方阵的特征值与特征向量 — 从零基础到考试水平#
例题 1:零基础 — 先理解”特征”是什么意思#
题目: 设矩阵 A=(2112),向量 ξ=(11)。
验证 ξ 是否是 A 的特征向量?如果是,对应的特征值是多少?
解析:
根据定义,若 Aξ=λξ(即矩阵作用在这个向量上,只相当于把这个向量”拉长/缩短”了 λ 倍,方向不变),则 ξ 是特征向量,λ 是特征值。
第一步:计算 Aξ
Aξ=(2112)(11)=(2×1+1×11×1+2×1)=(33)
(计算矩阵与向量的乘法,看看矩阵作用后的结果是什么)
第二步:观察结果
Aξ=(33)=3(11)=3ξ
(检查结果向量是否是原向量的某个倍数)
第三步:下结论
因为 Aξ=3ξ,满足特征向量的定义式。
(对照定义 Aξ=λξ 进行判定)
结论: ξ=(11) 是 A 的特征向量,对应的特征值 λ=3。
💡 直观理解:矩阵 A 作用在 (11) 上,并没有改变它的方向(还是沿着 y=x 这条线),只是把它拉长了 3 倍。这就是”特征”的含义——这个方向是矩阵的”固有属性”。
例题 2:基础计算 — 2×2 矩阵求特征值与特征向量#
题目: 求矩阵 A=(4213) 的全部特征值与特征向量。
解析:
第一步:构造特征方程 ∣A−λE∣=0
∣A−λE∣=4−λ213−λ=0
(特征值 λ 的核心条件:(A−λE)x=0 有非零解,即系数矩阵行列式为零)
第二步:计算行列式
(4−λ)(3−λ)−1×2=0
(按二阶行列式计算公式展开)
λ2−7λ+12−2=0
(整理成标准多项式形式,便于求解)
λ2−7λ+10=0
(合并常数项)
第三步:解特征方程
(λ−2)(λ−5)=0
(因式分解求根)
得特征值:λ1=2,λ2=5
(得到矩阵的两个特征值)
求 λ1=2 对应的特征向量:
第四步:代入 λ1=2,解 (A−2E)x=0
A−2E=(4−2213−2)=(2211)
(将 λ=2 代入 A−λE 得到具体矩阵)
第五步:对系数矩阵做初等行变换
(2211)r2−r1(2010)
(用行变换化为行阶梯形,求齐次方程组的基础解系)
第六步:写出同解方程组
2x1+x2=0⇒x2=−2x1
(由非零行得到约束关系,确定自由未知量)
取自由未知量 x1=1,则 x2=−2。
(自由未知量取简单值,求出一个基础解系向量)
基础解系:ξ1=(1−2)
(得到特征向量的”代表”)
第七步:写出全部特征向量
属于 λ1=2 的全部特征向量为 k1ξ1=k1(1−2),其中 k1=0。
(特征向量不唯一,同一个特征值下的所有特征向量构成一个一维空间,要注明 k=0)
求 λ2=5 对应的特征向量:
第八步:代入 λ2=5,解 (A−5E)x=0
A−5E=(−121−2)r2+2r1(−1010)
(重复上述流程:代入→行变换→求基础解系)
同解方程:−x1+x2=0⇒x2=x1
(得到变量间的约束关系)
取 x1=1,得 ξ2=(11)
(求出另一个基础解系向量)
属于 λ2=5 的全部特征向量为 k2ξ2=k2(11),其中 k2=0。
(写出完整的特征向量集合)
最终答案:
- 特征值 λ1=2,对应特征向量 k1(1−2) (k1=0)
- 特征值 λ2=5,对应特征向量 k2(11) (k2=0)
例题 3:基础计算 — 3×3 矩阵(考试最常见体型)#
题目: 求矩阵 A=122212221 的特征值与特征向量。
解析:
第一步:写特征多项式 ∣A−λE∣
∣A−λE∣=1−λ2221−λ2221−λ
(三阶矩阵特征值计算的核心起点)
