矩阵相似及其应用

相似矩阵定义相似矩阵是线性代数中的一个重要概念，它在各个领域中都有广泛应用。

本文将从理论基础、计算方法和应用领域三个方面来介绍相似矩阵。

一、理论基础在线性代数中，相似矩阵是一个基于线性变换的概念。

给定一个线性变换T，如果存在一个非奇异矩阵P，使得P的逆矩阵存在，并且满足下式：T' = P^-1TP其中T'是一个与T相似的矩阵。

相似矩阵具有以下几个重要的性质：1. 相似矩阵具有相同的特征值。

设A和B是相似矩阵，那么它们的特征值是相同的。

2. 相似矩阵具有相同的迹。

迹是矩阵对角线上元素的和，对于相似矩阵来说，它们的迹是相等的。

3. 相似矩阵具有相同的秩。

秩是矩阵行（或列）的最大线性无关组的个数，对于相似矩阵来说，它们的秩是相等的。

二、计算方法计算相似矩阵的方法有多种，其中最常用的是使用特征值分解。

特征值分解是将矩阵A分解为特征向量和特征值的形式，即 A =VΛV^-1，其中V是特征向量矩阵，Λ是特征值矩阵。

通过特征值分解，我们可以得到相似矩阵的形式T' = V^-1TV。

另一种计算相似矩阵的方法是使用奇异值分解。

奇异值分解是将矩阵A分解为奇异值和奇异向量的形式，即A = USV^T，其中U和V 是正交矩阵，S是奇异值矩阵。

通过奇异值分解，我们可以得到相似矩阵的形式T' = U^TV。

三、应用领域相似矩阵在各个领域中都有广泛的应用。

以下是几个常见的应用领域：1. 图像处理：相似矩阵可以用于图像的压缩和降噪处理。

通过计算相似矩阵，我们可以找到一组线性变换，将图像中的冗余信息去除，从而实现图像的压缩和降噪。

2. 推荐系统：相似矩阵可以用于推荐系统中的用户相似度计算。

通过计算用户之间的相似矩阵，我们可以找到与当前用户兴趣相似的其他用户，从而为其推荐感兴趣的内容。

3. 自然语言处理：相似矩阵可以用于词向量的计算。

通过计算词语之间的相似矩阵，我们可以得到词语在语义空间中的表示，从而实现自然语言处理任务，如词义消歧和文本分类等。

矩阵的相似及其应用
矩阵的相似及其应用在实际生活中应用较多，本文主要试图从对矩阵相似的概念、性质及应用等方面进行阐述，在相似矩阵的应用中，主要概况矩阵的相似与特征矩阵，对角化问题和二次型之间的联系，利用相似矩阵的性质来确定矩阵中未知元素方法的完整性，给出相
应的定理和结论，并用例题加以证明。

矩阵相似的定义：设A,B为数域P上两个n级矩阵，如果可以找到数域P上的n级可逆矩阵X,使得B=X1AX,就说A相似于B。

相似是矩阵之间的一种关系，这种关系具有下面三个性质：
1.反身性：A相似于A.
2.对称性：如果A相似于B,那么B相似于A.
3.传递性：如果A相似于B,B相似于C,那么A相似与C.。

