Собственные числа матрицы как корни характеристического многочлена. Характеристический и минимальный многочлен

СОБСТВЕННЫЕ ВЕКТОРЫ И СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ОПЕРАТОРА

Пусть А – линейный оператор из . Число называется собственным значением оператора А, если существует ненулевой вектор такой, что А . При этом вектор называется собственным вектором оператора А, отвечающим собственному значению . Множество всех собственных значений линейного оператора А называется егоспектром .

Определителем линейного оператора А detА называется detА , где А – матрица линейного оператора А в любом базисе. Многочлен относительно l называется характеристическим многочленом оператора А. Он не зависит от выбора базиса.

Уравнение

называется характеристическим (или вековым ) уравнением оператора А.

Для того чтобы число l было собственным значением оператора А, необходимо и достаточно, чтобы это число было корнем характеристического уравнения (7.7) оператора А.

Для тождественного оператора все ненулевые векторы пространства являются собственными (с собственным значением, равным единице). Для нулевого оператора все ненулевые векторы пространства являются собственными (с собственным значением, равным нулю). Наиболее простой вид принимает матрица линейного оператора, имеющего n линейно независимых векторов.

Теорема 7.2 . Для того чтобы матрица А линейного оператора А в базисе была диагональной, необходимо и достаточно, чтобы базисные векторы были собственными векторами этого оператора.

Однако далеко не каждый линейный оператор в n -мерном векторном пространстве имеет n линейно независимых собственных векторов. Базис из собственных векторов принято называть «собственным базисом». Пусть собственные значения линейного оператора А различны. Тогда отвечающие им собственные векторы линейно независимы. Следовательно, «собственный базис» в этом случае существует.

Итак, если характеристический многочлен линейного оператора А имеет n различных корней, то в некотором базисе матрица А оператора А имеет диагональный вид.

При отыскании собственных векторов линейного преобразования следует иметь в виду, что они определяются с точностью до произвольного множителя, т.е. если некоторый вектор - собственный вектор, то и вектор - собственный. Таким образом, фактически определяется собственное направление или собственная прямая, остающаяся неизменной при данном линейном преобразовании.

Характеристический полином

определяется для произвольной квадратной матрицы как 1) , где –единичная матрица одинакового с порядка.

Пример. Для :

Теорема.

Образно говоря, коэффициент при получается суммированием всех миноров -го порядка матрицы , построенных на элементах ее главной диагонали.

Определение

Для данной матрицы , , где Е - единичная матрица , является многочленом от , который называется характеристическим многочленом матрицы A (иногда также "вековым уравнением" (secular equation)).

Ценность характеристического многочлена в том, что собственные значения матрицы являются его корнями. Действительно, если уравнение имеет не нулевое решение, то , значит матрица вырождена и ее определитель равен нулю.

Связанные определения

Свойства

.

Ссылки

• В. Ю. Киселёв, А. С. Пяртли, Т. Ф. Калугина Высшая математика. Линейная алгебра . - Ивановский государственный энергетический университет.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Характеристическая кривая задания
• Харальд III (король Норвегии)

Смотреть что такое "Характеристический многочлен матрицы" в других словарях:

Характеристический многочлен - В математике характеристический многочлен может означать: характеристический многочлен матрицы характеристический многочлен линейной рекуррентной последовательности характеристический многочлен обыкновенного дифференциального уравнения.… … Википедия

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЙ МНОГОЧЛЕН - матрицы над полем К многочлен над полем К Степень X. м. равна порядку квадратной матрицы А, коэффициент b1 равен следу матрицы.(b1 = tr A = a11+ а 22+ .. . +а пп), коэффициент b т равен сумме всех главных миноров т гопорядка, в частности bn=detA … Математическая энциклопедия

Минимальный многочлен матрицы - У этого термина существуют и другие значения, см. Минимальный многочлен. Минимальный многочлен матрицы аннулирующий унитарный многочлен минимальной степени. Свойства Минимальный многочлен делит характеристический многочлен матрицы… … Википедия

Лямбда-матрицы - Основная статья: Функции от матриц Лямбда матрица (λ матрица, матрица многочленов) квадратная матрица, элементами которой являются многочлены над некоторым числовым полем. Если имеется некоторый элемент матрицы, который является многочленом … Википедия

СПЕКТР МАТРИЦЫ - совокупность ее собственных значений. См. также Характеристический многочлен матрицы … Математическая энциклопедия

Характеристическое число матрицы - Красным цветом обозначен собственный вектор. Он, в отличие от синего, при деформации не изменил направление и длину, поэтому является собственным вектором, соответствующим собственному значению λ = 1. Любой вектор, параллельный красному вектору,… … Википедия

Подобные матрицы - Квадратные матрицы A и B одинакового порядка называются подобными, если существует невырожденная матрица P того же порядка, такая что: Подобные матрицы получаются при задании одного и того же линейного преобразования матрицей в разных… … Википедия

