第五讲--相似矩阵和二次型-0823

第五章 相似矩阵及二次型本章主要内容是讨论方阵的特征值和特征向量；方阵的相似对角化；二次型的标准形及正定二次型.在讨论这些主要内容之前,先介绍与向量的正交性有关的一些知识.§1. 向量的内积、长度及正交性在三维向量空间3R 中，两个向量α=),,(321a a a 及β=),,(321b b b 的数量积（又称点乘积）为βα∙=θβαcos =332211b a b a b a ++其中θ为α与β的夹角，α与β是α与β的长度.数量积有以下不等式βαβα≤∙利用数量积可以表示向量的长度和夹角.α=232221a a a ++=)(αα∙， θcos =βαβα∙（设0,0≠≠βα） 0=∙⇔⊥βαβα以上这些在三维空间中已经成立的性质，可以推广到n 维向量空间nR 中去.关键是将三维空间中的数量积βα∙推广成n 维空间中的内积],[βα.定义1. 设有两个n 维向量α=),,,(21n a a a ，β=),,,(21n b b b定义α与β的内积为],[βα=n n b a b a b a ,2211 ++=T αβ=Tβα容易验证内积有以下性质（其中γβα,,为n 维向量，k 为数）： (i) ],[βα=],[αβ； (ii) ],[βαk =],[βαk ；(iii) ],[γβα+=],[],[γβγα+；(iv) 当0=α时，],[αα=0；当0≠α时，],[αα>0由(i)(ii)(iii)，可得],[βαk =],[βαk ，],[γβα+=],[],[γαβα+ 可以证明许瓦兹（Schwarz ）不等式（这里不证）：≤2],[βα),)(,(ββαα或),(),(|],[|ββααβα≤定义2. 设α=),,,(21n a a a ，定义α的长度（或称范数）为||||α=),(αα=22221,n a a a +++当长度||||α=1时，称α为单位向量.利用长度概念，许瓦兹不等式可以写成≤],[βα||||||||βα.向量的长度具有下列性质(βα,为向量，k 为数)：(1)非负性：0||||≥α，当且仅当α=0时，||||α=0； (2)齐次性：||||αk =k ||||α； (3)三角不等式≤+βα ||||α +β.[证] （1）（2）容易验证.下面证明（3）.2βα+=],[βαβα++=],][,[βαββαα++=],[],[],[],[ββαββααα+++ =22],[2ββαα++ 222)(2βαββαα+=++≤故有βαβα+≤+.（证毕）当0≠α，0≠β时，由许瓦兹不等式，有[]1,≤βαβα.因此，由下面的等式θcos =[]βαβα,可以定义两向量α与β的夹角θ.特别地，有θ=],[2βαπ⇔=0定义3. 若],[βα=0，则称向量α与β正交. 因为],0[α=0，所以零向量与任何向量α都正交.例1． 在5R 中，设α=(2,1,0,4,-2)，β=(3,4,2,-1,3)，则有],[βα=4132⨯+⨯20⨯+ 3)2()1(4⨯-+-⨯+=6+4+0-4-6=0.故α与β正交. 又有 2α=],[αα=4+1+0+16+4=25, 故α的长度为α=25=5.对任意0≠α，有11==αααα，故αα为单位向量. 定义4. 若向量组m a a a ,,,21 两两正交，则称其为正交向量组.若向量m a a a ,,,21 两两正交且都是单位向量时，则称其为规范正交组.显然有: m a a a ,,,21 为规范正交组⎩⎨⎧=≠=⇔j i ji j i ,1,0],[αα例2．在nR 中，以下n 个单位向量是规范正交组：)1,,0,0(,),0,,1,0(),0,,0,1(21 ===n εεε因为这个向量组又是nR 中的基，因此又称为nR 中的规范正交基.在3R 中，通常记i =(1,0,0),j =(0,1,0)，k =(0,0,1)，它们是三坐标轴上的单位向量，它们构成3R 中一个规范正交基.以下的向量组1α=(1,0,0)，2α=(0,21,21)，3α=(0,21,21-) 容易验证是规范正交组，也是3R 的规范正交基.定理1. 若m a a a ,,,21 是由非零向量组成的正交组，则它们必定线性无关. [证] 设数m k k k ,,,21 使m m a k a k a k +++ 2211=0，则有],[2211i m m a k a k a k α+++ =],0[i α=0，),,2,1(m i =.根据内积性质，有],[],[],[11i m m i i i i k k k αααααα++++ =0因为i j ≠时，],[i j αα=0，上式成为],[i i i k αα=0，因为0≠i α，所以 0],[>i i αα，故有0=i k (i =1,2,…,m ). 因此，m a a a ,,,21 线性无关.（证毕）由此可知，规范正交组必是线性无关组，但反之不成立. 有时需要由一个线性无关向量组m a a a ,,,21构造出一个与之等价的规范正交组m e e e ,,,21 .这个问题称为将向量组m a a a ,,,21 规范正交化.斯密特（Schimidt ）规范正交化的方法如下：取11αβ=，1111222],[],[ββββααβ-=，222231111333],[],[],[],[ββββαββββααβ--=，…………………………………………11111111],[],[],[],[-------=m m m m m m m m ββββαββββααβ容易验证m ββ,,1 两两正交，且与向量组m αα,,1 等价.