相似矩阵及二次型.ppt

相似矩阵及二次型 1.向量的内积 定义1 设有n维向量 令 x, y称为向量x与y的内积。 内积是向量的一种运算，用矩阵记号表示，当x与y都是列向量时，有 内积具有下列性质（其中x,y,z为n维向量，为实数）： （1）x, y=y, x; （2） x, y= x, y; （3）x+y,z=x,z+y,z. . 1.向量的内积 有解析几何中，我们曾经引进向量的数量积 且在直角坐标系中，有 n维向量的内积时数量积的一种推广，但n维向量没有3维向量那样直观 的长度和夹角的概念，因此只能按数量积的直角坐标计算公式来推广， 并且反过来，利用内积来定义n维向量的长度和夹角： 定义2 令 称为n维向量x的长度（或范数）。 向量的长度有下述性质： 1.非负性 当 时， ;当 x=0 时， =0； 2.齐次性 ； 3.三角不等式 。 当 =1时，称x为单位向量。 向量的内积满足 上式称为施瓦茨不等式，这里不予证明。由此得 于是有下面的定义： 当 时, 称为n维向量x与y的夹角。 当x, y =0时，称向量x与y正交。显然，若x=0，则x与任意向量都正交。 1.向量的内积 下面讨论正交向量组的性质。所谓正交向量组，是指一组两两正交的非 零向量。 定理1 若n维向量a1，a2,ar是一组两两正交的非零向量，则 a1，a2,ar 线性无关。 证 设有 使 以 左乘上式两端，得 ， 因 故 ，从而必有 。类似可证 ， 。 于是向量组a1，a2,ar线性无关。 证毕 我们常采用正交向量组作为向量空间的基，称为向量空间的正交基。 例如n个两两正交的n维非零向量，可构成向量空间Rn的一个正交基。 1.向量的内积 例1 已知3维向量空间R3中两个向量 正交，试求一个非零向量a3，使a1,a2,a3两两正交。 解 记 ， a3应满足齐次线性方程Ax=0,即 ， 由 ， 得 ，从而有基础解系 。取 即合所求。 定义3 设n维向量e1,e2,er是向量空间 的一个基，如果e1, e2, ,er两两正交，且都是单位向量，则称e1,e2,er是V的一个规范正交 基。 例如 就是R4的一个规范正交基。 若e1,e2,er是V的一个规范正交基，那么V中任一向量a应能由 e1,e2,er线性表示，设表示式为 。 为求其中的系数 （i=1,r）,可用 左乘上式，有 即 1.向量的内积 设a1,a2,ar是向量空间V的一个基，要求V的一个规范正交基。这也 就是要找一组两两正交的单位向量e1,e2,er，使e1,e2,er与a1,a2,ar等 价。这样一个问题，称为把a1,a2,ar这个基规范正交化。 我们可以用以下办法把a1,a2,ar规范正交化： 取 容易验证b1,br,两两正交，且b1,br与a1,ar等价。 然后只要把它们单位化，即取 就得V的一个规范正交基。 上述从线性无关向量组a1,ar导出正交向量组b1,br的过程称为施密特 （Schimidt）正交化过程。它不仅满足b1,br与a1,。,ar等价，还满足 ：对任何k (1 ),向量组b1,，bk与a1,ak等价。 例2 设 试用施密特正交化过程把这组向量规 范正交化。 解 取 再把它们单位化，取 1.向量的内积 1.向量的内积 例4 验证矩阵P是正交矩阵 P 解 P的每个列向量都是单位向量，且两两正交，所以P是正交矩阵。 定义5 若P为正交矩阵，则线性变换y=Px 称为正交变换。 设y=Px为正交变换，则有 按 表示向量的长度，相当于线段的长度。 说明经正交变换线 段长度保持不变，这是正交变换的优良特性。 2.方阵的特征值与特征向量 工程技术中的一些问题，如振动问题和稳定性问题，常 可归结为求一个方阵的特征值和特征的问题。数学中诸如 方阵的对角化及解微分方程组等问题，也都要用到特征值 的理论。 定义6 设A是n阶矩阵，如果数 和n维非零列向量x使关系 式 （1） 成立，那么，这样的数 称为方阵A的特征值，非零向量 x称为A的对应于特征值 的特征向量。 2.