Характеристическая матрица

Характеристическое уравнение - Характеристический многочлен это многочлен, определяющий собственные значения матрицы. Другое значение: Характеристический многочлен линейной рекурренты это многочлен. Содержание 1 Определение … Википедия

Теорема Гамильтона - Теорема Гамильтона Кэли известная теорема из теории матриц, названная в честь Уильяма Гамильтона и Артура Кэли. Теорема Гамильтона Кэли Любая квадратная матрица удовлетворяет своему характеристическому уравнению. Если … Википедия

www.сайт позволяет найти . Сайт производит вычисление . За неколько секунд сервер выдаст правильное решение. Характеристическим уравнение для матрицы будет являться алгебраическое выражение, найденное по правилу вычисления определителя матрицы матрицы , при этом по главной диагонали будут стоять разницы значений диагональных элементов и переменной. При вычислении характеристического уравнения для матрицы онлайн , каждый элемент матрицы будет перемножаться с соответствующими другими элементами матрицы . Найти в режиме онлайн можно только для квадратной матрицы . Операция нахождения характеристического уравнения для матрицы онлайн сводится к вычислению алгебраической суммы произведения элементов матрицы как результат от нахождения определителя матрицы , только с целью определения характеристического уравнения для матрицы онлайн . Данная операция занимает особое место в теории матриц , позволяет найти собственные числа и векторы, используя корни . Задача по нахождению характеристического уравнения для матрицы онлайн заключается в перемножении элементов матрицы с последующим суммированием этих произведений по определенному правилу. www.сайт находит характеристическое уравнение для матрицы заданной размерности в режиме онлайн . Вычисление характеристического уравнения для матрицы онлайн при заданной её размерности - это нахождение многочлена с числовыми или символьными коэффициентами, найденного по правилу вычисления определителя матрицы - как сумма произведений соответствующих элементов матрицы , только с целью определения характеристического уравнения для матрицы онлайн . Нахождение полинома относительно переменной для квадратной матрицы , как определение характеристического уравнения для матрицы , распространено в теории матриц . Значение корней многочлена характеристического уравнения для матрицы онлайн используется для определения собственных векторов и собственных чисел для матрицы . При этом, если определитель матрицы будет равен нулю, то характеристическое уравнение матрицы все равно будет существовать, в отличии от обратной матрицы . Для того, чтобы вычислить характеристическое уравнение для матрицы или найти сразу для нескольких матриц характеристические уравнения , необходимо затратить не мало времени и усилий, в то время как наш сервер в считанные секунды найдет характеристическое уравнение для матрицы онлайн . При этом ответ по нахождению характеристического уравнения для матрицы онлайн будет правильным и с достаточной точностью, даже если числа при нахождении характеристического уравнения для матрицы онлайн будут иррациональными. На сайте www.сайт допускаются символьные записи в элементах матриц , то есть характеристическое уравнение для матрицы онлайн может быть представлено в общем символьном виде при вычислении характеристического уравнения матрицы онлайн . Полезно проверить ответ, полученный при решении задачи по нахождению характеристического уравнения для матрицы онлайн , используя сайт www.сайт . При совершении операции вычисления полинома - характеристического уравнения матрицы , необходимо быть внимательным и предельно сосредоточенным при решении данной задачи. В свою очередь наш сайт поможет Вам проверить своё решение на тему характеристическое уравнение матрицы онлайн . Если у Вас нет времени на долгие проверки решенных задач, то www.сайт безусловно будет являться удобным инструментом для проверки при нахождении и вычислении характеристического уравнения для матрицы онлайн .

Не всякий линейный оператор имеет по крайней мере один собственный вектор.

Примеры:

1. В качестве линейного пространства X возьмем множество всех многочленов степени меньшей или равной n. Оператор дифференцирования – оператор, действующий из X в X. если только это не константа, если, то. Этот оператор не имеет собственных векторов, отличных от многочленов нулевой степени.

2. Оператор А, действующий в пространстве V 2 – радиус-векторов и осуществляющий поворот на каждого из векторов на некоторый угол, отличный от p, против часовой стрелки не имеет собственных векторов.

Займемся исследованием вопроса о существовании собственных векторов оператора.

Прежде всего выведем уравнение, которому удовлетворяют все собственные значения l линейного оператора, .

Пусть l – собственное значение, соответствующее собственному вектору.

По определению, собственный вектор отличен от, тогда из равенства (1) следует, что оператор – вырожден. Т.о. собственные значения оператора А – это те и только те элементы l поля Р, для которых оператор – вырожден.

Пусть – какой-либо базис линейного пространства X. – матрица оператора в этом базисе. Оператор – вырожден тогда, и только тогда, когда вырожденной является матрица, т.е. тогда, когда (2).