再把它们单位化，即取mm m e e e ββββββ===,,,222111 . 则m e e e ,,,21 为规范正交组，并且与m a a a ,,,21 等价.例2． 在3R 中，设T T T )2,1,1(,)1,0,1(,)0,1,1(321===ααα.试用斯密特方法，将其规范正交化.[解] 取T)0,1,1(11==αβT T T )2,1,1(21)0,1,1(21)1,0,1(],[],[1111222-=-=-=ββββααβ，222231111333],[],[],[],[ββββαββββααβ=-==T T TT)1,1,1(32)2,1,1(32)0,1,1()2,1,1(-=--- 计算得21=β，6212=β，3323=β，将321,,βββ单位化， 得1e =11ββ=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡02121，2e =22ββ=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-626161，3e =33ββ=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-313131 321,,e e e 即为所求的规范正交组.定义5. 若n 阶实矩阵A 满足T A A =-1 （或E AA T =或E A A T =）则称A 为正交矩阵，简称正交阵.设A 的行向量组为n βββ,,,21 ，则A 为正交阵⇔E AA T =⇔],,,[2121Tn T T n ββββββ ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=E ⇔⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡T n n T n T n T nT T TnT T ββββββββββββββββββ 212221212111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡100010001⇔],[j i ββ=T i jββ=⎩⎨⎧=≠ji j i ,1,0，（n j i ,,2,1, =） ⇔A 的行向量组为规范正交组.由E A A T=，同理可证A 为正交阵⇔A 的列向量组为规范正交组.例4．设A =⎥⎦⎤⎢⎣⎡-θθθθcos sin sin cos ，B =⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-2102101021021，E =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100010001 容易验证E B A ,,都是正交矩阵.正交矩阵有下列性质：（1）若A 为正交矩阵，则A =1或－1.（2）若B A ,为正交阵，则AB 及1-A 也是正交阵. [证]（1）A 的正交阵，则E AA T=，两边取行列式，得T A A =E =1，即12=A ，故1=A 或－1（2）T AB AB ))((=))((T T A B AB =))((11--A B AB =11)(--A BB A =1-AEA =1-AA =E T A A ))((11--=11))((--T A A =1)(-A A T =1-E =E 故AB 及1-A 都是正交阵.（证毕）定义6. 设P 为n 阶正交矩阵，y x ,为n 维列向量，则Px y =称为正交变换 （3）若Px y =为正交变换，则x y = [证] 22)()(x x x Ex x Px P x Px Px y y yT T T T T T ======, 故有x y =.这个性质说明正交变换保持向量的长度不变.§2. 方阵的特征值和特征向量定义1. 设A 为n 阶矩阵，如果有数λ及n 维列向量0≠α，使得关系式λαα=A （1）成立，则称λ为A 为特征值，α称为A 的对应于特征值λ的特征向量. （1）式可写成0)(=-αλE A ，这表明齐次线性方程组0)(=-x E A λ （2）有非零解α=x ，方程组（2）是n 个方程n 个未知数的齐次线性方程组，它有非零解的充分必要条件是其系数行列式等于0，即0=-E A λ （3）设A =n n ij a ⨯)(，则（3）式成为λλλ---nn n n n n a a a a a a a a a212222111211=0(3)式是未知数为λ的一元n 次方程，称为方阵A 的特征方程，方程左边E A λ-是λ的n 次多项式，称为方阵A 的特征多项式.特征值λ是特征方程(3)的根，在复数范围内，n 次方程有n 个根（重根按重数计算）.因此，n 阶矩阵在复数范围内有n 个特征值.由以上讨论，得到求n 阶方阵A 的特征值和特征向量的方法如下：(i)解特征方程E A λ-=0，得到A 的n 个特征值n λλλ,,,21 (k 重根重复k 次). (ii)对每个特征值i λ，解齐次线性方程组0)(=-x E A i λ，其非零解就是相应于i λ的A 的特征向量.例1．求下列矩阵的特征值和特征向量（1）A =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--314020112，（2）B =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡300130213[解] （1）E A λ-=λλλ-----314020112 =λλλ-----3412)2(=)2)(2(2---λλλ=2)2)(1(-+-λλ=0，λ=－1，2（二重根）.