給出兩個向量(3,-1)、(-1,3),如下圖:
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?
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
的特征值和特征向量。
解:A的特征多項式為
解得A的特征值為,。
對應地,求得基礎解系:
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:
設的解為,那麼
兩式代入振動方程,化簡得:
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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