第二步:观察行列式特点,用行/列变换简化
各行元素之和均为 5−λ。将第2、3列都加到第1列:
=5−λ5−λ5−λ21−λ2221−λ
(利用”各行和相等”的技巧提取公因子,这是这类矩阵的经典处理方法)
=(5−λ)11121−λ2221−λ
(提取第1列的公因子 (5−λ),降阶简化)
第三步:继续化简行列式
r2−r1, r3−r1:
=(5−λ)1002−1−λ020−1−λ
(化为上三角或按行展开的标准形式)
=(5−λ)(−1−λ)2=(5−λ)(λ+1)2
(按第1列展开,得到特征多项式的因式分解形式)
第四步:求特征值
(5−λ)(λ+1)2=0⇒λ1=5, λ2=λ3=−1
(解出根,注意 λ=−1 是二重特征值)
求 λ1=5 的特征向量:
第五步:解 (A−5E)x=0
A−5E=−4222−4222−4
(代入具体数值)
行变换100010−1−10
(通过初等行变换化为行最简形,过程略)
同解方程组:x1=x3, x2=x3
(读出约束条件)
取 x3=1,得 ξ1=111
(自由未知量取1,得到一个基础解系向量)
全部特征向量:k1111 (k1=0)
求 λ2=λ3=−1 的特征向量:
第六步:解 (A+E)x=0
A+E=222222222行变换100100100
(代入 λ=−1,注意此时矩阵秩为1,自由未知量有2个)
同解方程:x1+x2+x3=0
(只有一个独立方程,说明解空间是二维的)
取自由未知量 (x2,x3):
- 令 x2=1,x3=0,得 x1=−1,即 ξ2=−110
- 令 x2=0,x3=1,得 x1=−1,即 ξ3=−101
(二重特征值对应两个线性无关的特征向量,这是矩阵可对角化的关键条件)
全部特征向量:k2−110+k3−101(k2,k3 不全为零)
(两个线性无关特征向量的线性组合,张成特征子空间)
例题 4:进阶 — 特征值性质的综合运用#
题目: 设 3 阶矩阵 A 的特征值为 1,2,−3。求:
- ∣A∣
- tr(A)
- A2+2A+E 的特征值
- A−1 的特征值
- A∗(伴随矩阵)的特征值
解析:
核心公式回顾(必须熟记):
- 特征值之和 = 主对角线元素之和(迹):λ1+λ2+⋯+λn=a11+a22+⋯+ann
- 特征值之积 = 行列式:λ1λ2⋯λn=∣A∣
- 若 λ 是 A 的特征值,则:
- Ak 的特征值是 λk
- f(A) 的特征值是 f(λ)(f 为多项式)
- A−1 的特征值是 λ1(λ=0)
- A∗ 的特征值是 λ∣A∣(λ=0)
第(1)问:求 ∣A∣
∣A∣=λ1⋅λ2⋅λ3=1×2×(−3)=−6
(利用”特征值之积等于行列式”的性质,直接相乘)
第(2)问:求 tr(A)
tr(A)=λ1+λ2+λ3=1+2+(−3)=0
(利用”特征值之和等于迹”的性质,直接相加)
第(3)问:求 A2+2A+E 的特征值
设 f(x)=x2+2x+1=(x+1)2
(将矩阵多项式对应到普通多项式)
若 λ 是 A 的特征值,则 f(λ) 是 f(A) 的特征值。
(这是矩阵多项式特征值的核心定理:把矩阵代入多项式,相当于把特征值代入同一多项式)
- λ=1 时:f(1)=(1+1)2=4
- λ=2 时:f(2)=(2+1)2=9
- λ=−3 时:f(−3)=(−3+1)2=4
(逐个代入计算)
所以 A2+2A+E 的特征值为 4,9,4。
第(4)问:求 A−1 的特征值
因为 ∣A∣=−6=0,所以 A 可逆。
(先验证可逆性,这是求逆矩阵特征值的前提)
A−1 的特征值为 λ1:
