矩阵的特征值可以通过以下步骤来求解:
构造特征方程
对于一个 \( n \times n \) 的矩阵 \( A \),其特征方程为 \( \det(A - \lambda I) = 0 \),其中 \( I \) 是 \( n \times n \) 的单位矩阵, \( \lambda \) 是特征值。
求解特征方程
解上述方程,得到的解即为矩阵 \( A \) 的特征值。这个方程是一个关于 \( \lambda \) 的 \( n \) 次方程,可以使用数值方法(如幂法、QR算法等)来求解。
计算特征向量
对于每一个特征值 \( \lambda_i \),将 \( \lambda_i \) 代入方程 \( (A - \lambda_i I) \mathbf{v} = 0 \),求解这个线性方程组,得到对应的非零解 \( \mathbf{v} \),即为属于特征值 \( \lambda_i \) 的特征向量。
示例
假设有一个 \( 2 \times 2 \) 的矩阵 \( A \):
\[ A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \]
构造特征方程
\[ \det(A - \lambda I) = \det \begin{pmatrix} 1 - \lambda & 2 \\ 3 & 4 - \lambda \end{pmatrix} = (1 - \lambda)(4 - \lambda) - (2 \cdot 3) = \lambda^2 - 5\lambda - 2 = 0 \]
求解特征方程
\[ \lambda^2 - 5\lambda - 2 = 0 \]
使用求根公式:
\[ \lambda = \frac{5 \pm \sqrt{25 + 8}}{2} = \frac{5 \pm \sqrt{33}}{2} \]
所以,特征值为 \( \lambda_1 = \frac{5 + \sqrt{33}}{2} \) 和 \( \lambda_2 = \frac{5 - \sqrt{33}}{2} \)。
计算特征向量
对于 \( \lambda_1 = \frac{5 + \sqrt{33}}{2} \):
\[ (A - \lambda_1 I) \mathbf{v} = \begin{pmatrix} 1 - \frac{5 + \sqrt{33}}{2} & 2 \\ 3 & 4 - \frac{5 + \sqrt{33}}{2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \]
解得 \( y = \frac{2}{5 + \sqrt{33}} x \),取 \( x = 1 \),则特征向量为 \( \mathbf{v}_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ \frac{2}{5 + \sqrt{33}} \end{pmatrix} \)。
对于 \( \lambda_2 = \frac{5 - \sqrt{33}}{2} \):
\[ (A - \lambda_2 I) \mathbf{v} = \begin{pmatrix} 1 - \frac{5 - \sqrt{33}}{2} & 2 \\ 3 & 4 - \frac{5 - \sqrt{33}}{2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \]
解得 \( y = \frac{2}{5 - \sqrt{33}} x \),取 \( x = 1 \),则特征向量为 \( \mathbf{v}_2 = \begin{pmatrix} 1 \\ \frac{2}{5 - \sqrt{33}} \end{pmatrix} \)。
总结
通过构造特征方程并求解,可以得到矩阵的所有特征值,然后通过代入原方程组求解对应的特征向量。对于大型矩阵,可能需要使用数值方法来高效地计算特征值和特征向量。