我们已经明确,对于一个特征向量 $v$,变换 $A$ 仅通过其对应的特征值 $\lambda$ 对其进行缩放。这种关系由方程 $Av = \lambda v$ 表述。虽然此方程完美描绘了特征值和特征向量的性质,但它并未直接指明如何针对给定矩阵 $A$ 来求取它们。为此,我们需要一种代数方法,该方法始于重新整理这个基本方程。我们的目标是求出使此方程对某个非零向量 $v$ 成立的 $\lambda$ 值(即特征值)。我们首先将所有项移至方程的一侧:$$Av - \lambda v = 0$$乍看之下,我们似乎可以将向量 $v$ 提取出来,但这里有一个小障碍。在项 $Av$ 中,$v$ 与矩阵 $A$ 相乘,而在 $\lambda v$ 中,它与标量 $\lambda$ 相乘。我们不能从矩阵中减去一个标量。为了解决这个问题,我们可以使用单位矩阵 $I$。回想一下,将任意向量 $v$ 乘以单位矩阵 $I$ 会使其保持不变,因此 $v = Iv$。我们可以将其代入我们的方程:$$Av - \lambda(Iv) = 0$$现在,两项都涉及矩阵与向量 $v$ 相乘,这使得我们能够将 $v$ 提取出来:$$(A - \lambda I)v = 0$$这个单一的方程提供了很多信息。它告诉我们,当我们将向量 $v$ 乘以矩阵 $(A - \lambda I)$ 时,结果是零向量。求取非平凡解方程 $(A - \lambda I)v = 0$ 的一个显而易见的解是 平凡解,即 $v$ 是零向量。然而,特征向量的定义要求它是一个非零向量。毕竟,零向量的方向未定义,所以其方向在变换下保持不变的说法并没有太大用处。这意味着我们正在寻找一个满足此方程的非零向量 $v$。形如 $Mx = 0$ 的线性方程组仅当矩阵 $M$ 奇异时才存在非零解 $x$。奇异矩阵是没有逆矩阵的矩阵。检查方阵是否奇异的一种便捷方法是计算其行列式。如果行列式为零,则该矩阵是奇异的。将此应用于我们的情况,要使方程 $(A - \lambda I)v = 0$ 存在非零解 $v$,矩阵 $(A - \lambda I)$ 必须是奇异的。这直接引出了我们所需的条件:$$\det(A - \lambda I) = 0$$此方程被称为矩阵 $A$ 的特征方程。digraph G { rankdir=TB; node [shape=box, style="rounded,filled", fillcolor="#a5d8ff", fontname="Arial"]; edge [fontname="Arial"]; A [label="开始:特征值方程\nAv = λv"]; B [label="重新整理方程\nAv - λIv = 0"]; C [label="提取向量 v\n(A - λI)v = 0"]; D [label="要点:我们需要非零解 v。\n这要求矩阵 (A - λI) 是奇异的。"]; E [label="特征方程\ndet(A - λI) = 0"]; F [label="求解 λ 以求取特征值。"]; A -> B [label="引入单位矩阵"]; B -> C [label="代数分解"]; C -> D [label="解的条件"]; D -> E [label="若矩阵的行列式为零,则其奇异。"]; E -> F [label="多项式的根即为特征值。"]; }从初始特征值定义推导特征方程的过程。示例:计算特征值我们来为一个简单的 2x2 矩阵求取特征值,以看特征方程如何运用。假设我们有矩阵 $A$:$$ A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \ 1 & 2 \end{pmatrix} $$步骤 1:构建矩阵 $(A - \lambda I)$首先,我们从 $A$ 中减去 $\lambda I$:$$ A - \lambda I = \begin{pmatrix} 2 & 1 \ 1 & 2 \end{pmatrix} - \lambda \begin{pmatrix} 1 & 0 \ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2-\lambda & 1 \ 1 & 2-\lambda \end{pmatrix} $$步骤 2:计算行列式并将其设为零接下来,我们求此新矩阵的行列式。对于一个 2x2 矩阵 $\begin{pmatrix} a & b \ c & d \end{pmatrix}$,其行列式为 $ad - bc$。$$ \det(A - \lambda I) = (2-\lambda)(2-\lambda) - (1)(1) = 0 $$步骤 3:求解特征方程以求取 $\lambda$展开此方程会得到一个关于 $\lambda$ 的多项式,此多项式被称为特征多项式。$$ (4 - 4\lambda + \lambda^2) - 1 = 0 $$$$ \lambda^2 - 4\lambda + 3 = 0 $$我们可以通过因式分解来求解这个二次方程:$$ (\lambda - 3)(\lambda - 1) = 0 $$这为我们提供了 $\lambda$ 的两个解。这些解即为矩阵 $A$ 的特征值:$$ \lambda_1 = 3, \quad \lambda_2 = 1 $$通过求解特征方程,我们成功求得了矩阵 $A$ 的特征值。这些是矩阵 $A$ 定义的线性变换的两个特殊缩放因子。下一步(我们将在稍后讲解)是将这些特征值中的每一个代回方程 $(A - \lambda I)v = 0$,以求取它们对应的特征向量。