矩阵A 的特征值为11-=λ，232==λλ.对于11-=λ，解方程组0))1((=--x E A ，即0)(=+x E A .E A +=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--000010101030010111414030111行行 )(E A R +=2，基础解系含3－2=1个向量，同解方程组为⎩⎨⎧==-00231x x x ，取131==x x ，得基础解系为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1011p故对应于11-=λ的全部特征向量为)0(1≠k kp对232==λλ，解方程组0)2(=-x E A ，E A 2-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--000000114114000114行)2(E A R -=1，基础解系含3－1=2个向量，同解方程组为04321=++-x x x取0,121==x x 及1,021==x x ，得到基础解系为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=4012p ，⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=1103p故相应于232==λλ的所有特征向量为3322p k p k +.（32,k k 不同时为0）（2）E B λ-=λλλ---30130213=0)3(2=-λ，3=λ（三重）.B 的特征值为3321===λλλ. 解方程组0)3(=-x E B .⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=-0001000100001002103行E B 2)3(=-E B R ,基础解系含3－2=1个向量，同解方程组为⎩⎨⎧==0032x x 基础解系为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=0011p故B 的所有特征向量为)0(1≠k kp由本例可见，对于矩阵A 的二重特征值232==λλ，相应地有两个线性无关的特征向量；对于矩阵B 的三重特征值3321===λλλ，相应地却只有一个线性无关的特征向量，即B 的线性无关的特征向量个数少于特征值的重数.例2．求矩阵A =⎥⎦⎤⎢⎣⎡-1111的特征值. [解] E A λ-=λλ---1111=0222=+-λλ，i ±=1λ.)1(-=i矩阵A 的特征值为复数i +=11λ，i -=12λ.（相应的特征向量也是复向量）. 可见实矩阵的特征值不一定是实数.矩阵的特征值有以下性质：（1）A 可逆⇔A 的全部特征值都不等于零. （2）若A 有特征值λ及相应的特征向量α，则(i) kA 有特征值kλ及相应的特征向量α（k 为正整数）；(ii) E a A a A a A a A m m m m ++++=--1110)( ϕ有特征值m m m m a a a a ++++=--λλλλϕ1110)( 及相应的特征向量α.（其中m a a a ,,,10 为数，E 为单位矩阵，可认为0A E =）(iii) 若A 可逆，则1-A 有特征值λλ11=-及相应的特征向量α.（3）设n 阶矩阵)(ij a A =的全部特征值为n λλλ,,,21 （k 重根重复k 次）则有n λλλ+++ 21=nn a a a +++ 2211n λλλ 21=A[证]（1）A 可逆0≠⇔A 即000⇔≠-E A 不是A 的特征值. （2）已知λαα=A ,故有(i)αλαλλααα22)()(====A A A A A αλαλαλαα32223)()(====A A A A A依此类推，可得αλαkkA =，故kA 有特征值kλ及相应的特征向量α.(ii) αϕ)(A =α)(1110E a A a A a A a m m m m ++++-- =ααααm m m m a A a A a A a ++++--1110=αλααλαλm m m m a a a a ++++--1110 =αλλλ)(1110m m m m a a a a ++++--=αλϕ)(，故)(A ϕ有特征值)(λϕ及相应的特征向量α.(iii)若A 可逆，由(1)，0≠λ，故α=αλA 1.于是)1(11αλαA A A --==αλA A 11-=αλ1.故1-A 有特征值11-=λλ及相应的特征向量α.（3）特征方程E A λ-=0所有根为n λλλ,,,21 ，根据多项式理论，特征多项式E A λ-可分解因子为)())((21n a λλλλλλ--- ，即λλλ---nn n n n n a a a a a a a a a212222111211=)())((21n a λλλλλλ---比较等式两边nλ的系数，得na )1(-=，比较两边1-n λ的系数，可得nn a a a +++ 2211=n λλλ+++ 21令0=λ，可得A =n λλλ,,,21 .（证毕）.注：当A 可逆时，由性质2(iii)可知，性质2(i)中的k 为负整数时也成立，性质2(ii)中某些项含有A 的负整数幂时也成立.