浅谈对特征值特征向量的认识课件.ppt

1、福建工程学院数理系 项景华主要内容结构图引言特征值特征向量的概念特征值特征向量的应用线性变换与函数特征值特征向量的直观意义马尔科夫过程中的应用在其他问题中的应用概述在横梁临界力的计算中的应用引言：引言：线性代数这门课程是大部分在校大学生的一门公共基础课程，然而很多学生认真学完这门课程之后，对该课程的一些重要的概念的认识大多停留在运算规则（教材上的定义）的层面上，如矩阵的乘法，行列式，方程组的解，线性相关性，矩阵的秩，特征值特征向量等概念。这种对概念较为单薄的理解（甚至没有实质的理解）阻碍了对整门课程的更深入理解以及学习的兴趣;当学生们自我感觉这门课程学得很好（只是计算和考试很好）的时候，却丝毫

2、未觉察到线性代数强大的工具性性能和深刻的思想光芒。注1：本文只作教学体会的交流之用，所涉及的内容无个人创新性。n至于是否存在上述问题（有待调查研究）以及问题的根源不是本文要讨论的内容。n本文的目的有二：一是对该课程中的特征值和特征向量的概念的描述说说个人的体会；二是谈谈他们的几个简单的应用。1、特征值特征向量的概念n1.1 映射.函数.线性变换n一元函数n二元函数n设A是mn型矩阵，是n维列向量n可见矩阵A和函数f一样也是一种映射，只是更一般空间之间的映射，经常称之为线性变换/线性映射/线性算子等。RRfyxf:,)(RRfzyxf2:,),(mnRRAyAx:,xA(.)n矩阵A和函数f都可

3、以看成是空间中元素的变换器：n x 输入 输出 yn而变换特征无非是反映在如何改变向量的方向和大小（模长），其完全由变换器（矩阵）A的结构决定。yxyxyxA2yx2yx2x1002A),(yx02020 xxxAyyA010n例1 在平面直角坐标系下，将平面上点作如下变换A:将每一点的横坐标放大一倍，纵坐标不变。n(2)对平面的向量 依次作n次变换A,向量的变换特点是什么？n(3)是否有这样的向量，被A作用之后得到的新的向量的方向与原向量同向？若有，其大小有何变化？n(1)1.2特征值特征向量的意义n当变换矩阵 作用在某非零向量 之后所得到的新的向量与原向量 同方向，大小缩放为原向量的 倍，

4、即n则此向量 为A的特征向量，此向量的缩放倍数 为A在此向量方向上的特征值。xAAxx，xxn一、特征值为非负实数xxxxAx Axxx)()(kxkxA)0(kkx 上述特征向量 是变换A作用下保持方向不变性的向量，特征值 为变换A下的向量 的缩放倍数。n注2：n注1：n当特征值为1时有：该特征向量 可以理解为变换A下的不动点。与特征向量 共线的所有非零向量 都是A的特征向量，且对应同一个特征值 ，即二、特征值特征向量的定义n常规定义：A是一n阶方阵，若存在一非零向量 及一数 ，使 ，则称 为A的特征值，为对应 的特征值。n 输入 输出n变换矩阵A作用于某方向的向量 ，所得向量与原向量 共线

5、（线性相关），此方向即为特征向量的方向。xxxAxxxA(.)xx三、举例n例2.将平面直角坐标系上的任一向量 绕原点O逆时针旋转 度，此旋转变换对应的变换矩阵OP kcossinsincosA0OPOPXnYn问：此平面上哪个方向上的向量为此变换的特征向量？n结论：在实数域内无特征向量n例3.现将一圆盘状生面饼（有弹性）沿某方向放大(拉伸)2倍，使其变为椭圆状面饼，（如右图）22221yxn问：1）此变换的特征向量是在哪些方向上？对应特征值分别是多少？2）此变换对应的变换矩阵A=?214112A2222222A12),2(),(),(212121AAA12121),)(,2(An例5.特征值

6、特征向量在二次曲线中的几何意义二次曲线的几何特性？所对应的问题：如何得到方程1845222121xxxx1,18225)(2121Axxxxxx即方程的矩阵表达式为：5152,5251;4,92121eeA的特征为：设:,212121可得或即作旋转变换：PyxxPyxxeeyy1121yyAPyPyxAPPPPxAxx140091yyAxx即14191149184522212221222121yyyyxxxx11x1x2y1y2所在的直线和的直线即为特征向量轴的所在）椭圆的长半轴和短半。和分别为轴的长）椭圆的长半轴和短半21213112ee可知此二次曲线为椭圆由两个特征值都大于结论：0)1n其

