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矩阵对角化

一、什么样的n阶矩阵才能对角化?​

先说结论

{a.特征值无重根✅b.有重根{b.1.厄米特矩阵(Hermitian),特别的对称实数矩阵✅b.2.非厄矩阵{b.2.1.几何重数=代数重数✅b.2.2.几何重数≠代数重数❌\left\{ \begin{aligned} a. & 特征值无重根 ✅\\ b. & 有重根 \left\{ \begin{aligned} b.1. & 厄米特矩阵(Hermitian),\\ &特别的对称实数矩阵 ✅ \\ b.2. & 非厄矩阵 \left\{ \begin{aligned} b.2.1. & 几何重数=代数重数 ✅ \\ b.2.2. & 几何重数 \neq 代数重数 ❌ \end{aligned} \right. \end{aligned} \right. \end{aligned} \right.

定理1:​

设 λ1,λ2,…,λm\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_m 是方阵 AA 的m个特征值, p1,p2,…,pmp_1,p_2,\dots,p_m 依次是与之对应的特征向量,如果 λ1,λ2,…,λm\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_m 各不相等,则 p1,p2,…,pmp_1,p_2,\dots,p_m 线性无关。

定理2:​

n阶矩阵 AA 与对角矩阵相似(即 AA 能对角化)的充分必要条件是 AA 有 nn 个线性无关的特征向量。

推论:​

如果n阶矩阵 AA 的 nn 个特征值互不相等,则 AA 与对角矩阵相似。

二、根据以上定理和推理特征值无重根的a和b.2.1情况一定可以对角化。​

三、有重根情况b.1情况​

3.1 厄米特矩阵​

厄米特矩阵是满足 AH=AA^H=A 的矩阵,即 AHA^H 是 AA 的共轭转置矩阵。

3.2 酉矩阵​

满足 AHA=IA^HA=I 的矩阵。酉矩阵,其列向量是规范正交的,其秩必为n。 A−1=AH A^{-1}=A^H n阶n维线性无关向量必可以通过施密特正交化得到标准正交基矩阵,即是酉矩阵。

3.3 舒尔化矩阵​

设n阶矩阵 AA 的特征值 λk\lambda_k 有 kk 重根,对应 mm 个特征值, p1,p2,…,pmp_1,p_2,\dots,p_m 依次是与之对应的特征向量,组成一组基,把 {p1,p2,…,pm}\{p_1,p_2,\dots,p_m\} 扩充至n个(n维的最大线性无关组是n个),并施密特正交化,得到 P=(p1,p2,…,pm,pm+1,…,pn)P=(p_1,p_2,\dots,p_m,p_{m+1},\dots,p_n) AP=(λkp1,λkp2,…,λkpm,Apm+1,Apm+2,…,Apn) AP=(\lambda_kp_1,\lambda_kp_2,\dots,\lambda_kp_m,Ap_{m+1},Ap_{m+2},\dots,Ap_n)

PHAP=(p1Hp2Hp3H⋮pmHpm+1H⋮pn)(λkp1,λkp2,…,λkpm,Apm+1,Apm+2,…,Apn)\begin{aligned} P^HAP= \begin{pmatrix} p_1^H \\ p_2^H\\ p_3^H\\ \vdots\\ p_m^H\\ p_{m+1}^H\\ \vdots\\ p_{n} \end{pmatrix}(\lambda_kp_1,\lambda_kp_2,\dots,\lambda_kp_m,Ap_{m+1},Ap_{m+2},\dots,Ap_n) \end{aligned}

若 A=(aij),pj=(qij)A=(a_{ij}), p_j=(q_{ij}) 因为 PHP^H 的正交性,所以,

PHAP=(λkp1HApm+1⋯p1HApnλkp2HApm+1⋯p2HApn⋱⋮⋮λkpmHApm+1⋯pmHApn00⋯0pm+1HApm+1⋯pm+1HApn⋮⋮⋮⋮⋮00⋯0pnHApm+1⋯pnHApn)\begin{aligned} P^HAP &=\begin{pmatrix} \lambda_{k}& & & & p^H_1Ap_{m+1}&\cdots&p^H_1Ap_{n} \\ & \lambda_{k} & & & p^H_2Ap_{m+1}&\cdots&p^H_2Ap_{n}\\ & & \ddots & & \vdots& &\vdots \\ & & & \lambda_{k} & p^H_mAp_{m+1}&\cdots&p^H_mAp_{n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & p^H_{m+1}Ap_{m+1}&\cdots&p^H_{m+1}Ap_{n} \\\vdots& \vdots& & \vdots& \vdots& &\vdots \\0&0& \cdots & 0&p^H_nAp_{m+1}&\cdots&p^H_nAp_{n}\\ \end{pmatrix} \end{aligned}

