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 матрицы
на 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