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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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

  1. 理解 的特征值和特征向量与 的关系。
  2. 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。
  3. 计算具有重根特征值的矩阵的特征向量。
  4. 识别何时需要使用 Jordan 标准型(特征向量不完整时)。
  5. 对于重根特征值,寻找广义特征向量。
  6. 构造 Jordan 矩阵和变换矩阵 P。
  7. 计算 Jordan 块的幂。
  8. 进行最终的矩阵乘法以获得

解题技巧和信息

  1. 特征值和特征向量的基本性质:如果 ,那么
  2. 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。
  3. 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。
  4. 寻找特征值 的广义特征向量 时,解方程 ,其中 的特征向量。
  5. 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
  6. Jordan 标准型的变换矩阵 P 由特征向量和广义特征向量组成。
  7. 记住公式 ,其中 的 Jordan 标准型。
  8. 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

  1. Gilbert Strang, “Linear Algebra and Its Applications”, 4th Edition, Chapter 6
  2. David C. Lay, “Linear Algebra and Its Applications”, 5th Edition, Chapter 5
  3. Sheldon Axler, “Linear Algebra Done Right”, 3rd Edition, Chapter 5
  4. 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)