~6 中哪一个矩阵是对称矩阵.

[ c c 3 & 5 5 & - 7 ]
[ r r 3 & - 5 - 5 & - 3 ]

判断习题 7~12 中哪一个矩阵是正交的,如果正交,求出它的逆矩阵.

[ c c 0. 6 & 0. 8 0. 8 & - 0. 6 ][ c c 1 & 1 1 & - 1 ]
[ c c 2 & 3 2 & 4 ]
[ c c c 0 & 8 & 3 8 & 0 & - 4 3 & 2 & 0 ]
[ c c - 4 / 5 & 3 / 5 3 / 5 & 4 / 5 ]
[ c c c 1 / 3 & 2 / 3 & 2 / 3 2 / 3 & 1 / 3 & - 2 / 3 2 / 3 & - 2 / 3 & 1 / 3 ]
[ r r r - 6 & 2 & 0 0 & - 6 & 2 0 & 2 & - 6 ]6. [ l l l l 1 & 2 & 2 & 1 2 & 2 & 2 & 1 2 & 2 & 1 & 2 ]
[ c c c 2 / 3 & 2 / 3 & 1 / 3 0 & 1 / 3 & - 2 / 3 5 / 3 & - 4 / 3 & - 2 / 3 ]
[ c c c c 0. 5 & 0. 5 & - 0. 5 & - 0. 5 0. 5 & 0. 5 & 0. 5 & 0. 5 0. 5 & - 0. 5 & - 0. 5 & 0. 5 0. 5 & - 0. 5 & 0. 5 & - 0. 5 ]

将习题 13~22 中的矩阵正交对角化,并给出一个正交矩阵 P 和一个对角矩阵 D.为节约时间,给出习题 17~22 的特征值是:(17)-4,4,7;(18)-3,-6,9;(19)-2,7;(20)-3,15;(21)1,5,9;(22)3,5.

[ c c 3 & 1 1 & 3 ]
[ c c 1 & - 5 - 5 & 1 ]
[ c c 3 & 4 4 & 9 ]
[ c c 6 & - 2 - 2 & 9 ]
[ c c c 1 & 1 & 5 1 & 5 & 1 5 & 1 & 1 ]
[ r r r 1 & - 6 & 4 - 6 & 2 & - 2 4 & - 2 & - 3 ]
[ r r r 3 & - 2 & 4 - 2 & 6 & 2 4 & 2 & 3 ]
[ r r r 5 & 8 & - 4 8 & 5 & - 4 - 4 & - 4 & - 1 ]
[ c c c c 4 & 3 & 1 & 1 3 & 4 & 1 & 1 1 & 1 & 4 & 3 1 & 1 & 3 & 4 ]
[ c c c c 4 & 0 & 1 & 0 0 & 4 & 0 & 1 1 & 0 & 4 & 0 0 & 1 & 0 & 4 ]
  1. 设 A=4&-1&-1 -1&4&-1 -1&-1&4 和 v=1 1 1.证明 5 是 A 的一个特征值且 v 是一个特征向量,然后将 A 正交对角化.

  2. 设 A = 2 & -1 & 1 -1 & 2 & -1 1 & -1 & 2 , ±bv₁ = -1 0 1 和 ±bv₂ = 1 -1 1.验证 ±bv₁ 和 ±bv₂ 是 A 的特征向量,然后将 A 正交对角化.

对习题 25~26,判断每一个命题的真假,验证你的答案.

  1. a.可正交对角化的 n × n 矩阵 A 一定是对称的. b. 如果 A^(T) = A 且向量 ±bu 和 ±bv 满足 Au = 3u 和 Av = 4v ,那么 ±bu · ±bv = 0 .

c.一个 n × n 对称矩阵 A 有 n 个不同的实特征值. d. 对属于 ℝⁿ 的非零向量 ±bv,矩阵 ±bv±bv^(T) 被称为投影矩阵.

  1. a.每一个对称矩阵都是可正交对角化的. b. 如果 B = PDP^(T) ,其中 P^(T) = P⁻1 且 D 是对角矩阵,那么 B 是对称矩阵. c. 一个正交矩阵是可正交对角化的. d. 一个对称矩阵的特征空间的维数等于对应的特征值的重数.