线性代数中矩阵的相似变换及其应用线性代数是一门研究线性空间及其上的线性变换的数学分支。

在这门学科中，矩阵是一个极为重要的概念，因为它可以将线性变换转化为更加容易处理的代数形式。

而其中的一种基本操作——矩阵相似变换，更是在许多领域都得到了广泛的应用。

一、矩阵相似变换矩阵相似变换在线性代数中是一个非常重要的概念，因为它可以帮助我们更好地理解矩阵的性质和特征，也方便了我们进行矩阵的运算和求解。

矩阵相似变换指的是对一个矩阵A进行"相似变换"之后得到另一个矩阵B的过程，其中相似变换指的是将矩阵A按照特定的方式变换之后得到的矩阵B，即B=PAP^(-1)。

其中，P是一个可逆矩阵，也就是说，矩阵A和B具有相同的特征值和特征向量。

矩阵相似变换有如下的性质：1. 若A和B相似，则它们的特征值和特征向量相同。

2. 若A相似于B，B相似于C，则A相似于C。

3. 若A相似于B，则A^k相似于B^k，Aⁿ相似于Bⁿ。

4. 若A与B相似，则它们的行列式和迹相同。

5. 若A和B相似，则存在一个可逆矩阵P，使得P^-1AP=B。

二、矩阵相似变换的应用1. 矩阵对角化矩阵对角化是指将某个矩阵转化为对角矩阵的过程，这个过程通常是通过矩阵相似变换来实现的。

对角化之后的矩阵易于计算，也便于我们理解矩阵的特征和性质。

2. 特征值和特征向量的求解矩阵相似变换可以将一个矩阵转化为与之相似的矩阵B，使得B具有与A相同的特征值和特征向量。

因此，通过矩阵相似变换，我们可以方便地求解一个矩阵的特征值和特征向量。

3. 线性微分方程组的求解在求解线性微分方程组时，矩阵相似变换可以将矩阵转化为对角矩阵，使得求解过程更加简单明了。

因此，线性微分方程组的求解中矩阵相似变换得到了广泛的应用。

4. 特征空间的求解特征空间指的是某一矩阵的所有特征向量张成的空间。

通过矩阵相似变换，我们可以方便地求解出一个矩阵的特征向量，从而得到它的特征空间，进而解决许多实际问题。

矩阵的相似与对角化矩阵是线性代数中的重要概念之一，而相似性与对角化是矩阵理论中的两个关键概念。

本文将从相似性与对角化的概念入手，探讨它们的定义、性质以及在线性代数中的应用。

1. 相似矩阵的定义与性质相似矩阵是线性代数中一个重要的概念，它描述了两个矩阵具有相同的特征值，但其特征向量的基和矩阵元素可能不同。

具体来说，如果存在一个可逆矩阵P，使得矩阵A和矩阵B满足A = PBP^(-1)，则可以称矩阵A和矩阵B是相似的。

相似矩阵的性质包括：1) 相似矩阵具有相同的特征值，即它们的特征多项式相同。

2) 相似矩阵的特征向量对应相同的特征值，但基可能不同。

3) 相似矩阵具有相同的迹、行列式和秩。

4) 相似矩阵具有相同的幂，即A^k与B^k相似。

2. 对角化的定义与性质对角化是线性代数中与相似性概念紧密相关的一个概念。

简而言之，对角化就是将一个矩阵通过相似变换变成对角矩阵的过程。

具体来说，如果一个n阶矩阵A相似于一个对角矩阵D，即存在一个可逆矩阵P，使得A = PDP^(-1)，则称矩阵A是可对角化的。

对角化的性质包括：1) 可对角化矩阵与其特征值和特征向量有关，特征向量构成的基是将矩阵对角化的基。

2) 可对角化矩阵具有简洁的形式，对角线上的元素是矩阵的特征值，其他元素都为0。

3) 可对角化矩阵的幂可以通过对特征值的幂进行对角化得到。

3. 相似与对角化的关系和应用相似的关系为矩阵的对角化提供了有力的理论基础。

具体而言，如果一个矩阵是可对角化的，那么它就必然与一个对角矩阵相似。

换句话说，对角化是相似的一种特殊情况。

相似与对角化的关系在线性代数中有广泛的应用，例如：1) 矩阵的相似性可以简化矩阵的计算，例如求解线性方程组、计算矩阵的幂等等。

2) 对角化可以简化矩阵的求幂运算，从而方便计算高阶矩阵的幂。

3) 对角化可以帮助我们理解矩阵的性质，例如特征向量的重要性、矩阵的谱分解等。

总结：本文从相似性与对角化的定义和性质出发，对相似矩阵与对角化的关系与应用进行了讨论。