P为我们构造的酉矩阵,于是 ⇒\Rightarrow ,

P−1AP=PHAP=(λkp1HApm+1⋯p1HApnλkp2HApm+1⋯p2HApn⋱⋮⋮λkpmHApm+1⋯pmHApn00⋯0pm+1HApm+1⋯pm+1HApn⋮⋮⋮⋮⋮00⋯0pnHApm+1⋯pnHApn)=B\begin{equation} \begin{aligned} P^{-1}AP&=P^HAP &=\begin{pmatrix} \lambda_{k}& & & & p^H_1Ap_{m+1}&\cdots&p^H_1Ap_{n} \\ & \lambda_{k} & & & p^H_2Ap_{m+1}&\cdots&p^H_2Ap_{n}\\ & & \ddots & & \vdots& &\vdots \\ & & & \lambda_{k} & p^H_mAp_{m+1}&\cdots&p^H_mAp_{n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & p^H_{m+1}Ap_{m+1}&\cdots&p^H_{m+1}Ap_{n} \\\vdots& \vdots& & \vdots& \vdots& &\vdots \\0&0& \cdots & 0&p^H_nAp_{m+1}&\cdots&p^H_nAp_{n}\\ \end{pmatrix} \\ &=B \end{aligned} \end{equation}

为书写方便,将(1)式 BB 简写为块矩阵:

BB B=(λk∗⋯∗λk∗⋯∗⋱⋮⋮λk∗⋯∗00⋯0∗⋯∗⋮⋮⋮⋮⋮00⋯0∗⋯∗)=(λk⋱WλkOM)\begin{aligned} B & =\left(\begin{array} {cccc:ccc} \lambda_{k} & & & & * & \cdots & * \\ & \lambda_{k} & & & * & \cdots & * \\ & & \ddots & & \vdots & & \vdots \\ & & & \lambda_{k} & * & \cdots & * \\ \hdashline 0 & 0 & \cdots & 0 & * & \cdots & * \\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & * & \cdots & * \\ \end{array} \right)\\ & =\left(\begin{array} {ccc:c}\\ \lambda_{k} & \\ & \ddots & & W \\ & & \lambda_{k} & \\ \hdashline & O & & M \\ \end{array} \right)\\ \end{aligned}

其中 MM 矩阵可以重复上面的步骤,最终得到上三角矩阵。

AA 与 BB 相似,根据有关定理,它们具有相同的特征值。 ∣A−λE∣=∣B−λE∣|A-\lambda E|=|B-\lambda E|

∣B−λE∣=(λk−λ⋱Wλk−λOM−λE)=(λk−λ)mg(λ)\begin{aligned} |B-\lambda E| & =\left(\begin{array} {ccc:c} \lambda_{k}-\lambda & \\ & \ddots & & W \\ & & \lambda_{k}-\lambda & \\ \hdashline & O & & M-\lambda E \\ \end{array}\right)\\ & =(\lambda_{k}-\lambda)^mg(\lambda) \end{aligned}

又因为 λk\lambda_{k} 是 kk 重根,所以 ∣A−λE∣=(λk−λ)kf(λ)|A-\lambda E|=(\lambda_{k}-\lambda)^kf(\lambda) ,所以,几何重数 mm 必小于代数重数 kk , 即 m≤km\leq k 。

又因为 PP 为酉矩阵,所以

BH=(PHAP)H=(PH(AP))H=(AP)H(PH)H=(AP)HP=PHAHP\begin{aligned} B^H&=(P^HAP)^H \\ &=(P^H(AP))^H \\ &=(AP)^H(P^H)^H \\ &=(AP)^HP \\ &=P^HA^HP \\ \end{aligned}

如果 AA 为厄米特矩阵,则 BH=BB^H=B ,所以 BB 也为厄米特矩阵。所以 BB 必为对角矩阵。 所以,b.1情况一定可以对角化。

参考:

  1. 厄米特矩阵
  2. 舒尔定理
  3. 几何重数小于等于代数重数