例3．设3阶矩阵A 的特征值为1,－1,2.求行列式E A A 23-+*.[解] A 的全部特征值为1,－1,2，由性质(3),022)1(1≠-=⨯-⨯=A ，故A 可逆.112||--*-==A A A A ,记)(A ϕ=E A A E A A 232231-+-=-+-*, )(λϕ= 12--λλ3+2-.于是)(A ϕ有特征值:)1(ϕ=－1，)1(-ϕ=－3，)2(ϕ=3.由性质(3)，得E A A 23-+*=)(A ϕ=3)3()1(⨯-⨯-=9.例4．设方阵A 满足2A =A ，求A 的特征值.[解] 2A =A ，2A －A =0.设A 的特征值为λ，则2A －A 有特征值λλ-2，因为2A －A =0，而零方阵的特征值为0，故有λλ-2=0，求得λ=0或1.例5．设 A =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---1322123b a 已知A 有一个特征向量为T )3,2,1(-=ξ，求参数b a ,及ξ所对应的特征值.[解] 设ξ所对应的特征值为λ，则有0)(=-ξλE A ，即⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡------3211322123λλλba =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡000 , 或 ⎪⎩⎪⎨⎧=---=+++=---0332306240343λλλb a 解得6,2,4=-=-=b a λ.定理 设方阵A 有m 个互不相等的特征值m λλλ,,,21 ，则相应于这些特征值的特征向量m p p p ,,,21 必线性无关.[证] 根据已知条件有m m m p Ap p Ap p Ap λλλ===,,,222111 现设有数m x x x ,,,21 使得 02211=+++m m p x p x p x 依次用12,,,-m AA A 左乘上面等式两边,由于=i k p A )1,,1,,,1(-==m k m i p i k i λ，得 0222111=+++m m m p x p x p x λλλ0222221121=+++m m m p x p x p x λλλ……………………………………0122121111=+++---m m m m m m p x p x p x λλλ将上面m 个等式写成矩阵等式，得⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---1212222112112211111],,,[m m m m m m m m p x p x p x λλλλλλλλλ =[0,0, 0等式左边第二个矩阵的行列式是范德蒙行列式，因为m λλλ,,,21 互不相等，所以范德蒙行列式不等于零，该矩阵可逆，以其逆矩阵右乘等式两边，得],,,[2211m m p x p x p x =[0,0, 0即),,2,1(0m i p x i i ==，因为0≠i p ，故0=i x ),,2,1(m i = 所以m p p p ,,,21 线性无关. (证毕)若21,p p 是矩阵A 的相应于相同特征值0λ的特征向量,则21,p p 是齐次方程组x E A )(0λ-=0的解,故21p p +也是此方程组的解,因此,当21p p +≠0时, 21p p +也是A 的相应于特征值0λ的特征向量,但若21,p p 是矩阵A 的相应于不同特征值的特征向量,则21p p +就不再是A的特征向量.下面例6给出证明.例6．设A 有两个不相等的特征值21,λλ，相应的特征向量为21,p p ，试证21p p +不是A 的特征向量.[证] 已知111p Ap λ=，222p Ap λ=，21λλ≠.用反证法：设21p p +是A 的特征向量，相应的特征值为λ，则有)(21p p A +=)(21p p +λ又)(21p p A +=21Ap Ap +=2211p p λλ+，故得2211p p λλ+=)(21p p +λ，移项得0)()(2211=-+-p p λλλλ.根据定理，21,p p 线性无关，应有01=-λλ，02=-λλ，于是λλλ==21，与假设矛盾.故21p p +不是A 的特征向量.§3. 相似矩阵定义. 设B A ,为n 阶矩阵，若存在可逆矩阵P ，使B AP P =-1（1） 则称A 与B 相似，记作A ～B ，(1)式称为由A 到B 的相似变换，P 称为相似变换矩阵.若A 相似于对角矩阵，则称A 可对角化. 性质：(1)相似概念具有性质①反身：A ～A ；②对称：若A ～B ，则B ～A ；③传递：若A ～B ，B ～C ，则A ～C .(2)若A 与B 相似，则A 与B 有相同的特征多项式、特征值、秩及相等的行列式. (3)若B AP P =-1，则mmB P A P =-1.（m 为正整数） [证] (1) ①A AE E =-1；②若B AP P =-1，则A PBP=-1，即A BP P =---111)(.③若B AP P =-1，C BQ Q =-1，则C PQ A PQ =-)()(1.(2) 若B AP P =-1，则P E A P E AP P E B )(11λλλ-=-=---=P E A P λ--1=E A λ-故B 与A 有相同的特征多项式，因而有相同的特征值.又因为P 为可逆矩阵，由矩阵秩的性质可知B 与A 有相同的秩.