帮你理解特征值与特征向量

原创 田草 高等数学课外辅导 2020-11-02

十一月了,工科院校少学时<线性代数>差不多结课了吧,but,不少同学对这门课还是感到一头雾水。从“线性相关性“到“极大无关组和秩“再到“特征向量“等等,几乎所有的概念从课本到课堂都是抽象解释和演绎,最终导致的现象是“课已结门未入“。本学期初发了一篇帖子“线性代数这样学”,但凡认真看过的同学定会有所裨益。今天我再写一个简短的帖子直观讲一讲“特征值与特征向量“。

回顾定义:

A是n阶方阵,若存在数λ和n维非零列向量X使得  AX=λX,则称λ是A的特征值,非零向量X是特征值λ的特征向量。

"特征"在中文字面上意思是有明显“特点”“身份”“标签”“标志“,对方阵A而言,这个λ“characteristic value/eigenvalue"的翻译贴切而又生动。

为什么定义中强调特征向量是非零向量?因为任何n阶方阵与n维零向量的乘积等于零,即A0=0=λ0,显然这是普遍真理,而不是方阵的某个“特征”。

例题:考察2阶矩阵A和非零向量X的乘积:
1)

由定义可知,特征值λ=1,X1是特征向量。

2)

X2不是特征向量,更不是对应特征值λ=1的特征向量。

如图:

容易计算A(KX1)=KX1,(常数k非零)

结论:与特征向量同方向的向量也是特征向量,特征向量不唯一。
3)

又由定义可知,5也是特征值,X3也是特征向量。

结论:特征值不只一个。事实上由(A-λE)X=0有非零解,则其系数行列式必等于零,理论上可推导出n阶方阵一定有n个特征值。

本例中,特征值有2个,分别是 1和5。

如图:
总结

众所周知,最简单的线性变换是数乘变换,如y=ax,几何上是一条直线。而 AX=λX恰好反应了这个线性本质。

通俗地说,方阵其实是一个线性系统,先天具备了线性特征(用特征值描述),通过右乘向量就可以鉴别出哪些向量是特征向量。

直观上,特征向量是指在方阵A的作用下进行比例为λ(特征值)的伸缩并保持方向不变的非零向量。

若在此基础上进一步探讨特征值以及特征向量的性质,你将发现线性空间的别样魅力。


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