相似矩阵的实际应用相似矩阵在实际应用中有广泛的用途，以下是一些常见的应用领域：1. 图像处理：自相似矩阵可用于图像压缩和去噪。

通过对图像中重复出现的自相似块进行建模，可以有效地压缩图像数据并减少噪声。

2. 时间序列分析：自相似矩阵可用于分析时间序列数据中的周期性和重复模式。

这对于预测和模式识别非常有用。

3. 金融市场分析：自相似矩阵可用于分析金融市场数据中的周期性和自相似性。

它可以帮助识别市场中的模式和趋势，以便进行更准确的预测。

4. 网络流量分析：自相似矩阵可用于分析网络流量数据中的周期性和自相似性。

这对于优化网络资源分配和检测异常流量非常有用。

5. DNA序列分析：自相似矩阵可用于分析DNA序列中的重复结构和模式。

这有助于了解基因组的功能和进化。

6. 机器学习：在机器学习中，相似性矩阵（或称为距离矩阵、核矩阵等）经常用于衡量数据点之间的相似性或距离。

例如，在K-means聚类算法中，需要使用相似性矩阵来确定数据点之间的归属；在支持向量机（SVM）中，核矩阵用于在高维空间中计算数据点的内积。

7. 推荐系统：推荐系统利用用户的历史行为和偏好来预测他们可能感兴趣的内容。

相似性矩阵可以用于计算用户或物品之间的相似度，从而为用户提供个性化的推荐。

8. 人脸识别：在人脸识别中，相似性矩阵用于比较不同人脸图像之间的相似度。

通过计算人脸特征向量之间的相似性矩阵，可以实现人脸的识别、验证和聚类等功能。

9. 社交网络分析：在社交网络分析中，相似性矩阵可用于衡量用户之间的社交距离和关系强度。

这有助于发现社交网络中的社区结构、关键节点和传播路径等信息。

相似矩阵在实际应用中发挥着重要作用，涉及图像处理、时间序列分析、金融市场分析、网络流量分析、DNA序列分析以及机器学习、推荐系统、人脸识别和社交网络分析等多个领域。

通过利用相似矩阵的特性，可以有效地处理和分析各种类型的数据，为实际应用提供有力支持。

矩阵相似例题摘要：一、矩阵相似的定义与性质1.矩阵相似的定义2.矩阵相似的性质二、矩阵相似的判定方法1.秩相似2.行列式相似3.迹相似4.标准型相似三、矩阵相似的应用1.矩阵对角化2.线性变换的性质3.矩阵函数的性质四、矩阵相似的例题解析1.矩阵相似的判定例题2.矩阵相似的应用例题正文：矩阵相似是线性代数中的一个重要概念，它涉及到矩阵的性质及其应用。

本文将详细介绍矩阵相似的定义、性质、判定方法及其应用。

一、矩阵相似的定义与性质矩阵相似是指存在一个可逆矩阵P，使得矩阵A 与矩阵B 满足关系式：B = P^(-1) * A * P。

其中，A 和B 称为相似矩阵。

矩阵相似具有以下性质：1.相似矩阵具有相同的特征多项式；2.相似矩阵具有相同的行列式值；3.相似矩阵具有相同的迹；4.相似矩阵具有相同的秩。

二、矩阵相似的判定方法矩阵相似的判定方法有多种，常见的有以下四种：1.秩相似：当两个矩阵的秩相等时，它们是相似矩阵；2.行列式相似：当两个矩阵的行列式值相等时，它们是相似矩阵；3.迹相似：当两个矩阵的迹相等时，它们是相似矩阵；4.标准型相似：当两个矩阵具有相同的标准型时，它们是相似矩阵。

三、矩阵相似的应用矩阵相似在许多领域都有广泛的应用，例如：1.矩阵对角化：通过矩阵相似可以将一个矩阵对角化，从而简化矩阵的运算和求解线性方程组；2.线性变换的性质：线性变换的性质可以通过矩阵相似进行研究；3.矩阵函数的性质：矩阵函数的性质也可以通过矩阵相似进行研究。

四、矩阵相似的例题解析以下是一些关于矩阵相似的例题：1.矩阵相似的判定例题：已知矩阵A 和B，如何判定它们是否相似？2.矩阵相似的应用例题：已知矩阵A，如何通过矩阵相似将其对角化？。

相似矩阵的有关性质及其应用作 者 王国强 数学系 数学与应用数学专业 指导教师 金银来 数学系 教授摘要 若矩阵P 可逆,则矩阵P -1AP 与A 称为相似。

相似矩阵有很多应用。

例如：利用相似矩阵的性质来确定矩阵中未知元素方法的完整性；两个相似矩阵属于同一个特征值的特征向量之间的关系；矩阵相似与特征多项式的等价条件及相关结果；尤其是矩阵的标准形及其对角化问题,在高等代数和其他学科中都有极其广泛的应用。

