• 线性代数笔记:三阶矩阵的特征值计算


    三阶矩阵的特征值计算

    01 计算理论基础

    (1) 行列式方程
    • 设矩阵 A = [ a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ] \displaystyle{ {A}=\left[a11a12a13a21a22a23a31a32a33
      \right] }
      A= a11a21a31a12a22a32a13a23a33
      ,且 λ 1   ,   λ 2   ,   λ 3 \lambda_1\ ,\ \lambda_2\ ,\ \lambda_3 λ1 , λ2 , λ3 分别为矩阵 A A A 的特征值,
    • 那么特征多项式为: ∣ λ E − A ∣ = ( λ − λ 1 ) ( λ − λ 2 ) ( λ − λ 3 ) = 0 |\lambda E-A|=(\lambda-\lambda_1)(\lambda-\lambda_2)(\lambda-\lambda_3)=0 λEA=(λλ1)(λλ2)(λλ3)=0 .
    • 也可以写作: ∣ λ E − A ∣ = ∣ λ − a 11 − a 12 − a 13 − a 21 λ − a 22 − a 23 − a 31 − a 32 λ − a 33 ∣ = 0 \displaystyle{ |\lambda {E}-{A}|=\left|λa11a12a13a21λa22a23a31a32λa33
      \right|=0 }
      λEA= λa11a21a31a12λa22a32a13a23λa33 =0
      .
    (2) 成比例型
    • 满足条件 ∣ A ∣ = 0 |A|=0 A=0 的三阶行列式大概率是成比例的行列式;
    • 于是当行列式中存在参数时,不妨假设行列式的某两行成比例,若有解,则假设成立
    (3) 暴力硬解
    • 基本方程

      • ∣ λ E − A ∣ = ( λ − λ 1 ) ( λ − λ 2 ) ( λ − λ 3 ) \displaystyle{ |\lambda E-A|=(\lambda-\lambda_1)(\lambda-\lambda_2)(\lambda-\lambda_3) } λEA=(λλ1)(λλ2)(λλ3) .
      • ∣ λ E − A ∣ = λ 3 − t r ( A ) ⋅ λ 2 + t r ( A ∗ ) ⋅ λ − ∣ A ∣ \displaystyle{ |\lambda E-A|=\lambda^3-\mathrm{tr(A)}\cdot\lambda^2+\mathrm{tr(A^*)}\cdot\lambda-\mathrm{|A|} } λEA=λ3tr(A)λ2+tr(A)λ∣A∣ .
    • 关键等式(利用行列式和特征值的关系

      • 特征值之和 = 行列式的迹( λ 1 + λ 2 + λ 3 = a 11 + a 22 + a 33 \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=a_{11}+a_{22}+a_{33} λ1+λ2+λ3=a11+a22+a33
      • 特征值之积 = 行列式的值( λ 1 ⋅ λ 2 ⋅ λ 3 = ∣ A ∣ \lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3=|A| λ1λ2λ3=A
      • 特征值两两相积之和 = 伴随行列式的迹( λ 1 λ 2 + λ 1 λ 3 + λ 2 λ 3 = A 11 + A 22 + A 33 \lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3=A_{11}+A_{22}+A_{33} λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=A11+A22+A33

    02 解题步骤

    (1) 判断是否成比例
    • 如果行列式成比例,按成比例解出 λ \lambda λ 的一个根;
    • 然后将这行凑出来,系数提出去,行列式降次为二次方程。
    (2) 关键等式
    • λ 1 + λ 2 + λ 3 = a 11 + a 22 + a 33 \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=a_{11}+a_{22}+a_{33} λ1+λ2+λ3=a11+a22+a33 .

    • λ 1 ⋅ λ 2 ⋅ λ 3 = ∣ A ∣ \lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3=|A| λ1λ2λ3=A .

    • λ 1 λ 2 + λ 1 λ 3 + λ 2 λ 3 = A 11 + A 22 + A 33 \lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3=A_{11}+A_{22}+A_{33} λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=A11+A22+A33 .

    三、例题解析

    • 求矩阵 A = [ 2 − 2 0 − 2 1 − 2 0 − 2 0 ] \displaystyle{ {A}=\left[220212020
      \right] }
      A= 220212020
      的特征多项式.
    • 计算可得 ∣ A ∣ = − 8 |A|=-8 A=8 tr ⁡ ( A ) = 2 + 1 + 0 = 3 \operatorname{tr}(A)=2+1+0=3 tr(A)=2+1+0=3 tr ⁡ ( A ∗ ) = − 2 − 4 + 0 = − 6 \operatorname{tr}(A^*)=-2-4+0=-6 tr(A)=24+0=6 .
    • 则有: λ 1 + λ 2 + λ 3 = 3   ,   λ 1 λ 2 λ 3 = − 8   ,   λ 1 λ 2 + λ 1 λ 3 + λ 2 λ 3 = − 6 \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=3\ , \ \lambda_1\lambda_2\lambda_3=-8\ , \ \lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3=-6 λ1+λ2+λ3=3 , λ1λ2λ3=8 , λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3=6 .
    • 猜根: λ 1 = − 2   ,   λ 1 = 4   ,   λ 1 = 1 \lambda_1=-2\ ,\ \lambda_1=4\ ,\ \lambda_1=1 λ1=2 , λ1=4 , λ1=1 .
    • 验证:代入特征多项式方程进行验证
    • 因此特征多项式为: ∣ λ E − A ∣ = λ 3 − 3 λ 2 − 6 λ + 8 |\lambda {E}-{A}|=\lambda^3-3 \lambda^2-6 \lambda+8 λEA=λ33λ26λ+8 .
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/Ding_Yifan/article/details/133413812