又A P A P AP P B ===--11（3）若B AP P =-1，则mB =m AP P )(1-=)())((111AP P AP P AP P ---=AP PP PP A PP A P )()()(1111---- =P A P EAP AEAE P m11--= . (证毕)定理. n 阶方阵A 相似于对角矩阵的充分必要条件是A 具有n 个线性无关的特征向量.并且当AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ00000021 时，对角阵的对角元素n λλλ,,,21 就是A 的全部特征值，P 的列向量组n p p p ,,,21 就是与特征值n λλλ,,,21 相应的A 的线性无关特征向量.[证] 存在可逆阵P ，使AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⇔⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n n P AP λλλλλλ000000000002121，),,,(21np p p P =可逆.⇔),,,(21n p p p A =),,,(21n p p p ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ00000021，np p p ,,,21 线性无关⇔),,,(21n Ap Ap Ap =),,,(12111n p p p λλλ ，(n p p p ,,,21 线性无关) ⇔111p Ap λ=，222p Ap λ=，…，n n n p Ap λ=，(n p p p ,,,21 线性无关)⇔m λλλ,,,21 是A 的特征值，n p p p ,,,21 是与其相应的A 的n 个线性无关特征向量.（证毕）推论 若n 阶矩阵A 有n 个互不相等的特征值，则A 相似于对角阵.[证] 由§2的定理，A 的与n 个互不相等的特征值相对应的n 个特征向量线性无关.故A 相似于对角阵.（证毕）定理给出了一般n 阶矩阵A 可对角化的判别条件.要使A 有n 个线性无关的特征向量，关键是对于有重根的特征值，能求出与其重数相同个数的线性无关特征向量.即若特征值0λ是特征方程的k 重根，就要使)(0E A R λ-=k n -，这时方程组0)(0=-x E A λ的基础解系就含有k k n n =--)(个向量，因而得到与0λ相应的k 个线性无关的特征向量.若k n E A R ->-)(0λ，则相应于0λ的线性无关特征向量将小于k 个，A 就不可对角化.例如，§2例1的两个3阶矩阵，矩阵A 的二重特征值232==λλ，相应地有两个线性无关的特征向量，对单根11-=λ，求出1个特征向量，因为相应于不同特征值的特征向量线性无关，因此,A 有3个线性无关特征向量，故A 可对角化.对于矩阵B ，它的三重特征值3321===λλλ，只求出1个线性无关特征向量，故B 不可对角化.若A 可对角化，定理还给出求对角阵及相似变换矩阵P 的方法.即 （1）求出A 的全部特征值n λλλ,,,21 ，得到对角阵的主对角线上的元素. （2）求出A 的与n λλλ,,,21 相应的线性无关特征向量n p p p ,,,21 ，则P =[n p p p ,,,21 ]就是相似变换矩阵.并且有AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ0000021 应当注意：特征值在对角阵中排列的顺序与相应的特征向量在P 中的位置要相对应，即对角阵中第i 行i 列的特征值i λ，相应的特征向量i p 应位于P 中的第i 列.例1．设矩阵A =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----3241223k k （1）k 取何值时，A 可对角化？，k 取何值时，A 不可对角化？ （2）当A 可对角化时，求出相似变换矩阵P 和相应的对角矩阵. [解] 先求A 的特征值.E A λ-=λλλ-------3241223k k31c c +⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-------λλλλ12110221k =λλλ------32110221)1(k =)1(λ-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-----λλ10010221k =2)1)(1(λλ+-特征值为,11=λ132-==λλ.（1）相应于二重特征值1-=λ，要由方程组0)(=+x E A 求其相应的特征向量.因为E A +=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---00002242240224k k k k 行若0≠k ，则2)(=+E A R ，0)(=+x E A 的基础解系只含3－2=1个向量，因而A 不存在3个线性无关的特征向量，A 不可对角化.0=k 时，1)(=+E A R ，由0)(=+x E A 可求出两个线性无关的特征向量，因而A 有3个线性无关的特征向量，A 可对角化.（2）0=k 时，A =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---324010223已求出A 的特征值为,11=λ132-==λλ.