本文将讨论相似矩阵的有关性质及其应用。

关键词：相似矩阵；对角化；Jordan 标准型；特征向量；特征值Abstract: There are a lot of applications about similar matrix. For example, we candiscuss the integrality of the method by using the properties of similar matrices to confirm unknown elements and characteristic subspaces of similar matrices belong to the same characteristic value are isomorphism. Also we may discuss the equivalent conditions for similar matrices and their characteristic polynomial and their corresponding results, especially, applications of digitalization matrices in advanced algebra theory and other subjects are probed into. In this paper I will give out some corresponding properties of similar matrices and show their appliance.Keywords: similar matrices; diagonal matrix; Jordan ’s normal form; characteristic value; characteristic vector1 相似矩阵有关定义定义1.1设A,B 是n 阶方阵,如果存在可逆阵P 使得P -1AP=B,则称矩阵A 与B 相似.定义 1.2矩阵A 相似于对角阵,则称A 可相似对角化,即存在可逆阵P 使),,(2,11n diag AP P λλλ =-,n λλ,,1 为A 的n 个特征值.2 相似矩阵有关性质a. 已知P -1AP=B,即A 相似于B,则ⅰ) |A|=|B|; ⅱ) t r (A)=t r (B); ⅲ) |A-λI |=|B-λI |.b. 若A 与B 都可对角化,则A 与B 相似的充分条件是A 与B 由相同的特征多项式.c. A 的属于同一特征值i λ的特征向量的线形组合只要不是零向量, 仍是对应i λ的特征向量.d. A 的属于不同特征值的特征向量线形无关.e. 实对称矩阵A 的特征值都是实数,属于不同特征值的特征向量正交.f. 若λ是实对称矩阵A 的r 重特征值,则A 对应特征值λ恰有r 个线性 无关的特征向量.g. 任何一个n 阶复矩阵A 都与一个Jordan 形矩阵J 相似. h. 对n 阶方阵A ，以下三条等价: ⑴A 可对角化;⑵A 有n 个特征值（重根按重数计），且∀r （＞1）重特征值λ; ⑶A 有n 个线性无关的特征向量.i. 对角化的基本方法有如下两种:特征值法,特征向量法.3 相似矩阵在微分方程中的应用许多实际问题最后都归结为求解微分方程（组）的问题.因此,如何求解微分方程（组）是个很重要的问题.下面举例说明特征值和特征向量,约当标准形在其中的应用.3.1 将常系数线性微分方程组⎝⎛+++=+++=+++=.;;22112222121212121111n nn n n n n n n n u a u a u a dtduu a u a u a dt du u a u a u a dt du (3-1)写成矩阵形式为Au dtdu= (3-2)其中u=(T n u u u ),,,21 ,n n ij a A *)(=为系数矩阵,令(3-2)式的解u=x e t λ, (3-3)即 (T n u u u ),,,21 =T n t x x x e ),,,(21 λ. 将(3-3)式代入（3-2）得λx e t λ=A x e t λ=Ax e t λ,化简得X AX λ=,即(3-3)式中λ为A 的特征值,X 为λ对应的特征向量;若A 可对角化,则存在n 个线性无关的特征向量,,,,21n x x x 于是得到(3-2)式的n 个线性无关的特解.u 1=111x e t λ, u 2=22x e t λ,, u n =n t x e n λ.它们的线性组合 =u c 1111x e t λ+c222x e t λ+…+cnn t x e n λ,(3-4)(其中n c c c ,,,21 为任意常数)为(3-1)式的一般解,将(3-4)式改写成矩阵形式u=),,,(21n x x x ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡ttt n e e e λλλ 21⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n c c c 21, 记 c=(n c c c ,,,21 )T ,Λt e =diag (t t t n e e e λλλ,,,21 ) p=),,,(21n x x x ,则(3-1)式或(3-2)式有一般解c pe u t ∆=(3-5) 对于初值问题⎪⎩⎪⎨⎧==∆=00,u t u u dt du(3-6) 解为01u p pe u t -∆=(3-7)因为t=0代入(3-5)式得 c=01u p -. 例3.1 解线性常系数微分方程组⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+-=+-=+=.2;54;313212211x x dt dx x x dt dx x x dt dx 已知初始值为: .2)0(,1)0(,1)0(321=-==x x x解 本题的初始值问题为⎪⎩⎪⎨⎧-===Tx x Axdt dx)2,1,1()0(0其中 110450102A ⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦,可得A 的约当标准形,即有可逆矩阵 P =012025111⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ ,使⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡==-3001300021J AP P . 由(3-7)式,该初值问题的解为01x P Pe X tJ -=(3-8)其中 ,!)