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重 点释疑

在文檔中 Wuhan University (頁 54-58)

第四章 向量组的线性相关性 36

5.1 内容小结

5.1.1 重 点释疑

第五章 相似矩阵及二次型

矩阵乘以向量,在功能上相当于把一个向量变换为另一个向量. 一个矩阵的特征向量是 这样一种特定的向量, 它经过这种变换后方向不变(或正好反向),只发生长度上的伸缩. 特 征值则反映了特征向量的伸缩倍数(及方向).

52 第五章 相似矩阵及二次型 (二)施密特正交化方法怎么理解.

以三维空间为例. 设有不共面的三个向量α1, α2, α3,由这三个向量,我们构造一组两两正交的 向量β1, β2, β3.

设有两个向量 α1, α2 如图5.1(a).

O α1

α2

(a)

α2

γ β2

O β1= α1

(b)

图5.1 先直接取β1= α1,如图5.1(b).

记α2 在α1 上的投...量为. γ,则可令 β2, α2− γ,使得 β2⊥ β1. 下面给出γ 的表达式. α2在α1 上的投.影为. :

Prjα

1α2= kα2k · cos( \α1, α2) = kα2k · [α1, α2]

1kkα2k =[α1, α2] kα1k , 则α2α1上的投...量为. :

γ = Prjα1α2· α1

1k =[α1, α2] kα1k · α1

1k =[α1, α2]

1, α11. (5.1) 所以

β2= α2− γ = α2−[α1, α2]

1, α11= α2−[β1, α2] [β1, β11.

O β2

β1

α3

γ

γ2

γ1

β3

图5.2

记α3 在β1, β2所在平面的投影向量为γ,若令β3, α3− γ,则β3 垂直于β1, β2所在的平面, 从而β3⊥ β1, β3⊥ β2,如图5.2.

记α3 在β1, β2 上的投影向量分别为γ1, γ2, 则γ = γ1+ γ2. 与(5.1)式同理有 γ1= [β1, α3]

1, β11, γ2=[β2, α3] [β2, β22

所以

β3= α3− γ = α3− γ1− γ2= α3−[β1, α3]

1, β11−[β2, α3] [β2, β22.

§5.1 内容小结 53 对一般的n维空间,其施密特正交化公式可以类似地理解和记忆.

(三)为什么要强调正交变换.

本章的知识是为二次型化标准形服务的. 线性代数主要讨论线性函数, 二次型按理不在讨论之 列,但二次型化标准形可以转化为矩阵的问题,是矩阵的一个应用.

把二次型化为标准形,可以方便地研究其性质. 例如中心是原点的二次曲线x2− xy + y2= 4,让 曲线绕原点旋转适当角度,令

x0 y0

!

=

1 2

1 2

1

2

1 2

! x y

! ,

可以使它化为标准形

x02 8 +y02

8 3

= 1,

从这个标准形, 我们容易识别曲线的类别, 研究曲线的性质. 为使曲线在旋转过程中保持形状不变, 要求使用正交变换.

不使用正交变换,也可以把二次型x2− xy + y2标准化. 比如,由x2− xy + y2= (x −12y)2+34y2, 令x0 = (x −1

2y), y0 =

3

2 y,得x02+ y02= 4. 很显然,这种非正交的变换,改变了曲线的形状. (四)特征值性质的证明.

下面证明重要性质: λ1+ λ2+ · · · + λn = a11+ a22+ · · · + ann; λ1λ2· · · λn = A

. 在特征多项式

|A − λE| =

a11− λ a12 · · · a1n

a21 a22− λ · · · a2n

... ... ...

an1 an2 · · · ann− λ 的展开式中, 有一项是主对角线上元素的连乘积:

(a11− λ)(a22− λ) · · · (ann− λ),

展开式中的其余各项,至多包含n − 2个主对角线上的元素,它们对λ的次数最多是n − 2.

因此特征多项式中含λ的n次与n − 1次的项只能在主对角线上元素的连乘积中出现,它们是 (−1)nλn+ (a11+ a22+ · · · + ann)(−λ)n−1.

因此, 如果只写出特征多项式展开式的前两项与常数项,则有

|A − λE| = (−1)nλn+ (−1)n−1(a11+ a22+ · · · + annn−1+ · · · + |A|.