要求的对角矩阵为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--100010001 11=λ时，解方程组0)(=-x E A ：E A -=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---000010101020020222424020222行行 同解方程组为⎩⎨⎧==-00231x x x ， 基础解系为 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1011P132-==λλ时，解方程组0)(=+x E A ：E A +=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--000000112224000224行同解方程组为02321=-+x x x ，取基础解系为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=2012p ，⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1103p相似变换矩阵为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡==121100011],,[321p p p P它使得AP P 1-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--100010001例2．设 A =⎥⎦⎤⎢⎣⎡3421 （1）求P ，使AP P 1-为对角矩阵.（2）求nA[解] （1）求A 的特征值及相应的线性无关特征向量.E A λ-=λλ--3421=)1)(5(542+-=--λλλλA 为二阶矩阵,有两个不同特征值1,521-==λλ，故A 可对角化.51=λ时，解方程组0)5(=-x E A ：E A 5-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-−→−⎥⎦⎤⎢⎣⎡--00122424行 同解方程组为0221=-x x ，取基础解系为T p )2,1(1=.12-=λ时，解方程组0)(=+x E A ：⎥⎦⎤⎢⎣⎡−→−⎥⎦⎤⎢⎣⎡=+00114422行E A同解方程组为021=+x x ，取基础解系为T p )1,1(2-=.取⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==1211],[21p p P ，则有AP P 1-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-1005（2）由(1)得 P A P n1-=n⎥⎦⎤⎢⎣⎡-1005=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-n n )1(005，=nA 1)1(005-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-P P n n ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=1211P ，1-P =⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----121131121131故得 =nA ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-1211⎥⎦⎤⎢⎣⎡-n n )1(005⎥⎦⎤⎢⎣⎡-121131=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⋅-+⋅-+-+++n n n n n n n n )1(52)1(252)1(5)1(253111§4. 实对称矩阵的对角化本节将证明实对称矩阵总是可以对角化的，且相似变换矩阵可取为正交矩阵. 定理1.实对称矩阵的特征值为实数. [证] 设A 为n 阶实对称矩阵，则A 的共轭矩阵A A =，A 的转置矩阵A A T =.设A 的复特征值为λ，相应的复特征向量为=α0),,(1≠T n a a .则有λαα=A对上面等式两边取共轭，并注意到A A =，得=A ，A α=λα，即A α=λα对上面最后等式两边取转置，注意到A A T=，得A (T )α=λ(T )α，T T A α=λT α, 即 λα=A TTα对上面最后等式两边右乘α，注意到λαα=A ，得ααλααT T A =，即ααλT =ααλT移项得0)(=-αλT因为0),,,(21≠=T n a a a α，故ααT=n n a a a a a a +++ 2211=022221≠+++n a a a于是0=-λλ，即λ=，故λ为实数.（证毕）定理2. 设21,λλ是实对称矩阵的两个特征值,21,p p 是相应的特征向量.若21λλ≠，则1p 与2p 正交.[证] 由题设有111p Ap λ=，222p Ap λ= 对第一等式两边转置，再右乘2p ，得21121)()(p p p Ap T T λ==211p p Tλ上式左端2121)(p A p p Ap T T T ==21Ap p T =221p p T λ=212p p Tλ于是得到211p p T λ=212p p T λ，移项得2121)(p p Tλλ-=0 因为021≠-λλ，故021=p p T，即内积[21,p p ]=0，故1p 与2p 正交.