(!2)(2 +++++=n tJ tJ tJ I e ntJ(3-9)⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=-n n n n n nn C J 30033000230013000211 (3-10)将(3-10)式代入(3-9)式得⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=t t t t tJ e te e e e 333200000(3-11)再将(3-11)式及1,-P P 代入(3-8)式得⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-+----=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=t t tt t t t te t e e t e t e te e et x t x t x x 32333332321)34(2)61()31(21101202511300000111520210)()()( 例3.2 解线性微分方程组11111221221122221122..............................n n n n n n n nn n dx a x a x a x dt dx a x a x a x dtdx a x a x a xdt⎧=+++⎪⎪⎪=+++⎪⎨⎪⎪⎪=+++⎪⎩(3-12)解 令12n x x X x ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,12n dx dt dx dX dt dt dx dt ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,111212122212n n n n nn a a a a a a A a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦则方程组(3-12)可表示成矩阵形式 dXAX dt= (3-13)假设A 可以相似对角化,即存在可逆矩阵P ,使得112(,,,)n P AP diag λλλ-=其中12,,,n λλλ为A 的全部特征值.于是令X PY=(3-14) 其中12(,,,)T n Y y y y =,将式(3-14)代入式(3-13)，得()d PY APY dt= 即dYPAPY dt=(3-15)在上式两端同时左乘1P -,得112(,,)n dYP APY diag Y dtλλλ-==即111222n n n dy y dt dy y dtdy ydtλλλ⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪⎪⎪=⎪⎩ 将上式积分,得121122,,,n tt t n n y C e y C e y C e λλλ===(3-16) 其中1C ,2C ,,n C 为积分常数.将式(3-16)代入(3-15)式,可得121122n t tt n n X C Pe C P e C P e λλλ=+++其中i P 为矩阵P 的第i 列,也是A 的对应于特征值i λ的特征向量,1,2,,i n =.3.2 对于n 阶线性齐次常系数微分方程1111()()()()0n n n n n n d x t d x t dx t a a a x t dt dtdt---++++=(3-17) 可令2112321,,,,n n n dx d xd xx x x x x dt dtdt--==== 于是可得与方程(3-17)同解的方程组12231121n n n ndx x dt dx x dt dx a x a x a x dt-⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪⎪⎪=----⎪⎩(3-18)式(3-18)可写成矩阵形式dXAX dt=(3-19) 其中12(,,)T n X x x x =,12(,,,)T n dx dx dx dXdt dt dt dt=, 11010000001n n A a a a -=⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦于是这类微分方程可以归纳为等价的线性微分方程组,然后再利用特征值和特征向量求解.例3.3 求解微分方程323234120d x d x dx x dt dt dt--+=(3-20)解 令21232,,x x dx d xx x dt dt===于是(3-20)式可变成等价的方程组122331231243dx x dt dx x dt dx x x x dt ⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=-++⎪⎩即dXAX dt= 其中 123(,,)T X x x x =,312(,,)T dx dx dx dX dt dt dt dt=,010*******A ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦可求得A 的特征值为1233,2,2λλλ===-，对应的特征向量分别为123(1,3,9),(1,2,4),(1,2,4)T T T X X X ===-于是由上例知,312112233t tt X C C C X eX e X e λλλ=++322123111322944t t t C C C e e e -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=++-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦从而3221123t t t C C C x x e e e -==++ 其中(1,2,3)i C i =为任意常数.4 相似矩阵在现实生活中的应用例4.1 污染与环境发展的增长模型——发展与环境已成为21世纪各国政府关注的重点,为了定量分析污染与工业发展间的关系，我们可提出以下的工业增长模型:解 设x 0是某地区目前的污染水平（以空气或河湖水质的某种污染指数为测量单位）,y 0是目前的工业发展水平（以某种工业发展指数为测量单位）,以5年作为一个期间,第t 个期间的污染和工业发展水平分别记为x t 和y t ,它们之间的关系是：1111322t t t t t t x x y y x y ----=+⎧⎨=+⎩t=1,2,…(4-1)记 A=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2213 , ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=t t t y x α , 则(4-1)的矩阵形式为 ,1-=t t A αα t=1,2,… (4-2)如果已知该地区目前（亦称为基年）的污染和工业发展水平0α=[],00Ty x 利用(4-2)就可以预测第k 个期间该地区的污染和工业发展水平k α,这是因为由(4-2)可得.,,,0021201αααααααk k A A A A ====这表明k α可通过k A 求得,为此考察A 能否对角化,计算出A 的特征多项式.