11=1,21,−31=−31
(利用逆矩阵特征值的倒数关系)
第(5)问:求 A∗ 的特征值
由 A∗=∣A∣A−1=−6A−1
(利用伴随矩阵与逆矩阵的关系公式)
A∗ 的特征值为 ∣A∣⋅λ1=λ∣A∣:
1−6=−6,2−6=−3,−3−6=2
(将伴随矩阵转化为行列式与逆矩阵的乘积,再利用已知结论)
例题 5:考试水平 — 已知特征向量反求参数#
题目: 已知 ξ=11−1 是矩阵 A=25−1−1ab23−2 的一个特征向量。
- 求参数 a,b 及 ξ 对应的特征值 λ;
- 问 A 能否相似对角化?说明理由。
解析:
第(1)问:求 a,b,λ
第一步:利用特征向量定义列方程
因为 ξ 是 A 的特征向量,所以 Aξ=λξ。
(将已知条件翻译为定义等式,这是处理”已知特征向量反求参数”问题的标准切入点)
第二步:计算 Aξ
Aξ=25−1−1ab23−211−1=2−1−25+a−3−1+b+2=−12+a1+b
(按矩阵乘法规则逐行计算,保留参数)
第三步:写出 λξ
λξ=λ11−1=λλ−λ
(将特征值定义式的右边展开)
第四步:由 Aξ=λξ 列方程组
⎩⎨⎧−1=λ2+a=λ1+b=−λ
(两个向量相等意味着对应分量相等,建立方程组)
第五步:求解
由第1式:λ=−1
(先解出特征值,因为它不依赖其他参数)
代入第2式:2+a=−1⇒a=−3
(回代求 a)
代入第3式:1+b=−(−1)=1⇒b=0
(回代求 b)
答案: a=−3, b=0, λ=−1
第(2)问:判断 A 能否相似对角化
第一步:确定矩阵 A
A=25−1−1−3023−2
(将求得的参数代入原矩阵)
第二步:求 A 的全部特征值
∣A−λE∣=2−λ5−1−1−3−λ023−2−λ
(构造特征多项式)
展开计算(按第3行展开较方便):
=−1⋅(−1)3+1−1−3−λ23+0+(−2−λ)⋅(−1)3+32−λ5−1−3−λ
(选择含零元素多的行/列展开,简化计算)
=−−1−3−λ23+(−2−λ)2−λ5−1−3−λ
=−[−3−2(−3−λ)]+(−2−λ)[(2−λ)(−3−λ)+5]
=−[−3+6+2λ]+(−2−λ)[−6−2λ+3λ+λ2+5]
=−(3+2λ)+(−2−λ)(λ2+λ−1)
… 继续整理,或尝试观察 λ=−1 是否为根:
(已知 λ=−1 是一个特征值,用多项式除法或因式分解)
实际上直接计算可得:
∣A−λE∣=−(λ+1)3
(经过详细展开整理,发现特征多项式为 −(λ+1)3)
所以 λ1=λ2=λ3=−1(三重特征值)
第三步:判断几何重数
能否对角化,关键看三重特征值 −1 对应的线性无关特征向量个数是否等于 3。
(相似对角化的充要条件:每个特征值的几何重数 = 代数重数)
解 (A+E)x=0:
A+E=35−1−1−2023−1
(代入 λ=−1)
行变换:
r1↔r3−1530−2−1−132r2+5r1, r3+3r1−1000−2−1−1−2−1
r2÷(−2)−10001−1−11−1r3+r2−100010−110
(通过初等行变换求秩)
秩 r(A+E)=2,未知数个数 n=3
(确定系数矩阵的秩)
基础解系所含向量个数 = n−r=3−2=1
(几何重数 = 解空间的维数 = 未知数个数 - 系数矩阵的秩)
即 λ=−1 只对应 1个 线性无关的特征向量。
第四步:下结论
因为代数重数(3)= 几何重数(1),所以 A 不能相似对角化。
(引用相似对角化的判定定理得出结论)
例题 6:考试水平 — 相似对角化的完整过程#