（证毕）定理3.设A 为实对称矩阵，如果0λ是特征方程0=-E A λ的k 重根，则相应于0λ的特征向量中恰有k 个是线性无关的.本定理不证.定理4. 设A 是n 阶实对称矩阵，则存在n 阶正交矩阵P ，使得AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ00000021 其中n λλλ,,,21 是A 的全部特征值（是实数）.=P [n p p p ,,,21 ]的列向量n p p p ,,,21 是相应的规范正交特征向量（也是实的）.[证] 设A 的全部特征值为n λλλ,,,21对于其中单重特征值,有1个特征向量,将其单位化.对于其中的k 重特征值,，由定理3,有k 个线性无关的特征向量，用斯密特方法将其规范正交化,就有k 个相互正交的单位特征向量，又由定理2，对应不同特征值的特征向量相互正交.因此，相应于特征值n λλλ,,,21 ，可以得到n 个规范正交的特征向量n p p p ,,,21 ，因为规范正交组是线性无关的，故A 有n 个线性无关的特征向量.由§3的定理,A 可对角化.令P =[n p p p ,,,21 ]则P 为正交矩阵，且有AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ00000021. （证毕） 由定理4的证明可知，将实对称矩阵A 对角化的步骤如下： （1）求出A 的全部特征值n λλλ,,,21 ，得到对角阵的对角线元素.（2）对于单重特征值，求出相应的1个线性无关特征向量，将其单位化.对于k 重特征值，求其k 个线性无关特征向量，再按斯密特方法，将其规范正交化，得到k 个相互正交的单位特征向量，最后得到n 个规范正交特征向量n p p p ,,,21 .（3）令=P [n p p p ,,,21 ]，它是正交矩阵，并且有AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ0000021 例1．设A =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----542452222求正交矩阵P ，使AP P 1-为对角阵.[解] A 为实对称矩阵，由定理4,所求的正交矩阵P 存在.E A λ-=λλλ-------54245222223r r +λλλλ------110452222=)1(λ-110452222----λλ=10492242)1(-----λλλ =)1(λ-λλ--9242=)10()1()1011)(1(22---=+--λλλλλA 的特征值为121==λλ，103=λ.对121==λλ，解方程组0)(=-x E A :=-E A 00000221442442221-−→−----行同解方程组为022321=-+x x x ，基础解系为T )0,1,2(1-=ξ， T )1,0,2(2=ξ按斯密特方法正交化，得T )0,1,2(11-==ξη T )5,4,2(5154],[],[121111222=+=-=ηξηηηηξξη.再单位化，得规范正交特征向量：T p )0,51,52(111-==ηη，Tp )455,454,452(222==ηη. 对103=λ，解方程组0)10(=-x E A ：=-E A 10⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡------−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-------−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡------99018180452542228452542452228行行 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−→−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--−→−000110102000110452行行 同解方程组为 ⎩⎨⎧=+=+0023231x x x x , 基础解系为T )2,2,1(3-=ξ，单位化得T p )32,32,31(3-=.令P =[321,,p p p ] = ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--32455032454513145252, 则P 为正交矩阵，使得 AP P 1-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡1000010001.例2．设三阶实对称矩阵A 的特征值为11-=λ，132==λλ，对应于1λ的将征向量为T )1,1,0(1=ξ，求A .[解] 设A 相应于特征值132==λλ的特征向量为T x x x x ),,(321=.因为A 是实对称矩阵，相应于不同特征值的特征向量互相正交，故x 与1ξ正交，有01=ξTx，即032=+x x 求得基础解系为T]0,0,1[2=ξ，T]1,1,0[3-=ξ，显见2ξ与3ξ已是互相正交，只要将其单位化，得 2p =2ξ=T )0,0,1(，Tp )21,21,0(333-==ξξ 再将1ξ单位化，得1p =T)21,21,0(11=ξξ.