特征值

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图1

  • 【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图2为A的特征值,x为A对应于【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图3的特征向量
  • A的特征值是方程

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图4

  • 的根,此方程为A的特征方程
  • n次多项式,n阶方阵有n个多项式
  • 但是行列式转换成多项式方程繁琐
  • 存在定理

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  • 推论

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格尔什戈林圆盘

  • 格尔什戈林圆盘(Gerschgorin)定理

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  • 即对角线上的值为圆心
  • 每一行上除了对角线上的值以外的元素求和为半径
  • 例题

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乘幂法

  • 设矩阵A具有n个线性无关的特征向量,且对应的特征值可以依序排列如下:

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图10

  • 求按模最大的特征值和对应的特征向量
  • 设A对应于【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图11的特征向量为【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图12,由于它们线性无关,故可以构成n维线性空间的一组基底。因此,任一向量【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图13可以被这n个向量线性表出

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图14

  • 要求解的是按模最大的特征值【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图15和它对应的特征向量【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图16
  • 如果【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图17【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图18的良好近似,则相应于【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图19的系数【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图20的绝对值应该远远大于其他系数
  • 【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图21作用于【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图22,则可经迭代得到一个向量序列【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图23

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图24

  • 【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图25中所含的按模最大的特征值的那一项,将随m的增大而在右式中占优势,即为乘幂法依据的原理
  • 由于【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图26是严格占优的,所以当【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图27

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图28

  • 即得到定理

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  • 因此当m充分大时,将有

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图30

  • 即迭代向量【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图31【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图32的特征向量【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图33的近似向量(除一个因子外)
  • 对任意一个不与【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图34正交的向量【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图35

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图36

  • 当选择y是第i个分量为1,其余分量均为零的向量时,即【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图37,则式变为

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图38

  • 由此求得A的按模最大的特征值的近似值
  • 当m充分大时,用乘幂法进行计算,【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图39将变得很大(或变得很小),很容易发生机器上溢出(或机器下溢出)
  • 为此,可以将迭代产生的向量序列加以规范化来避免溢出
  • 具体做法是,对选取的初始向量【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图40,令

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图41

  • 其中,符号max(v)表示向量v的绝对值最大的分量
  • 因此则有

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图42

  • 【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图43

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图44

  • 因此规范化的向量序列收敛到【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图45经过规范化以后的向量

【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图46

  • 即规范化以后的向量序列,其绝对值最大的分量以【数值分析】矩阵特征值和特征向量计算 - 图47为极限