Собственные числа и собственные векторы матрицы
Число называется собственным числом матрицы
,
если существует ненулевой вектор такой, что
.
При этом вектор называется собственным вектором матрицы
, соответствующим собственному числу
.
Характеристическим уравнением матрицы называется уравнение
. (10)
Корни этого уравнения являются собственными числами матрицы А.
Рассмотрим систему уравнений
,
в которой принимает одно из значений
. Определитель этой системы в силу (10) равен нулю. Следовательно, система определяет с точностью до постоянного множителя собственный вектор
, соответствующий данному собственному числу.
Задание 5. Найти собственные числа и собственные векторы матрицы
.
Решение. Составим характеристическое уравнение матрицы А.
,
или. Корни этого уравнения
являются собственными числами матрицы А.
Для отыскания собственных векторов матрицы А используем систему уравнений
(11)
полагая в ней поочередно .
1. Пусть . Тогда система (11) примет вид:
или
. (12)
Полученную систему решим методом Гаусса. Расширенная матрица системы (12) имеет вид:
.
Приведем матрицу к трапециевидному виду с помощью элементарных преобразований. Для этого умножим элементы первой строки матрицы
на (-3) и сложим с соответствующими элементами второй строки. Получим матрицу
,
которая является расширенной матрицей системы
.
Следовательно, , то есть система имеет бесчисленное множество решений, определяемых равенством
.
Таким образом, собственным вектором матрицы А, соответствующим собственному числу , является ненулевой вектор, определяемый совокупностью чисел
, где t - любое число, отличное от нуля.
2. Пусть . Тогда система (11) примет вид:
. (13)
Решим систему (13) методом Гаусса.
Расширенная матрица системы (13) имеет вид:
.
Приведем матрицу к трапециевидному виду с помощью элементарных преобразований. Для этого, сначала переставим первую строку матрицы
со второй строкой. Получим:
.
Теперь умножим элементы первой строки матрицына 2 и сложим с соответствующими элементами второй строки. Затем умножим элементы первой строки матрицы
на (-3) и сложим с соответствующими элементами третьей строки. В результате получим:
.
Далее, сложим элементы второй строки матрицы с соответствующими элементами третьей строки. Получим матрицу:
,
которая является расширенной матрицей системы
.
Следовательно, , то есть система имеет бесконечное множество решений, определяемых равенством
.
Таким образом, собственным вектором матрицы А, соответствующим собственному числу , является ненулевой вектор, определяемый совокупностью чисел
, где t - любое число, отличное от нуля.
3) Пусть. Тогда система (11) примет вид:
(14)
Решим систему (14) методом Гаусса. Расширенная матрица системы (14) имеет вид:
.
Приведем матрицу к трапециевидному виду с помощью элементарных преобразований. Сначала поменяем первую строку матрицы
со второй строкой. Получим:
.
Умножим теперь элементы первой строки матрицы на 5 и сложим с соответствующими элементами второй строки. Затем умножим элементы первой строки матрицы
на (-3) и сложим с соответствующими элементами третьей строки. В результате получим:
.
Далее, сложим элементы второй строки матрицы соответственно с элементами третьей строки. Тогда получим матрицу:
,
которая является расширенной матрицей системы
.
Следовательно, , то есть система имеет бесчисленное множество решений, определяемых равенством
.
Таким образом, собственным вектором матрицы А, соответствующим собственному числу , является ненулевой вектор, определяемый совокупностью чисел
, где t - любое число, отличное от нуля.
Глава 2. Элементы векторной алгебры и аналитической геометрии. Комплексные числа