于是我们得到相应于特征值11-=λ，132==λλ的三个规范正交的特征向量1p ,2p ,3p .以它们为列向量，组成正交矩阵P .P =[1p ,2p ,3p ]=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-2102121021010，使得AP P 1-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-100010001，故有A =P ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-1000100011-P =P ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-100010001T P .（因为P 为正交阵，1-P =T P ） =⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-2102121021010⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-100010001⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-2121000121210=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--010100001 例3．设B A ,为n 阶实对称矩阵，证明A 与B 相似的充分必要条件为A 与B 有相同的特征值.并举例说明若B A ,不都是实对称矩阵，则充分性不成立.[证] 必要性已在证明相似矩阵的性质时证过.现证充分性.设A 与B 有相同的特征值n λλλ,,,21 ，因为B A ,为实对称矩阵，由定理4，存在正交矩阵Q P ,，使AP P 1-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ 00000021，=-BQ Q 1⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n λλλ00000021 由此得AP P 1-=BQ Q 1-，B =11--APQ QP =)()(111---PQ A PQ , 故A 与B 相似.（证毕）若B A ,不都是实对称矩阵，例如A =⎥⎦⎤⎢⎣⎡0000，B =⎥⎦⎤⎢⎣⎡0010,则B A ,有相同的特征值0,0,但A 与B 不相似.这是因为若相似则应有相同的秩，但0)(=A R ，1)(=B R ，)()(B R A R ≠，故A 与B 不相似..§5. 二次型及其标准形在解析几何中，为了研究二次曲线122=++cy bxy ax所属的类型，选择适当的坐标旋转变换⎩⎨⎧'+'='-'=θθθθcos sin sin cos y x y y x x , (*) 将在旧坐标),(y x 下的方程,化为新坐标),(y x ''下只含平方项的标准方程12221='+'y x λλ从代数上讲，这一问题就是对二次齐次多项式22cy bxy ax ++，选择适当的线性变换(*)，将其化为标准形2221y x '+'λλ的问题.本节将这一问题一般化，讨论将n 个变量的二次齐次多项式化为标准形问题，它在其它许多理论和实际问题中都有其重要应用。

再如，“|A|=0 ”⑵求法 数字矩阵计算特征多项式f a ) =|A -注I ［行列式］；求特征方程I A —几E | = 0的根几就是A 的特征值［代数方程］;第五讲相似矩阵与二次型矩阵特征值与特征向量问题是线性代数的主要研究对象之一,它综合了矩阵、方程组和向量组的众 多知识点，也是数学一必考大题出处。

本章分三部分：①特征值与特征向量；②相似矩阵与方阵对角化；③二次型正交相似化为标准形。

一、主要内容：［教材：P.139-161］ 1、特征值与特征向量及其求法 (1)概铝，为A 的特征值 /x(x H 0)U ［x 对应于特征值甘勺特征向量(i) 特征向量是非零列向量； (ii) n 阶方阵必有n 个特征值［计重数］; (iii) 对应于某一个特征值扎的特征向量有无穷多个， 但线性无关的特征向量只有 n — r(A —AE)个，且 1 <n — r(A —A E)<k ，其中 k 为特征值Z 的重数; (iv)灵活变换定义式：例如, Ax =)x(x H 0) T A(kx)=几(kx)(x H 0, k H 0), T A 2X = Fx(X H 0) T A -^1X (^0)［当 A 可逆时］， A 1 丄— 1 — —T (P’AP )(P x) = A (P x)(xH0) ［相似矩阵有相同特征值，但未必有相同的特征向量 ］。

又如，“方阵 A 的各行元素之和为常数 k ”可以转换为彳、1=k h■■ 丿 1丿A即“A 有特征值k , 相应的特征向量为□1 1 j ”。

表明“ 0是A 的特征值”。

等等。

对每个特征值入，求线性齐次方程组(A - A E)X = 0的基础解系就是对应与特征值A的线性无关特征向量，其非零线性组合就是对应与特征值A的全部特征向量［线性齐次方程组］。

抽象矩阵利用特征值、特征向量的定义和性质及相似矩阵性质。

2、相似矩阵与方阵对角化(1)概念方阵A与B相似［记为A三B ］ U 存在可逆阵P，使有B = P」AP，其中P称为化A为B的相似变换阵。