В самом деле, известен следующий критерий невырожденности. Оператор А, действующий в некотором линейном пространстве, будет невырожденным, если определитель матрицы этого оператора отличен от 0.

Теорема 10: Числа l, удовлетворяющие уравнению (2), не зависят от выбора базиса в линейном пространстве X.

Доказательство: Пусть в X выбран еще один базис – и пусть –матрица линейного оператора в базисе f.

Пусть Q – матрица преобразования координат от базиса e к базису f.

Тогда, как известно, матрицы одного и того же оператора связаны соотношением: , Q – невырожденная матрица, тогда:

Т.о. числа l, удовлетворяющие уравнению (2), не зависят от выбора базиса в линейном пространстве X.

Рассмотрим оператор, и в X задан базис, в котором матрица оператора А выглядит следующим образом: .

является многочленом степени m относительно l, т.е. можно записать: .

Легко видеть, что наивысшая степень l достигается только при умножении элементов главной диагонали, откуда видно, что коэффициент при равен 1.

Определение: Функция (3) называется характеристическим многочленом оператора. Таким образом, с каждым линейным оператором А связывается характеристический многочлен. Верно и обратное, что всякий многочлен вида (3) является характеристическим многочленом некоторого оператора.

Рассмотрим – эта матрица определяет линейный оператор. Посчитаем.

Для того, чтобы элемент l поля Р был собственным значением оператора А, необходимо и достаточно, чтобы он был корнем характеристического многочлена, т.е. удовлетворял уравнению: (4). Уравнение (4) называется характеристическим уравнением. Не в любом поле Р любой многочлен с коэффициентами из Р имеет хотя бы 1 корень.

Пример: в поле R корней не имеет.

Определение: Поле Р называется алгебраически замкнутым, если всякий многочлен с коэффициентами из поля Р имеет хотя бы один корень, принадлежащий этому полю. Т.о., если линейный оператор действует в X над алгебраически замкнутым полем Р, то он имеет хотя бы один собственный вектор.

Пусть дана квадратная матрица порядка n . Характеристической матрицей матрицы A называют матрицу

= с переменной λ, принимающей любые числовые значения.

Определитель ׀https://pandia.ru/text/78/250/images/image004_113.gif" width="153" height="75 src="> матрицы является многочленом n -й степени от λ. Этот многочлен называют характеристическим многочленом матрицы А , уравнение =0 – её характеристическим уравнением, а его корни https://pandia.ru/text/78/250/images/image008_68.gif" width="15" height="17 src="> называется всякий ненулевой вектор Х , удовлетворяющий условию https://pandia.ru/text/78/250/images/image010_64.gif" width="19" height="24 src="> – число.

Число называется собственным значением преобразования https://pandia.ru/text/78/250/images/image011_63.gif" width="201" height="75">(*)

Если известно собственное значение λ , то все собственные векторы матрицы А , принадлежащие этому собственному значению, находятся как ненулевые решения этой системы. С другой стороны, эта однородная система с квадратной матрицей А–λЕ имеет ненулевые решения Х тогда и только тогда, когда определитель матрицы этой системы равен нулю и λ принадлежит рассматриваемому полю Р . Но это означает, что λ является корнем характеристического многочлена и принадлежит полю Р . Таким образом, характеристические числа матрицы, принадлежащие основному полю, и только они, являются её собственными значениями. Для отыскания всех собственных значений матрицы А нужно найти все её характеристические числа и из них выбрать лишь те, которые принадлежат основному полю Р , а для отыскания всех собственных векторов матрицы А нужно найти все ненулевые решения системы (*) при каждом собственном значении λ матрицы А .

Пример 1. Найти собственные значения и собственные векторы действительной матрицы .

Решение. Характеристический многочлен матрицы А имеет вид:

https://pandia.ru/text/78/250/images/image014_58.gif" width="144" height="75 src=">=(домножим (2)-й столбец на число (-2) и сложим с (1)-м столбцом) =https://pandia.ru/text/78/250/images/image016_45.gif" width="172" height="75">=(домножим (1)-й столбец на число (-1) и сложим с (3)-м столбцом) ==(домножим (1)-ю строку на число (2) и сложим со (2)-й строкой) ==(домножим (2)-й столбец на число (-2) и сложим с (3)-м столбцом) =
.

Таким образом, характеристический многочлен имеет корни λ1=6, λ2=λ3= – 3. Все они действительные и поэтому являются собственными значениями матрицы А .

При λ=6 система (А–λЕ)Х=0 имеет вид https://pandia.ru/text/78/250/images/image021_35.gif" width="57" height="75 src=">..gif" width="153" height="75 src=">.

Её общим решением является Х =https://pandia.ru/text/78/250/images/image025_28.gif" width="85" height="27 src=">, оно даёт общий вид собственных векторов матрицы А , принадлежащих собственному значению λ= – 3.