题目: 设 A=1x−3−14−31y5,已知 A 有 3 个线性无关的特征向量,且 λ=2 是 A 的二重特征值。求:
- x,y 的值;
- 可逆矩阵 P,使 P−1AP 为对角矩阵。
解析:
第(1)问:求 x,y
第一步:分析已知条件
A 有 3 个线性无关的特征向量 ⇒ A 可相似对角化。
(将”有3个线性无关特征向量”翻译为可对角化)
λ=2 是二重特征值,且 A 可对角化 ⇒ λ=2 必须对应 2个 线性无关的特征向量。
(可对角化要求:每个特征值的几何重数 = 代数重数)
即 n−r(A−2E)=2,所以 r(A−2E)=3−2=1。
(由几何重数反推矩阵的秩应为1)
第二步:计算 A−2E
A−2E=−1x−3−12−31y3
(代入 λ=2)
第三步:由秩为1确定 x,y
秩为1意味着所有行(列)成比例。
(秩为1的矩阵:所有行向量共线,即互相成比例)
观察第1行:(−1,−1,1)
第3行:(−3,−3,3)=3×(−1,−1,1),已满足比例关系。
(检查第3行是否与第1行成比例)
第2行必须与第1行成比例:
−1x=−12=1y
(利用行向量成比例列方程)
由 −12=−2,得:
−1x=−2⇒x=2
1y=−2⇒y=−2
(解出参数值)
验证:此时 A−2E=−12−3−12−31−23,确实秩为1。
(回代验证)
答案: x=2, y=−2
第(2)问:求可逆矩阵 P
第一步:确定完整矩阵
A=12−3−14−31−25
(代入已求参数)
第二步:求第三个特征值
由特征值之和 = 迹:
λ1+λ2+λ3=1+4+5=10
(利用迹与特征值的关系,已知两个特征值为2,2)
2+2+λ3=10⇒λ3=6
(求出第三个特征值)
第三步:求 λ=2 的特征向量
解 (A−2E)x=0:
A−2E=−12−3−12−31−23→100100−100
(行变换化为行最简形)
同解方程:x1+x2−x3=0⇒x3=x1+x2
(读出约束条件)
取自由未知量:
- (x1,x2)=(1,0):x3=1,得 ξ1=101
- (x1,x2)=(0,1):x3=1,得 ξ2=011
(取两组线性无关的自由未知量,得到两个线性无关特征向量)
第四步:求 λ=6 的特征向量
解 (A−6E)x=0:
A−6E=−52−3−1−2−31−2−1
(代入 λ=6)
行变换(过程略)化为:
100010−31320
(通过初等行变换求解)
同解方程:x1=31x3, x2=−32x3
取 x3=3,得 ξ3=1−23
(取整数解,避免分数)
第五步:构造 P
P=(ξ1, ξ2, ξ3)=1010111−23
(将特征向量按列排列构成可逆矩阵)
则:
P−1AP=200020006
(相似对角化的标准结果:对角线上为对应的特征值)
📋 方法总结卡#
| 步骤 | 操作 | 目的 |
|---|
| 1 | 构造 $ | A-\lambda E |
| 2 | 展开行列式,因式分解 | 求出所有特征值(注意重根) |
| 3 | 对每个 λi,解 (A−λiE)x=0 | 求该特征值对应的特征向量 |
| 4 | 初等行变换 → 基础解系 | 得到线性无关的特征向量组 |
| 5 | 全部特征向量 = k1ξ1+⋯(k 不全为零) | 写出完整的特征向量集合 |
相似对角化判定口诀:
“几重根,找几个;够个数,就能化;不够数,化不了。”
(指:k 重特征值必须有 k 个线性无关特征向量,才能对角化)
需要我针对某一道题再展开更详细的计算过程,或者出一道**正交对角化(实对称矩阵)**的例题吗?