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對角化

大一 · 線性代數

觀念

3ᵏ001ᵏDᵏ =A = PDP⁻¹ ⇒ Aᵏ = PDᵏP⁻¹對角線各自 k 次方就好

若 n×nn\times n 矩陣 AA 有 nn 個線性獨立的特徵向量,把它們排成 PP、對應特徵值排成對角矩陣 DD,則 A=PDP−1A = PDP^{-1},這叫對角化 (diagonalization)。意義:換到特徵向量這組基底看,AA 只是各方向獨立伸縮。

最大好處是算冪:Ak=PDkP−1A^k = PD^kP^{-1},DkD^k 只需對角線各自 kk 次方。Fibonacci 數列的通項、Markov 鏈 nn 步後的分布、線性遞迴的封閉解全靠這招。

可對角化的條件:特徵值相異必可;有重根時要檢查特徵空間維度是否夠(幾何重數 = 代數重數)。[1101]\begin{bmatrix}1&1\\0&1\end{bmatrix} 特徵值 1 重根但只有一個獨立特徵向量,不可對角化(要用 Jordan 形);[0−110]\begin{bmatrix}0&-1\\1&0\end{bmatrix} 在實數裡沒有特徵值。對稱矩陣永遠可以正交對角化(譜定理)。

例題

利用對角化 (diagonalization) 計算 A4A^{4},A=[2−120−2]A = \begin{bmatrix} 2 & -12 \\ 0 & -2 \end{bmatrix}(填矩陣)。

看解法與答案

特徵值 2,−22, -2(和 =0=trA= 0 = \text{tr}A、積 =−4=det⁡A= -4 = \det A),對應特徵向量排成 P=[−1−30−1]P = \begin{bmatrix} -1 & -3 \\ 0 & -1 \end{bmatrix},則 A=PDP−1A = PDP^{-1},D=[200−2]D = \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 0 & -2 \end{bmatrix}。

A4=PD4P−1A^{4} = PD^{4}P^{-1}(中間的 P−1PP^{-1}P 都抵消),對角矩陣的次方只要各自次方:D4=[(2)400(−2)4]=[160016]D^{4} = \begin{bmatrix} (2)^{4} & 0 \\ 0 & (-2)^{4} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 16 & 0 \\ 0 & 16 \end{bmatrix}。

det⁡P=1\det P = 1,P−1=11[−130−1]=[−130−1]P^{-1} = \dfrac{1}{1}\begin{bmatrix} -1 & 3 \\ 0 & -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -1 & 3 \\ 0 & -1 \end{bmatrix}。

先乘 PD4=[−16−480−16]PD^{4} = \begin{bmatrix} -16 & -48 \\ 0 & -16 \end{bmatrix}(把 PP 的兩行各乘 1616、1616)。

再乘 P−1P^{-1}:A4=[−16−480−16][−130−1]=[160016]A^{4} = \begin{bmatrix} -16 & -48 \\ 0 & -16 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} -1 & 3 \\ 0 & -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 16 & 0 \\ 0 & 16 \end{bmatrix}。

答案: [160016]\left[\begin{matrix}16 & 0\\0 & 16\end{matrix}\right]

用在哪裡

插畫

對角化:情境插畫對角化:例題插畫

學習路徑

先學會

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