线代——基础解系 vs 特征向量

2023-10-29

基础解系

基础解系的概念是针对方程而言的;齐次线性方程组的解集的最大无关组称为齐次线性方程的基础解系;要求齐次线性方程组的通解,只需求出它的基础解系。
【例】
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特征向量

特征向量和特征值满足关系式 A α = λ α A\alpha =\lambda \alpha Aα=λα;特征向量是相对于矩阵(方阵)而言的,一个方程组可以提取它的系数产生出一个矩阵,于是求解特征向量与求解系数矩阵非常类似。

【2019年数二】已知A,B相似,求可逆矩阵P,使得 P − 1 A P = B P^{-1}AP=B P1AP=B
A = [ − 2 − 2 1 2 3 − 2 0 0 − 2 ] A=\begin{bmatrix} -2 & -2 & 1 \\ 2 & 3 & -2\\ 0 & 0 & -2 \end{bmatrix} A=220230122

B = [ 2 1 0 0 − 1 0 0 0 − 2 ] B=\begin{bmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & -2 \end{bmatrix} B=200110002

【分析】A,B相似,特征值相同,求得 λ 1 = − 2 \lambda _{1}=-2 λ1=2 λ 2 = − 1 \lambda _{2}=-1 λ2=1 λ 3 = 2 \lambda _{3}=2 λ3=2 ( 特 征 值 的 求 解 过 程 省 略 , 非 本 文 章 讲 解 的 重 点 ) {\color{Orange} (特征值的求解过程省略,非本文章讲解的重点) } ()
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注:其实这里只需求出基础解系就好,这个基础解系就是属于特征值 λ 1 = − 2 \lambda _{1}=-2 λ1=2的一个特征向量,顺带写出了特征值 λ 1 = − 2 \lambda _{1}=-2 λ1=2的全部特征向量,即 k 1 ξ 1 k_{1}\xi _{1} k1ξ1
另外,在化行最简的时候,书上面一般是从往左上角爬楼梯的行最简,有时候也可以化为往右上角爬楼梯的行最简(姑且称为「左撇子行最简」),同样也方便得到基础解系;

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注:在化行最简时,可以直接将一行写为0,因为我们是通过 ∣ λ E − A ∣ \left | \lambda E-A \right | λEA求得的 λ \lambda λ,再将 λ \lambda λ带入之后得到的矩阵必然是不可逆矩阵,里面的行线性相关,即就是对应的方程组中存在多余方程,因此选数字复杂的行直接写为0,可以简化计算过程,下同

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熟悉以上过程后,先将矩阵化为行最简,然后直接将行最简不是1的那一列对应的未知数令为1,得到其余的未知数的值,进而写出对应的基础解系;这也是多数题目的参考答案给出的简化后的写法,很多学生一开始看不懂。

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同理,分别计算矩阵B的特征值 λ 1 = − 2 \lambda _{1}=-2 λ1=2 λ 2 = − 1 \lambda _{2}=-1 λ2=1 λ 3 = 2 \lambda _{3}=2 λ3=2 对应的特征方程的基础解系:

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由于A、B相似,于是有:
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这里P可逆,为题目所求的可逆矩阵,且 P − 1 A P = B P^{-1}AP=B P1AP=B

传送门

求可逆矩阵可参考链接: 线代——求逆矩阵的快捷方法

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