()f λ=|A E -λ|=)4)(1(2213--=----λλλλ由A 有2个相异的特征值1和4知,A 能对角化,所以可用性质来计算k A . 对于11=λ,解,0)(=-X A E 可得A 属于1的一个特征向量[].211T=ξ对于,42=λ解,0)4(=-X A E 可得A 属于4的一个特征向量[].112T=ξ令[],21ξξ=P 有A=[].411-P Pdiag[],424*22414*213112113140011211411⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++-+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==-k k k k k kkPPdiag A 所以 k α=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+++-+-++=00000)42()4*22()41()4*21(31y x y x A kk kk kα (4-3)(4-3)就是所要的预测结果,对不同的0α值代入(4-3)即可求得k α.例如：若[]T110=α，有[]Tk kk 44=α,(实际上此时0α就是属于4的特征向量,所以[]);44400Tk kk k k A ===ααα若[],210T=α有[].42413111Tk k k +++-+-=α这些都表明,尽管工业发展水平可以达到相当高的程度,但照此模式发展，环境污染不容忽视.例 4.2 人口流动模型——假设某省城人口总数保持不变,每年有20％的农村人口流入城镇,有10％的城镇人口流入农村.试问该省城人口与农村人口的分布最终是否会趋向一个“稳定状态”？为解答这个问题，可设该省城人口总数为m,从今年开始,第k 年该省城的城镇人口和农村人口分别设为k x ,k y ,据题意有11110.90.20.10.8k k k kk k x x y y x y ----=+⎧⎨=+⎩ 即0.90.20.10.8A ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ k k k x y α⎡⎤=⎢⎥⎣⎦则 110()k k k k A A A A αααα--====为计算k A ,仍考察A 能否对角化.计算出A 的特征多项式0.90.2()(1)(0.7)0.10.8f E A λλλλλλ--=-==----由于A 有2个相异的特征值1和0.7知,A 能对角化,所以可用性质来计算k A . 对于11λ=解()0E A X -=可得A 属于1的一个特征向量[]121Tξ=; 对于20.7λ=解(0.7)0E A X -=可得A 属于0.7的一个特征向量[]211Tξ=-. 令[]12P ξξ=,有1[10.7]A Pdiag P -=,11(0.7)k k A Pdiag P -⎡⎤=⎣⎦1021112(0.7)22*(0.7)111112330(0.7)1(0.7)12*(0.7)k k k k k ⎡⎤+-⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---+⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦利用 00x y m +=,可得00000002(0.7)22*(0.7)131(0.7)12*(0.7)2(2)(0.7)13(2)(0.7)k kkk k k kk x A y m x y m x y αα⎡⎤+-⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-+⎣⎦⎣⎦⎡⎤+-=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦从而有000021(2)(0.7)3311(2)(0.7)33kk k k x m x y y m x y ⎧=+-⎪⎪⎨⎪=--⎪⎩数列{}{},k k x y 的极限为21lim ,lim 33k k k k x m y m →∞→∞== 这表明该省城的城镇人口与农村人口的分布会趋于一个“稳定状态”:大约有23为城镇人口,13为农村人口. 例4.3 某试验性生产线每年一月份进行熟练工与非熟练工的人数统计,然后将16熟练工支援其他生产部门,其缺额由招收的新非熟练工补齐,新老非熟练工经过培训及实践至年终考核有25成为熟练工.设第n 年一月统计的熟练工和非熟练工所占百分比分别为n x 和n y ,记成向量n n x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦(a)求n+1n+1x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦与n n x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦的关系式,并写成矩阵形式n+1n+1x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦=A n n x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦;(b)验证14=1η⎛⎫ ⎪⎝⎭,2-1=1η⎛⎫⎪⎝⎭,是A 的两个线性无关的特征向量,并求出相应的特征值;(c)当111x 2=y 12⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦时，求n+1n+1x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦. 【思路】本题的关键在于读懂题意,写出n+1x 与n+1y ,用n x ,n y 来表达的关系式:第n 年初熟练工与非熟练工所占百分比为n x 和n y ,第n+1年初的熟练工所占的百分比n+1x 由两部分构成。

