CBMS-2024B-08
题目来源:Question 8 日期:2024-08-04 题目主题:Math-线性代数-特征值与特征向量
解题思路
这道题目综合考察了特征值、特征向量、矩阵对角化和矩阵幂运算等线性代数的重要概念。解题的关键在于理解特征值和特征向量的性质,以及它们在矩阵运算中的应用。题目从简单到复杂,逐步深入,需要灵活运用所学知识。
- 第一问考察 的特征值和特征向量,需要理解矩阵幂运算对特征值和特征向量的影响。
- 第二问涉及矩阵对角化的条件和过程,需要理解特征向量矩阵的作用。
- 第三问要求具体计算一个给定矩阵的特征值和特征向量,这是基础但重要的技能。
- 第四和第五问结合了前面的知识,考察对特征值最大值的理解和矩阵变换的应用。
- 最后一问是对矩阵幂运算的综合应用,需要利用对角化简化计算。
Solution
1. Eigenvalues and eigenvectors of
Let’s consider the eigenvalue equation for :
If is an eigenvector of with eigenvalue , then:
Therefore, the eigenvalues of are , and the corresponding eigenvectors are the same as those of , namely .
2. Diagonalization of
Given that are mutually different, we know that the corresponding eigenvectors are linearly independent. Let .
Consider :
, where is the -th standard basis vector.
Therefore, , which is a diagonal matrix.
3. Eigenvalues and eigenvectors of
For matrix , we need to solve the characteristic equation:
The eigenvalues are (multiplicity 2) and .
For
gives
This yields the eigenvector:
For
gives
This yields the eigenvector:
4. Calculation of
The maximum eigenvalue of is . Given , we calculate:
5. Calculation of
We have , , and .
Now we calculate :
6. Calculation of using Jordan Canonical Form
From Question 5, we found that:
This matrix is exactly the Jordan canonical form that we derived earlier. This means that is equivalent to our matrix (up to a possible column permutation).
Therefore, we can rewrite our equation as:
To calculate , we use the formula for the power of a Jordan block:
We know and from Question 5:
Now, let’s calculate :
\begin{align*} \mathbf{B}^m &= \mathbf{Q}\mathbf{J}^m\mathbf{Q}^{-1} \$$2ex] &= \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ -2 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 3^m & m3^{m-1} & 0 \\ 0 & 3^m & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix} \end{align*}Multiplying these matrices, we get:
知识点
特征值特征向量Jordan标准型广义特征向量矩阵幂运算线性变换
难点思路
- 理解 的特征值和特征向量与 的关系。
- 矩阵对角化的条件和过程,特别是当特征值互不相同时的情况。
- 计算具有重根特征值的矩阵的特征向量。
- 识别何时需要使用 Jordan 标准型(特征向量不完整时)。
- 对于重根特征值,寻找广义特征向量。
- 构造 Jordan 矩阵和变换矩阵 P。
- 计算 Jordan 块的幂。
- 进行最终的矩阵乘法以获得 。
解题技巧和信息
- 特征值和特征向量的基本性质:如果 ,那么 。
- 矩阵对角化的步骤:找特征值,求特征向量,构造特征向量矩阵。
- 处理重根特征值时,始终检查是否有完整的线性无关特征向量集。
- 寻找特征值 的广义特征向量 时,解方程 ,其中 是 的特征向量。
- Jordan 标准型由 Jordan 块组成。对于具有特征值 的 2x2 Jordan 块,其 m 次幂为 。
- Jordan 标准型的变换矩阵 P 由特征向量和广义特征向量组成。
- 记住公式 ,其中 是 的 Jordan 标准型。
- 在处理重根特征值时,代数重数和几何重数的差异决定了 Jordan 块的结构。
重点词汇
- eigenvalue 特征值
- eigenvector 特征向量
- diagonalization 对角化
- characteristic equation 特征方程
- multiplicity 重数
- linear transformation 线性变换
- Jordan canonical form Jordan 标准型
- Generalized eigenvector 广义特征向量
- Jordan block Jordan 块
参考资料
- Gilbert Strang, “Linear Algebra and Its Applications”, 4th Edition, Chapter 6
- David C. Lay, “Linear Algebra and Its Applications”, 5th Edition, Chapter 5
- Sheldon Axler, “Linear Algebra Done Right”, 3rd Edition, Chapter 5
- Peter D. Lax, 《线性代数及其应用》, 高等教育出版社, 第 9 章(Jordan 标准型的高级主题)