线性代数 听课笔记【下】

本文搬运自本人高中时期CSDN博客,若图片加载不出来,可到原文查看:https://blog.csdn.net/zhangtingxiqwq/article/details/135165435

矩阵“特征”相关的东西

矩阵特征向量和特征值

特征向量、特征值:成对出现,相对而言

非零向量 xx ,满足 Ax=λxAx=\lambda x , AA 为方阵(相当于是线性变换),λ\lambda

为数。则称 xx 为一个特征向量, λ\lambda 为一个特征值。

上面的等价条件: Ax=λIxAx=\lambda Ix ,即 Ax−λIx=0,(A−λI)x=0Ax-\lambda Ix=0,(A-\lambda I)x=0 。因为 xx 非0,所以 det⁡(A−λI)=0\det (A-\lambda I)=0

所以求特征值等价于求解 det⁡(A−λI)=0\det(A-\lambda I)=0 的解。

特征多项式

PA=det⁡(A−λI)P_A=\det(A-\lambda I) ,把 λ\lambda 看成一个变量。(关于 λ\lambda 的一个 nn 次多项式, nn 的方阵的行/列数)

举例:

在这里插入图片描述

性质:

  1. [λn]PA=(−1)n[\lambda^n]P_A=(-1)^n 。(因为每个 λ\lambda 都去到,所以只能取对角线了)

  2. [λn−1]PA=(−1)n−1Tr(A)[\lambda^{n-1}]P_A=(-1)^{n-1}Tr(A)

  3. [λ0]PA=det⁡A[\lambda^0]P_A=\det A

特征值:特征多项式的根。

若 FF 是一个代数闭域(即 ∀\forall 多项式 f(x)f(x) , ∃x∈F\exist x\in F 使 f(x)=0f(x)=0 ),则 PA=(λ1−λ)(λ2−λ)…(λn−λ)P_A=(\lambda_1-\lambda)(\lambda_2-\lambda)\dots(\lambda_n-\lambda) , xix_i 是 PAP_A 的根。

常见代数闭域:复数域。(实数域不是,有限域也不是)

λi\lambda_i 作为 PAP_A 的根的重数,就称作代数重数。(相对的,几何
重数有忘了)

特征值的性质: λ1,λ2,…,λn\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n

  1. 所有特征值的和为 ∑iλi=Tr(A)\sum_i\lambda_i=Tr(A)

  2. ∏iλi=det⁡A\prod_i\lambda_i=\det A

所以二阶方阵有和有乘积就可以求特征值。

举例:

在这里插入图片描述

求特征向量:解方程 (A−λI)xi=0(A-\lambda I)x_i=0

谱范数、谱分解

谱范数: ATAA^TA 的最大特征是的平方根( AA 的最大奇异)。即线性变换可能能变多大。(谱范数大就大,小就小)

谱分解、对角化:一些方阵有 nn 个线性无关的特征向量 v1,v2…vnv_1,v_2\dots v_n ,对应的特征值是 λ1,λ2,...,λn\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_n

首先有 Avi=λviAv_i=\lambda v_i ,写在一起记做 Q=(v1,v2…vn)Q=(v_1,v_2\dots v_n) :

在这里插入图片描述

记 Λ\Lambda 为:
在这里插入图片描述

有 AQ=QΛAQ=Q\Lambda ,所以 A=QΛQ−1A=Q\Lambda Q^{-1} ,这就叫对角化。

A=QΛQ−1=...=QΛkQ−1A=Q\Lambda Q^{-1}=...=Q\Lambda^kQ^{-1}

在这里插入图片描述

exp⁡(A)\exp(A) ,也可以用对角化很方便表示 。

能对角化的矩阵:

  1. 有 nn 个不同特征值的矩阵

  2. 实对称矩阵有 nn 个实特征值。(即特征值全是实数)

不能对角化的矩阵:

  1. 幂零矩阵。 A≠0A\neq 0 ,若 Ak=0A^k=0 ,则 AA 不能对角化
    经典例子(可能有点丑): 在这里插入图片描述

可以反证: Ak=QΛkQ−1A^k=Q\Lambda ^kQ^{-1} ,只能为 Λk=0\Lambda^k=0 ,即 A=0A=0

在这里插入图片描述

线性递推

斐波那契的通项公式

Fi+1=Fi+Fi−1F_{i+1}=F_i+F_{i-1} ,矩阵形式: 在这里插入图片描述

求 Fi+kF_{i+k} ,则为 在这里插入图片描述

首先可以求出特征多项式为:

在这里插入图片描述

所以对角矩阵为:

在这里插入图片描述

.

马尔科夫矩阵Markov矩阵

A1=1,A≥0A1=1,A\ge 0 (也就是随机矩阵)
在这里插入图片描述

性质:

  1. AA 有特征值 λ=1\lambda=1 。

  2. 事实上:

    1. AA 的所有(复)特征值的模长 ≤1\le 1 。(Gershgorin circle theorem)

    2. 若 AA 表示的图强连通。则 AA 的 1-特征空间 维度为1(注: AA 的 λ−\lambda- 特征空间为满足 (A−Iλ)x=0(A-I\lambda)x=0 所有维度为1的 xx )

    3. 若 AA 表示的图强连通。则 AA 的 1-左特征空间 有只含正元素的向量。(本质为存在一个概率分布,最后有能够回来)(还有个叫 Perron-Fnbenious theorem)
      在这里插入图片描述

      1. 若 AA 还非周期, ∃p,Ap\exists p, A^p 只含正元素。
        更厉害的结论: ∀x≥0\forall x\ge 0 且 ∑xi=1\sum x_i=1 ,则 lim⁡x→+∞xTAn=rT\lim_{x\to+\infty}x^TA^n=r^T ( rTr^T 为确定)

初始 x∈(0,1)x\in(0,1) ,目标赚到1。每次可以下注, pp 概率赢 2y2y ( yy 为下注), 1−p1-p 失去 yy ,最优策略下赢的概率(取模)。
加强:每次下注比上次下注要下得更多