相似矩阵的性质及应用毕业论文一.相似矩阵的定义定义：设A 、B 为数域P 上两个n 级矩阵，如果可以找到数域P 上的n 级可逆矩阵X ，使得B=1-X AX ，就说A 相似于B ，记做B A ~.二.相似矩阵的重要性质性质1 数域P 上的n 阶方阵的相似关系是一个等价关系.证明：1〉（反身性） 由于单位矩阵E 是可逆矩阵，且A=1-E AE ，故任何方阵A 与A 相似.2〉（对称性） 设A 与B 相似，即存在数域P 上的可逆方阵C ，使得B=1-C AC ，由此可得A=CB 1-C =11)(--C B 1-C ，显然可逆，所以B 与A 相似.3〉（传递性）设A 与B 相似，B 与C 相似，即存在数域P 上的n 阶可逆方阵P 、Q ，使B=1-P AP ，C=1-Q BQ ，则 C=BQ=1-Q 1-P APQ=1)(-PQ A （PQ ），从而A 与C 相似.〈证毕〉 性质2 相似矩阵有相同的行列式.证明：设A 与B 相似，即存在数域P 上的可逆矩阵C ，使得B=1-C AC ，两边取行列式得：｜B ｜=｜1-C AC ｜=｜1-C ｜｜A ｜｜C ｜=｜A ｜｜1-C C ｜=｜A ｜.从而相似矩阵有相同的行列式. 〈证毕〉 下面先介绍两个引理引理1：设A 是数域P 上的n ×m 矩阵，B 是数域P 上m ×s 矩阵，于是秩（AB ）≤min[秩（A ），秩（B ）] (1)即乘积的秩不超过各因子的秩.证明：为了证明（1），只需要证明秩（AB ）≤秩（A ），同时，秩（AB ）≤秩（B ）.现在来分别证明这两个不等式.设A=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛nm n n m m a a a a a a a a a 212222111211，B=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛ms m m s s b b b b b b b b b212222111211令1B ，2B ，…，m B 表示B 的行向量，1C ，2C ，…n C ，表示AB 行向量.由计算可知，i C 的第j 个分量和m im i i B a B a B a +++ 2211的第j 个分量都等于kj mk ikb a∑=1，因而i C =m im i i B a B a B a +++ 2111 （i=1，2，…n ）.即矩阵AB 的行向量组n C C C ,,,21 可经B 的行向量组线性表出.所以AB 的秩不能超过B 的秩，也即, 秩（AB ）≤秩（B ）.同样，令m A A A ,,21 表示A 的列向量，s D D D ,,21表示AB 的列向量，由计算可知i D =11A b i +22A b i +…+m mi A b （i=1，2，…，s ）.这个式子表明，矩阵AB 的列向量可以经矩阵A 的列向量组表出，前者的秩不可能超过后者的秩，这就是说，秩（AB ）≤秩（A ）. <证毕>引理2:A 是一个s ×n 矩阵,如果P 是个s ×s 可逆矩阵,Q 是n ×n 可逆矩阵,那么秩（A ）=秩（PA ）=秩（AQ ）.证明:令 B=PA,由引理1知秩（B ）≤秩（A ）； 但是由A=1-P B,又由秩（A ）≤秩（B ）,所以秩（A ）=秩（B ）=秩（PA ）.同理可证, 秩（A ）=秩（AQ ）.从而, 秩（A ）=秩（PA ）=秩（AQ ）. 〈证毕〉 性质3 相似矩阵有相同秩.证明:设A,B 相似即存在数域P 上的可逆矩阵C,使得 B=1-C AC , 由引理2可知秩（B ）=秩（1-C AC ）=秩（AC ）=秩（A ）. 〈证毕>性质4 相似矩阵或同时可逆或同时不可逆.证明:设A 与B 相似,由性质3可知B A = .若A 可逆,即0≠A ,从而0≠B 故B 可逆； 若A 不可逆,即0=A ,从而0=B ,故B 不可逆. 〈证毕〉性质5 若A 与B 相似,则n A 相似于n B .(n 为正整数)证明:由于A 与B 相似,即存在数域P 上的可逆矩阵X,使得AX X B 1-=,从而X A X AX X AX X AX X n n 1111----=•••个,即 n A 相似于n B . 〈证毕〉性质6 设A 相似于B,)(x f 为任一多项式,则)(A f 相似于)(B f . 证明:设0111)(a x a x a x a x f n n n n ++++=-- 于是Ea B a Ba B a B f E a A a A a A a A f n n nn n n n n 01110111)()(++++=++++=----由于A 相似于B,由性质5可知k A 相似于k B ,(k 为任意正整数) ,即存在可逆矩阵X,使得X A X B K k 1-=,因此)()()(01110111111011111B f Ea B a B a B a E a AX X a X A X a X A X a X E a A a A a A a X X x f X n n nn n n n n n n n n =++++=++++=++++=-----------这就是说)(A f 相似于)(B f . 〈证毕〉性质7 相似矩阵有相同的特征多项式.证明：设A 相似于B ，即存在数域P 上的可逆矩阵C ，使得AC C B 1-=， 则AE C C A E C A E CACC EC C AC C C C AC C E B E -=-=-=-=-=-=--------λλλλλλλ1111111由此可见，B 与A 有相同的特征多项式. 〈证毕〉 性质8：相似矩阵有相同的迹.证明：设A 相似于B 。

