特征值和特征向量的物理意义

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特征向量体现样本之间的相关程度,特征值则反映了散射强度。

特征向量的几何意义.矩阵(既然讨论特征向量的问题.当然是方阵.这里不讨论广义特征向量的概念)乘以一

个向量的结果仍是同维数的一个向量.因此.矩阵乘法对应了一个变换.把一个向量变成同维数的另一个向量.那么变换的效果是什么呢?这当然与方阵的构造有密切关系.比如可以取适当的二维方阵.使得这个变换

的效果就是将平面上的二维向量逆时针旋转30度.这时我们可以问一个问题.有没有向量在这个变换下不

改变方向呢?可以想一下.除了零向量.没有其他向量可以在平面上旋转30度而不改变方向的.所以这个变换对应的矩阵(或者说这个变换自身)没有特征向量(注意:特征向量不能是零向量).所以一个变换的特征向量

是这样一种向量.它经过这种特定的变换后保持方向不变.只是进行长度上的伸缩而已(再想想特征向量的原始定义Ax= cx.你就恍然大悟了.看到了吗?cx是方阵A对向量x进行变换后的结果.但显然cx和x的方向相同).而且x是特征向量的话.ax也是特征向量(a是标量且不为零).所以所谓的特征向量不是一个向量而是一个向量族. 另外.特征值只不过反映了特征向量在变换时的伸缩倍数而已.对一个变换而言.特征向量指明的

方向才是很重要的.特征值不是那么重要.虽然我们求这两个量时先求出特征值.但特征向量才是更本质的

东西!

比如平面上的一个变换.把一个向量关于横轴做镜像对称变换.即保持一个向量的横坐标不变.但纵坐标取相反数.把这个变换表示为矩阵就是[1 0,0 -1].其中分号表示换行.显然[1 0,0 -1]*[a b]'=[a -b]'.

其中上标'表示取转置.这正是我们想要的效果.那么现在可以猜一下了.这个矩阵的特征向量是什么?想想什么向量在这个变换下保持方向不变.显然.横轴上的向量在这个变换下保持方向不变(记住这个变换是镜像

对称变换.那镜子表面上(横轴上)的向量当然不会变化).所以可以直接猜测其特征向量是[a 0]'(a不为0).还有其他的吗?有.那就是纵轴上的向量.这时经过变换后.其方向反向.但仍在同一条轴上.所以也被认为是方向没有变化。

综上,特征值只不过反映了特征向量在变换时的伸缩倍数而已,对一个变换而言,特征向量指明的方向才是很重要的,特征值似乎不是那么重要;但是,当我们引用了Spectral theorem(谱定律)的时候,情况就不一样了。

Spectral theorem的核心内容如下:一个线性变换(用矩阵乘法表示)可表示为它的所有的特征向量的一个线性组合,其中的线性系数就是每一个向量对应的特征值,写成公式就是:

T(V)=λ1(V1.V)V1+λ2(V2.V)V2+λ3(V3.V)V3+...

从这里我们可以看出,一个变换(矩阵)可由它的所有特征向量完全表示,而每一个向量所对应的特征值,就代表了矩阵在这一向量上的贡献率——说的通俗一点就是能量(power),至此,特征值翻身做主人,彻底掌握了对特征向量的主动:你所能够代表这个矩阵的能量高低掌握在我手中,你还吊什么吊?

我们知道,一个变换可由一个矩阵乘法表示,那么一个空间坐标系也可视作一个矩阵,而这个坐标系就可由这个矩阵的所有特征向量表示,用图来表示的话,可以想象就是一个空间张开的各个坐标角度,这一组向量可以完全表示一个矩阵表示的空间的“特征”,而他们的特征值就表示了各个角度上的能量(可以想象成从各个角度上伸出的长短,越长的轴就越可以代表这个空间,它的“特征”就越强,或者说显性,而短轴自然就成了隐性特征),因此,通过特征向量/值可以完全描述某一几何空间这一特点,使得特征向量与特征值在几何(特别是空间几何)及其应用中得以发挥。

关于特征向量(特别是特征值)的应用实在是太多太多,近的比如俺曾经提到过的PCA方法,选取特征值最高的k个特征向量来表示一个矩阵,从而达到降维分析+特征显示的方法;近的比如Google公司的成名作PageRank,也是通过计算一个用矩阵表示的图(这个图代表了整个Web各个网页“节点”之间的关联)的特征向量来对每一个节点打“特征值”分;再比如很多人脸识别,数据流模式挖掘分析等方面,都有应用,

有兴趣的兄弟可以参考IBM的Spiros 在VLDB… 05,SIGMOD ‟06上的几篇文章。

特征向量不仅在数学上,在物理,材料,力学等方面(应力、应变张量)都能一展拳脚,有老美曾在一本线代书里这样说过“有振动的地方就有特征值和特征向量”,确实令人肃然起敬+毛骨悚然......

特征值就是那个矩阵所对应的一元多次方程组的根

特征值表示一个矩阵的向量被拉伸或压缩的程度,例如特征值为1111111111,则表示经过变换以后,向量没有被拉伸,在物理上表示做刚体运动,相当与整体框架做了变动,但内部结构没有变化.

量子力学中,矩阵代表力学量,矩阵的特征向量代表定态波函数,矩阵的特征植代表力学量的某个可能

的观测值。

一个向量(或函数)被矩阵相乘,表示对这个向量做了一个线性变换。如果变换后还是这个向量本身乘以一个常数,这个常数就叫特征值。这是特征值的数学涵义;

至于特征值的物理涵义,根据具体情况有不同的解释。比如动力学中的频率,稳定分析中的极限荷载,甚至应力分析中的主应力

矩阵的特征值要想说清楚还要从线性变换入手,把一个矩阵当作一个线性变换在某一组基下的矩阵,最简单的线性变换就是数乘变换,求特征值的目的就是看看一个线性变换对一些非零向量的作用是否能够相当于一个数乘变换,特征值就是这个数乘变换的变换比,这样的一些非零向量就是特征向量,其实我们更关心的是特征向量,希望能把原先的线性空间分解成一些和特征向量相关的子空间的直和,这样我们的研究就可以分别限定在这些子空间上来进行,这和物理中在研究运动的时候将运动分解成水平方向和垂直方向的做法是一个道理!

用matlab求矩阵最大特征值的特征向量

用函数[V,D]=eig(A)

矩阵D的对角元存储的是A的所有特征值,

而且是从小到大排列的

矩阵V的每一列存储的是相应的特征向量

所以应该是V的最后一个列

就是最大特征值的特征向量

特征向量-定义

数学上,线性变换的特征向量(本征向量)是一个非退化的向量,其方向在该变换下不变。该向量在此变换下缩放的比例称为其特征值(本征值)。图1给出了一幅图像的例子。一个变换通常可以由其特征值和特征向量完全描述。特征空间是相同特征值的特征向量的集合。

这些概念在纯数学和应用数学的很多领域发挥着巨大的作用—在线性代数,泛函分析,甚至在一些非线性的情况中也有着显著的重要性。

“特征”一词来自德语的eigen。1904年希尔伯特首先在这个意义下使用了这个词,更早亥尔姆霍尔兹也在相关意义下使用过该词。eigen一词可翻译为“自身的”,“特定于...的”,“有特征的”或者“个体的”—这强调了特征值对于定义特定的变换有多重要。

空间上的变换—如平移(移动原点),旋转,反射,拉伸,压缩,或者这些变换的组合;以及其它变换—可以通过它们在向量上的作用来显示。向量可以用从一点指向另一点的箭头来表示。