【線性代數的本質】特征值/特征向量的幾何涵義


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一般,教材上的定義是:

Aλ=kλ

λ就是矩陣A的特征向量,k就對應特征向量的特征值。

空間變換的概念

我的理解就是:參考系發生變化導致空間發生了扭曲或者變形。

正常的參考系是由單位向量(1,0)和單位向量(0,1)組成的參考系,但是下面這個也可以是個參考系:

 

 

 就是說:

任何線性無關的2個向量都可以作為基向量,組成一個參考系,因為任何線性無關的2個向量(的線性組合)都可以表示出來平面上的所有向量。或者說,平面上的任一向量都可以由線性無關的2個向量線性表示。

 

 注:

1.矩陣的乘法就意味着:

在空間中做變換-旋轉、拉伸。

2.A矩陣作用於一個圖形,就意味着將此圖像在水平方向拉伸為原來的2倍,這個是拉伸變換。

 

 注:

1.λ和α給人的感覺就是他們反映了矩陣A的某些特征、特質。

2.α≠0,說明0向量不能當作特征向量。

 

3.矩陣A會把邊長為1的小正方形拉伸成一個長寬分別為2和3的矩形。

 

4.(1,1)這個向量在A矩陣的作用,變成了(2,3)這個向量。

這個變換使得原來的向量(1,1)的方向和大小都發生了改變

 

 

 

同樣的,向量(1,1/2)會變成(2,3/2).

5.思考:有沒有向量,它的方向沒有發生變化呢?顯然是有的,他們是:

 

 

 

所以,i是矩陣A的一個特征向量,2是對應的特征值。

j=(0,1)向量在A的作用下,方向也沒發生改變,所以它也是A的一個特征向量,3是對應的特征值。

 

 

 

6.除了i向量和j向量外,與i向量共線的向量都是A的特征向量,與j向量共線的向量也都是A的特征向量。

7.特征向量的定義:

某些向量在使用A矩陣進行空間變換前后,沒有改變方向的那些向量就是特征向量。A矩陣實際上建立了一個新的參考系。

8.特征向量和特征值的幾何含義

 

特征向量指明了方向不發生變化的那些向量的拉伸的方向,特征值表示了拉伸的倍數,這即是特征向量和特征值的幾何含義。

9.有些矩陣作用在向量上,讓向量逆時針旋轉90°。這樣的矩陣稱為是旋轉(變化)的矩陣。

 

 

10.復特征值和旋轉有什么關系呢?或者說為何會對應的呢?

 

 

 

 

橫軸和豎軸分別表示實部和虛部。

所以,復數往往和旋轉有關系。

 


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