對角矩陣

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线性代数

A=[1234]displaystyle mathbf A =beginbmatrix1&2\3&4endbmatrixmathbf A =beginbmatrix1&2\3&4endbmatrix


向量 · 向量空间  · 行列式  · 矩阵




對角矩陣英语:diagonal matrix)是一個主對角線之外的元素皆為0的矩陣。對角線上的元素可以為0或其他值。因此n行n列的矩陣Ddisplaystyle mathbf D mathbf D = (di,j)若符合以下的性質:


di,j=0 if i≠j∀i,j∈1,2,…,ndisplaystyle d_i,j=0mbox if ineq jqquad forall i,jin 1,2,ldots ,nd_i,j = 0 mbox if i ne j qquad forall i,j in 1, 2, ldots, n"/>


則矩陣Ddisplaystyle mathbf D mathbf D 為對角矩陣。




目录





  • 1 例子


  • 2 矩陣運算


  • 3 性质


  • 4 方阵与对角矩阵相似的充分必要条件


  • 5 參考




例子


(a000b000c),(100020000),(1007),(2)displaystyle beginpmatrixa&0&0\0&b&0\0&0&cendpmatrix,beginpmatrix1&0&0\0&2&0\0&0&0endpmatrix,beginpmatrix1&0\0&7endpmatrix,beginpmatrix2endpmatrix<br/>beginpmatrix <br/>a & 0 & 0 \<br/>0 & b & 0 \<br/>0 & 0 & c <br/>endpmatrix<br/>,<br/>beginpmatrix <br/>1 & 0 & 0 \<br/>0 & 2 & 0 \<br/>0 & 0 & 0 <br/>endpmatrix<br/>,<br/>beginpmatrix <br/>1 & 0 \<br/>0 & 7<br/>endpmatrix<br/>,<br/>beginpmatrix <br/>2<br/>endpmatrix<br/>


均為對角矩陣



矩陣運算


加法

[a1a2⋱an]+[b1b2⋱bn]=[a1+b1a2+b2⋱an+bn]displaystyle beginbmatrixa_1&&&\&a_2&&\&&ddots &\&&&a_nendbmatrix+beginbmatrixb_1&&&\&b_2&&\&&ddots &\&&&b_nendbmatrix=beginbmatrixa_1+b_1&&&\&a_2+b_2&&\&&ddots &\&&&a_n+b_nendbmatrixbeginbmatrixa_1&&&\&a_2&&\&&ddots &\&&&a_nendbmatrix+beginbmatrixb_1&&&\&b_2&&\&&ddots &\&&&b_nendbmatrix=beginbmatrixa_1+b_1&&&\&a_2+b_2&&\&&ddots &\&&&a_n+b_nendbmatrix


乘法

[a1a2⋱an][b1b2⋱bn]=[a1b1a2b2⋱anbn]displaystyle beginbmatrixa_1&&&\&a_2&&\&&ddots &\&&&a_nendbmatrixbeginbmatrixb_1&&&\&b_2&&\&&ddots &\&&&b_nendbmatrix=beginbmatrixa_1b_1&&&\&a_2b_2&&\&&ddots &\&&&a_nb_nendbmatrixbeginbmatrixa_1&&&\&a_2&&\&&ddots &\&&&a_nendbmatrixbeginbmatrixb_1&&&\&b_2&&\&&ddots &\&&&b_nendbmatrix=beginbmatrixa_1b_1&&&\&a_2b_2&&\&&ddots &\&&&a_nb_nendbmatrix


逆矩阵

[a1a2⋱an]−1=[a1−1a2−1⋱an−1]displaystyle beginbmatrixa_1&&&\&a_2&&\&&ddots &\&&&a_nendbmatrix^-1=beginbmatrixa_1^-1&&&\&a_2^-1&&\&&ddots &\&&&a_n^-1endbmatrixbeginbmatrixa_1&&&\&a_2&&\&&ddots &\&&&a_nendbmatrix^-1=beginbmatrixa_1^-1&&&\&a_2^-1&&\&&ddots &\&&&a_n^-1endbmatrix
若且唯若 a1,a2,⋯,andisplaystyle a_1,a_2,cdots ,a_na_1,a_2,cdots ,a_n 均不為零。



性质


  • 對角矩陣都是對稱矩陣。

  • 對角矩陣是上三角矩陣及下三角矩陣。


  • 單位矩陣 Indisplaystyle mathbf I _ndisplaystyle mathbf I _n 及零矩陣恆為對角矩陣。一維的矩陣也恆為對角矩陣。


  • 一個對角線上元素皆相等的對角矩陣是数乘矩阵,可表示為單位矩陣及一个系数 λdisplaystyle lambda lambda 的乘積 λIndisplaystyle lambda mathbf I _ndisplaystyle lambda mathbf I _n[來源請求]

  • 一對角矩陣 diag(a1,…,an)displaystyle textdiagleft(a_1,dots ,a_nright)displaystyle textdiagleft(a_1,dots ,a_nright) 的特徵值為 a1,…,andisplaystyle a_1,dots ,a_ndisplaystyle a_1,dots ,a_n,其特徵向量為單位向量 e1,…,endisplaystyle mathbf e _1,dots ,mathbf e _ndisplaystyle mathbf e _1,dots ,mathbf e _n

  • 一對角矩陣 diag(a1,…,an)displaystyle textdiagleft(a_1,dots ,a_nright)displaystyle textdiagleft(a_1,dots ,a_nright) 的行列式為其特徵值的乘積,即 ∏i=1naidisplaystyle prod _i=1^na_idisplaystyle prod _i=1^na_i


方阵与对角矩阵相似的充分必要条件


ndisplaystyle nn阶方阵可进行对角化的充分必要条件是:



  • ndisplaystyle nn阶方阵存在ndisplaystyle nn个线性无关的特征向量
    • 推论:如果这个ndisplaystyle nn阶方阵有ndisplaystyle nn阶个不同的特征值,那么矩阵必然存在相似矩阵

  • 如果ndisplaystyle nn阶方阵存在重复的特征值,每个特征值的线性无关的特征向量的个数恰好等于该特征值的重复次数


參考


  • 三角矩陣

  • 對角優勢矩陣

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