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線性代數秩與特征向量
線性代數秩與特征向量
更新时间:2025-07-12 11:36:06

給出兩個向量(3,-1)、(-1,3),如下圖:

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)1

現在,我們玩個小遊戲,按住向量(3,-1)的Y軸坐标不動,随意改變它的X軸坐标,相當于下圖中的箭頭在直線Y=-1上滑動;按住向量(-1,3)的X軸坐标不動,随意改變它的Y軸坐标,相當于下圖中的箭頭在直線X=-1上滑動。問,如果兩個箭頭滑動的正負方向和數量是相同的,有沒有可能兩條向量線段變為共線?

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)2

如上圖,滑動後的向量線段為(3-t,-1)、(-1,3-t)。要判斷兩者能不能共線,隻要使兩者的斜率相等,即(3-t)/-1=-1/(3-t),再看看t有沒有解就可以了。解得。

寫到這裡,我們可以引入特征值和特征向量的定義了。

設是階方陣,如果數和n維非零向量x使關系式成立,那麼,這樣的數稱為方陣的特征值,非零向量稱為對應于特征值的特征向量

式,也可以寫作。

可以看得出來,特征值就是上面提到的未知數。

同時,是包含兩種未知量(特征值和特征向量)的齊次線性方程組,但是,因為中非零向量,則有行列式。

這是一件很有趣的事情,齊次線性方程組中另外包含着一個一元多次方程,這就使得整體求解的過程變得簡單了。

例: 求矩陣

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)3

的特征值和特征向量。

解:A的特征多項式為

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)4

解得A的特征值為,。

對應地,求得基礎解系:

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)5

所以是對應于的全部特征向量;是對應于的全部特征向量。

結構抗震計算是特征值與特征向量的應用場景之一。

已知無阻尼多自由度振動方程:

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)6

設的解為,那麼

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)7

兩式代入振動方程,化簡得:

線性代數秩與特征向量(趣味線性代數八)8

這樣,求解振動方程就轉化為求特征值與特征向量了。

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