  2. 证明:如果 A 是一个 n × n 对称矩阵,那么对任意属于 ℝⁿ 的 x, y 有 (Ax) · y = x · (Ay) .

  3. 若 A 是对称的 n × n 矩阵,B 是任意 n × m 矩阵,证明 B^(T)AB, B^(T)B 和 BB^(T) 是对称矩阵.

  4. 若 A 可逆且可正交对角化,解释为什么 A⁻1 也是可正交对角化的.

  5. 若 A 和 B 都可正交对角化且 AB = BA,解释为什么 AB 也是可正交对角化的.

  6. 若 A = PDP⁻1 ,其中 P 是正交矩阵, D 是对角矩阵,且 λ 是 A 的重数为 k 的特征值,那么 λ 在对角矩阵 D 中出现 k 次,解释为什么 λ 的特征空间的维数是 k .

  7. 若 A = PRP⁻1 ,其中 P 是正交的而 R 是上三角形矩阵,证明:如果 A 对称,那么 R 是对称的,因而实际上是一个对角矩阵。

  8. 构造例2 中矩阵 A 的一个谱分解.

  9. 构造例3 中矩阵 A 的一个谱分解.

  10. 令 ±bu 是 ℝⁿ 中的单位向量, B = ±bu±bu^(T) .

a.对任意属于 ℝⁿ 的 x ,计算 Bx 并证明 Bx 是 x 在 u 上的正交投影,正如6.2节所描述的情况.

b.证明 B 是对称矩阵且 B² = B .

c.证明 ±bu 是 B 的特征向量,并求其对应的特征值.

  1. 设 B 是 n × n 对称矩阵且 B² = B ,任何此类矩阵被称为投影矩阵(或正交投影矩阵)。对任意给定的 y ∈ ℝⁿ ,取 haty = By 和 z = y - haty 。

a.证明 z 与 haty 正交.

b.设 W 是 B 的列空间,证明 y 是空间 W 中一个向量与空间 W^(perp) 中一个向量之和。证明 By 是 y 在 B 的列空间上的正交投影。

[ c c c c 0. 6 3 & - 0. 1 8 & - 0. 0 6 & - 0. 0 4 - 0. 1 8 & 0. 8 4 & - 0. 0 4 & 0. 1 2 - 0. 0 6 & - 0. 0 4 & 0. 7 2 & - 0. 1 2 - 0. 0 4 & 0. 1 2 & - 0. 1 2 & 0. 6 6 ]

[M]正交对角化习题37~40中的矩阵.为练习本节的方法,不要用矩阵程序中特征向量的常规解法,而是使用程序求出特征值,然后对每个特征值 λ 求出 Nul(A - λ I) 的单位正交基,即类似例2和例3中的做法.

[ c c c c 0. 3 1 & 0. 5 8 & 0. 0 8 & 0. 4 4 0. 5 8 & - 0. 5 6 & 0. 4 4 & - 0. 5 8 0. 0 8 & 0. 4 4 & 0. 1 9 & - 0. 0 8 0. 4 4 & - 0. 5 8 & - 0. 0 8 & 0. 3 1 ]
[ r r r r 6 & 2 & 9 & - 6 2 & 6 & - 6 & 9 9 & - 6 & 6 & 2 - 6 & 9 & 2 & 6 ]
[ r r r r r 8 & 2 & 2 & - 6 & 9 2 & 8 & 2 & - 6 & 9 2 & 2 & 8 & - 6 & 9 - 6 & - 6 & - 6 & 2 4 & 9 9 & 9 & 9 & 9 & - 2 1 ]
练习题答案
  1. 由转置矩阵的性质得到 (A²)^(T) = (AA)^(T) = A^(T)A^(T) 。由假设, A^(T) = A ,所以 (A²)^(T) = AA = A² ,从而证明了 A² 是对称的。

  2. 如果 A 可正交对角化,那么由定理2 可知矩阵 A 对称且可正交对角化(定理2)。A² 对称且可正交对角化(定理 2)。

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