7、他例子：n1.“地球自转一个小时（不考虑公转）”，此变换的特征向量及特征值。n2.“把门推开”这一变换的特征向量和特征值。n思考：假设社会财富在某一阶段内在不同阶层中的分配的变化看成是一线性变换。若社会财富的初始状态是“两头小中间大”（穷人，中产者，富人）健康稳定型的占有状态，并假设变换的特征向量所在的方向分别代表穷人，中产者，富人所在的方向。n2.一个阶段之后，由于分配出现问题，中产阶层消失了，此变换B的特征值如何？n现考虑如下变换的特征值：n3.中产者消失之后，又经历一个阶段的劫贫济富的分配政策，贫富分化进一步扩大，此阶段的变换矩阵C的特征值如何？n1.由于社会实行理想的分配制度，社会财富

8、按原财富占有比例在各个阶层中分配，此变换A的特征值结构 如何？n2.特征值特征向量的应用n2.1应用（一）（为方便，只考虑二维的情形）则一点，不妨设为二维向量空间中任量，设为其实特征值和特征向可对角化，若二阶变换矩阵基本原理：,),(),(2122112211RkkkkA222111)1kkA222111)2nnnkkA11k22k111k222kA作用下的变化趋势时，空间中的向量在当A|21n例 1 在Markov过程中的应用n在某城镇里，若每年有30%已婚妇女离婚，20%的单身女士结婚，假定该镇总体女士人口数保持不变，现假设有8000已婚女士，2000单身女士，试求：nn年后此两类女性人数

9、各为多少?8.03.02.07.0A变换矩阵11214000321200001Axx11322112121，特征向量，的特征值为A212000400031ox 012212000400031nnnnxA x n例2 斐波那契数列的求解,5,3,2,1,1,0432101aaaaaa设nkkkaaaa求即212112110111nnnnnnnaaaaaaa解：01101110111,FFFaaFnnnnnn则令525125111nnna可求得用与上例同一的方法，01110AFAFnn其中即n2.2 应用（二）考虑 横梁弯曲的问题将一横梁左端固定在O点，对其右端点施加一向左的水平压力P，当压力增加

10、到一定程度，横梁遍会出现弯曲，当压力达到一新临界点，横梁进一步弯曲，依次类推，设横梁长度为L，并设其沿X轴放置，左端点为原点 ，令 为横梁每一点所在的纵坐标，并假设横梁弯曲程度不大，为方便起见，设 ，则此系统可通过边值问题：0 x()y x(0)()0yy Ly0 xPL22,(0)()0d yRpy yy Ldx 来描述。P是作用在横梁右端的水平力，R为横梁的抗挠刚度。方程差分的方法逼近此微分的标准方法是用有限计算方程的解)(xy)2,1,0,(0,010njLnjxLxxxnLjn等分：分成具体的说，是将区间近似地有：对每个记令jkkxxyynLh)(,njhyyyxyjjjj2,12)(

11、211 112222 1 0.0 0 0()12 1.0 0 00 12.0 0 0().0 0 0.1 2 1()0 0 0.01 2nny xyyy xRRPhyy x 12.nyyy于是有2h PAYYR因此2100012000002100012100012A.,22的临界力似地看成是使横梁崩断对应的临界力，可以近值而最重要的是最大特征算横梁弯曲的临界力来计的每个特征值因此可以用从而特征值都是正数，是正定矩阵，的特征值，可以验证是所以hRPAAARPhiiin结论：通过求A的所有特征值 ，可以算 得横梁每次弯曲的临界力 ，折断的临界 力 。n,12hRPii2maxhRP2.3应用概述应

12、用概述n尽管特征值和特征向量的数学定义是抽象的，且不管我们认识与否，特征值和特征向量的问题在我们运动变化着的现实和生活中无处不在的事实是客观的。n当我们给吉他调音时，我们就是在解决特征值问题，n当建筑师在研究建筑的结构振动频率时，他们在解决特征值的问题，而这对地震多发地带是至关重要的，n对这类实际问题，我们说“哪里有震动，哪里就有特征值问题”，n此外，边值问题的特征值决定着原子的能量状态.n初值问题的特征值决定着运动的稳定性及运动轨迹.n在图像处理中，在几何造型的细分法中，矩阵的特征值、特征向量扮演着一个重要的角色。n在各种模式识别中，特征值特征向量是识别的依据。n总之，哪有线性的运动和变化，哪就有描述运动特征的特征值、特征向量。谢谢！