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如何理解矩阵特征值和特征向量

如何理解矩阵特征值和特征向量

作者: 吃番茄的土拨鼠 | 来源:发表于2018-05-11 16:23 被阅读0次

关于特征值、特征向量可以讲的确实很多,我这里希望可以给大家建立一个直观的印象。 

先给一个简短的回答,如果把矩阵看作是运动,对于运动而言,最重要的当然就是运动的速度和方向,那么(我后面会说明一下限制条件): 

特征值就是运动的速度 

特征向量就是运动的方向 

既然运动最重要的两方面都被描述了,特征值、特征向量自然可以称为运动(即矩阵)的特征。 

注意,由于矩阵是数学概念,非常抽象,所以上面所谓的运动、运动的速度、运动的方向都是广义的,在现实不同的应用中有不同的指代。 

下面是详细的回答,我会先从几何上简单讲解下特征值、特征向量的定义指的是什么,然后再来解释为什么特征值、特征向量会是运动的速度和方向。 

1 几何意义

说明下,因为线性变换总是在各种基之间变来变去,所以我下面画图都会把作图所用的基和原点给画出来。 

在→i,→j下面有个→v: 

随便左乘一个矩阵A,图像看上去没有什么特殊的: 

我调整下→v的方向,图像看上去有点特殊了: 

可以观察到,调整后的→v和A→v在同一根直线上,只是A→v的长度相对→v的长度变长了。 

此时,我们就称→v是A的特征向量,而A→v的长度是→v的长度的λ倍,λ就是特征值。 

从而,特征值与特征向量的定义式就是这样的: 

其实之前的A不止一个特征向量,还有一个特征向量: 

容易从A→v相对于→v是变长了还是缩短看出,这两个特征向量对应的特征λ值,一个大于1,一个小于1。 

从特征向量和特征值的定义式还可以看出,特征向量所在直线上的向量都是特征向量: 

你可以自己动手试试,可以改变→v的位置,以及矩阵A的值(特征空间会随着矩阵改变而改变): 

Created with GeoGebra

其中有些值构成的矩阵没有画出特征空间,可能是因为它的特征值、特征向量是复数,也可能是不存在。 

下面就要说下,特征值、特征向量与运动的关系

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