方阵的特征值与特征向量 （1）式也可写成 （2） 这是n个未知数n个方程的齐次线性方程组，它有非零解的充 分必要条件是系数行列式 （3） 即 上式是以 为未知数的一元n次方程，称为方阵A的特征方 程。其左端是的n次多项式，记作f( )，称为方阵A的特征多项 式。显然，A的特征值就是特征方程的解。特征方程在复数范 围内恒有解，其个数为方程的次数（重根按重数计算），因 此，n阶矩阵A有n个特征值。 2.方阵的特征值与特征向量 设n阶矩阵A=（aij）的特征值为 ，由多项式的根与 系数之间的关系，不难证明 （1） （2） 请读者证明之。 设为方阵A的一个特征值，则由方程 可求得非零解x=pi，那么pi便是A的对应于特征值 的特征 向量。（若 为实数，则pi可取实向量；若 为复数，则pi 为复向量。） 例5 求 的特征值和特征向量。 解 A的特征多项式为 所以A的特征值为 ， 。 当 时，对应的特征向量应满足 即 解得x1=x2,所以对应的特征向量可取为 。 当 时，由 即 解得x1=-x2 ，所以对应的特征向量可取为 显然，若pi是方阵A的对应于特征值 的特征向量，则 也是对应于 的特征向量。 例6 求矩阵 的特征值和特征向量。 解 A的特征多项式为 所以A的特征值为 , 。 当时 ，解方程 。 由 得基础解系 ， 所以 是对应于 的全部特征向量。 当时 ，解方程 由 ， 得基础解系 ， 所以 是对应于 的全部特征向量。 例7 求矩阵 的特征值和特征向量。 解 当 时，解方程 。 由 得基础解系 ， 所以对应于 的全部特征向量为 。 当 时，解方程 。 由 ， 得基础解系 ， ， 所以对应于 的全部特征向量为 （k2,k3不同时为0）。 例8 设 是方阵A的特征值，证明 是A2的特征值。 证 因 是A的特征值，故有 使 。于是 ， 所以 是A2的特征值。 按此类推，不难证明：若 是A的特征值，则 是Ak的特征 值； 是 的特征值。（其中 ， ） 定理2 设 是方阵A的m个特征值，p1,p2,pm依 次是与之对应的特征向量。如果 各不相等，则 p1,p2,pm线性无关。 3.相似矩阵 定义7 设A,B都是n阶矩阵，若有可逆矩阵P,使 P-1AP=B, 则称B是A的相似矩阵，或说矩阵A与B相似。对A进行运算 P-1AP称为对A进行相似变换，可逆矩阵P称为把A变成B的相 似变换矩阵。 定理3 若n阶矩阵A与B相似，则A与B的特征多项式相同，从 而A与B的特征值亦相同。 证 因A与B相似，即有可逆矩阵P,使P-1AP=B,故 3.相似矩阵 推论 若n阶矩阵A与对角矩阵 相似，则 即是A的n个特征值。 下面我们要讨论的主要问题是：对n阶矩阵A，寻求相似变换 矩阵P,使 P-1AP= 为对角矩阵，这就称为把方阵A对角化。 定理4 n阶矩阵A与对角矩阵相似（即A能对角化）的充分必 要条件是A有n个线性无关的特征向量。 联系定理2，可得 推论 如果n阶矩阵A的n个特征值互不相等，则A与对角矩阵 相似。 4.对称矩阵的相似矩阵 定理5 对称矩阵的特征值为实数。 定理6 设 是对称矩阵A的两个特征值，p1,p2是对应的特 征向量。若 ，则p1与p2正交。 定理7 设A为n阶对称矩阵， 是A的特征方程的r重根，则矩 阵 的秩 ,从而对应特征值 恰有r个 线性无关的特征向量。 这定理不予证明。 定理8 设A为n阶对称矩阵，则必有正交矩阵P，使P-1AP= 其中 是以A的n个特征值为对角元素的对角矩阵。 例9 设 ， 求一个正交矩阵P,使P-1AP= 为对角矩阵。 解 故得特征值 =2， 。 当 =2时， 由 解得 单位特征向量可取 当时 ， 由 解得 ， 基础解系中两个向量恰好正交，单位化即得两个单位正交的 特征向量， 于是得正交矩阵 可以验知确有 此例中对应于 =4，若求得方程（A- 4E）x = 0的基础解 系为 ， ， 则需把它规范正交化： 取 。要 即 ; 有 ，故 再单位化，即得 于是 可以验知仍有P-1AP= 。 5.二次型及其标准形 定义8 含有n个变量 的二次齐次函数 （5） 称为二次型 取 ,则 ，于是（5）式可写 成 （6） 5.二次型及其标准形 对于二次型