第六章矩阵的相似特征值和特征向量矩阵的相似性：在线性代数中，如果两个矩阵具有相同的特征值，则它们被称为相似矩阵。

当两个矩阵A和B相似时，它们之间可以通过一个可逆矩阵P进行相互转换，即A=PBP^(-1)。

相似矩阵具有一些有用的性质和应用。

特征值和特征向量：一个n阶矩阵A的特征值是一个标量λ，满足方程Av=λv，其中v 是一个非零的n维向量，称为特征向量。

特征值和特征向量可以通过求解矩阵的特征方程来计算。

特征值和特征向量对于理解矩阵的性质和应用非常重要。

特征值和特征向量的求解：要求解矩阵的特征值和特征向量，可以通过以下步骤进行：1. 对于矩阵A，计算其特征方程det(A-λI) = 0，其中det表示矩阵的行列式，I为单位矩阵。

2.解特征方程，得到特征值λ1，λ2，...，λn。

3. 对于每个特征值λi，求解方程(A-λiI)v = 0，其中v为特征向量。

得到多组特征向量v1，v2，...，vn。

特征值和特征向量的性质：特征值和特征向量具有一些重要的性质：1.相似矩阵具有相同的特征值，但不一定有相同的特征向量。

2.特征向量可以用于将线性变换A表示为对角矩阵D的相似变换，即A=PDP^(-1)。

3.特征值的和等于矩阵的迹（主对角线上元素的和），特征值的乘积等于矩阵的行列式。

4.如果矩阵A是对称矩阵，则其特征向量是相互正交的。

特征值和特征向量的应用：特征值和特征向量在多个领域都有广泛的应用：1.物理学中，特征值和特征向量用于描述物理系统的振动模式和稳定性。

2.图像处理中，特征值和特征向量用于图像压缩、图像恢复等算法。

3.机器学习中，特征值和特征向量用于降维、主成分分析等特征提取方法。

4.工程学中，特征值和特征向量用于结构分析、系统控制等问题的求解。

总结：特征值和特征向量是矩阵相似性的重要概念，它们可以帮助我们理解矩阵的性质和应用。

通过求解特征方程，我们可以得到矩阵的特征值和特征向量。

它们具有许多有用的性质和应用，在多个领域中得到广泛的应用。