特征向量是线性代数中的一个重要概念,它表示在某个线性变换下只发生伸缩而不改变方向的向量。以下是求特征向量的步骤和例题:
步骤:
确定矩阵 :首先确定你要计算特征向量的矩阵 \( A \)。求特征值:
计算矩阵 \( A \) 的特征值,这可以通过解方程 \( \det(A - \lambda I) = 0 \) 来实现,其中 \( I \) 是单位矩阵,\( \det \) 表示行列式。
求特征向量:
对于每个特征值 \( \lambda \),解方程组 \( (A - \lambda I) \mathbf{x} = 0 \) 来找到对应的特征向量 \( \mathbf{x} \)。
单位化:
如果特征向量不是单位向量,则将其归一化,使其成为单位向量。
例题:
假设有一个 \( 2 \times 2 \) 的矩阵 \( A \):
\[ A = \begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix} \]
要求出矩阵 \( A \) 的特征向量。
求特征值
计算特征多项式 \( \det(A - \lambda I) = 0 \):
\[ \det \left( \begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix} - \lambda \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \right) = \det \begin{bmatrix} 3-\lambda & 1 \\ 1 & 2-\lambda \end{bmatrix} = (3-\lambda)(2-\lambda) - 1 \times 1 = \lambda^2 - 5\lambda + 5 \]
解方程 \( \lambda^2 - 5\lambda + 5 = 0 \) 得到特征值。
求特征向量
对于每个特征值 \( \lambda \),解方程组 \( (A - \lambda I) \mathbf{x} = 0 \)。
假设特征值为 \( \lambda_1 \) 和 \( \lambda_2 \),对应的特征向量分别为 \( \mathbf{x}_1 \) 和 \( \mathbf{x}_2 \)。
例如,如果特征值之一为 \( \lambda_1 = 4 \),则解方程组:
\[ \begin{bmatrix} 3-4 & 1 \\ 1 & 2-4 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -1 & 1 \\ 1 & -2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \]
解得特征向量 \( \mathbf{x}_1 = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix} \)。
单位化
如果特征向量不是单位向量,则进行归一化处理。
例如,如果特征向量 \( \mathbf{x}_1 \) 不是单位向量,则可以通过除以其模长来单位化:
\[ \mathbf{u}_1 = \frac{\mathbf{x}_1}{\|\mathbf{x}_1\|} \]
其中 \( \|\mathbf{x}_1\| \) 是向量 \( \mathbf{x}_1 \) 的模长。
通过以上步骤,你可以求出给定矩阵的特征向量。