令|A − λE| = 0,则

λn− (a11+ a22+ · · · + annn−1+ · · · + (−1)n|A| = 0. (5.2) 设λ1, λ2, · · · , λn 是特征方程的根,则

(λ − λ1)(λ − λ2) · · · (λ − λn) = 0, (5.3) 如果只写出(5.3)式前两项与常数项,则有

λn− (λ1+ λ2+ · · · + λnn−1+ · · · + (−1)nλ1λ2· · · λn= 0. (5.4)

54 第五章 相似矩阵及二次型 比照(5.4)式与(5.2)式,得

λ1+ λ2+ · · · + λn= a11+ a22+ · · · + ann; λ1λ2· · · λn= A

. (五)例题12的说明.

教材 P.125例题 12给出了对称矩阵正交对角化的示例. 这是本章基本而重要的题型,强调几点

要注意的事项.为表述方便,把例题的主要内容罗列如下:

A =

0 −1 1

−1 0 1

1 1 0

 ,

特征值为λ1= −2, λ2= λ3= 1.

对应 λ1= −2的特征向量取为ξ1= (−1, −1, 1)T,单位化得p1=1

3(−1, −1, 1)T.

对应 λ2 = λ3 = 1 的线性无关的特征向量取为 ξ2 = (−1, 1, 0)T, ξ3 = (1, 0, 1)T. 正交化得 η2= (−1, 1, 0)T, η3=12(1, 1, 2)T. 再单位化得 p2=1

2(−1, 1, 0)T, p3= 1

6(1, 1, 2)T. 取正交矩阵P = (p1, p2, p3) =

1

31

2

1 6

1

3

1 2

1 6

1

3 0 2

6

 ,得

P−1AP = PTAP = Λ =

−2 1

1

 .

(1) 要看清楚题目的要求. 如果没有要求P 为正交阵,则作一般的对角化即可,即取

P = (ξ1, ξ2, ξ3) =

−1 −1 1

−1 1 0

1 0 1

 ,

则有

P−1AP = Λ =

−2 1

1

 .

(2) 正交化过程只出现在重根特征值对应的特征向量. 因为对称矩阵A的属于不同特征值的特征向 量是正交的, 所以只需要将重根特征值对应的特征向量进行施密特正交化, 而无需将 A所有的 特征向量放在一起正交化.

(3) P 中p1, p2, p3 的排列顺序要和Λ中对角元素λ1, λ2, λ3 的排列顺序一致.比如若取

P = (p2, p1, p3) =

1

21

3

1 6

1 21

3

1 6

0 1

3

2 6

 ,

则由A(p2, p1, p3) = (λ2p2, λ1p1, λ3p3) = (p2, p1, p3) diag(λ2, λ1, λ3),得

P−1AP = Λ =

 1

−2 1

 .

§5.1 内容小结 55 (4) 正交化过程其实是可以避免的: 对重根求对应方程组的基础解系时,可以直接凑出一组正交的基 础解系. 对应λ2= λ3 = 1,求解 (A − E)x = 0时, 得同解方程x1+ x2− x3= 0(见教材P.125), 下面构造一组正交的基础解系: 若取 ξ2 = (1, 0, 1)T, 要满足正交, 则应有ξ3 = (1, , −1)T,又要 满足方程,所以ξ3= (1, −2, −1)T,从而得到一组正交的基础解系:

ξ2= (1, 0, 1)T, ξ3= (1, −2, −1)T. (5.5) 类似地,还可以取

ξ2= (1, −1, 0)T, ξ3= (1, 1, 2)T. (5.6) 或者ξ2= (0, 1, 1)T, ξ3= (−2, 1, −1)T,等等.

(5) 满足条件的正交阵不是唯一的(即便我们忽略 Pp1, p2, p3 的排列顺序).(5.5)式中的向量 单位化得

p2= 1

√2(1, 0, 1)T, p3= 1

√6(1, −2, −1)T, 从而得满足条件的正交阵

P = (p1, p2, p3) =

1

3

1 2

1 6

1

3 0 −2

6

1 3

1 2

1 6

 .

把(5.5)式中的向量单位化得满足条件的正交阵

P = (p1, p2, p3) =

1

3

1 2

1 6

1

31

2

1 6

1

3 0 2

6

 .

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