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第七章 矩阵特征值计算1
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2022-08-03
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第七章 矩阵特征值计算物理、力学和工程技术中的许多问题在数学上都归结为求矩阵的特征值和特征向量问题。计算方阵 A 的特征值,即求特征多项式方程:或的根。求出特征
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第七章 矩阵特征值计算
物理、力学和工程技术中的许多问题在数学上都归结为求矩
阵的特征值和特征向量问题。
计算方阵
A
的特征值,即求特征多项式方程:
0)det()( IAp
A
或
0
1
1
1
nn
nn
ppp
的根。求出特征值
后,再求相应的齐次线性方程组:
0)( xIA
的非零解,即是对应于
的特征向量。
对于阶数较小的矩阵是可以的,但对于阶数较大的矩阵来说,
求解是十分困难,所以用这种方法求矩阵的特征值是不切实际的。
如果矩阵
A
与
B
相似,则
A
与
B
有相同的特征值。
因此希望在相似变换下,把
A
化为最简单的形式。一般矩阵
的最简单的形式是约当(Jordan)标准形。由于在一般情况下,
用相似变换把矩阵
A
化为约当标准形是很困难的,所以设法对矩
阵
A
依次进行相似变换,使其逐步趋向于一个约当标准形,从而
求出
A
的特征值。
下面主要介绍求绝对值最大、最小特征值和特征向量的幂
法、反幂法,求实对称矩阵全部特征值和特征向量的雅可比
(Jacobi)方法。
2
§1 幂法与反幂法
一、幂法
幂法:是一种求任意矩阵
A
的绝对值最大特征值及对应
特征向量的迭代算法。
该方法最大的优点是计算简单,容易在计算机上实现,对稀
疏矩阵较为合适,但有时收敛速度很慢。
假设:
(1)
n
阶方阵
A
的特征值
n
,,,
21
按绝对值大小排列
||||||
21 n
(2)
是对应于特征值
的特征向量
),,2,1( ni
;
(3)
线性无关。
任取一个非零初始向量
,由矩阵
A
构造一个向量序列
称为迭代向量。
由于
线性无关,构成
n
维向量空间的一组基,
所以,初始向量
可唯一表示成:
于是
3
因为
,所以
当充分大时,有:
从而:
说明:当充分大时,两个相邻迭代向量
与
近似地相
差一个倍数,这个倍数便是矩阵绝对值最大的特征值
。若
用
表示向量
的第个分量,则
即两个相邻迭代向量对应分量的比值近似地为矩阵绝对
值最大的特征值。
因为
,所以有
,
因此向量
可近似地作为对应于
的特征向量。
幂法的收敛速度取决于比值
的大小。比值越小,收
敛越快,但当比值
接近于1时,收敛十分缓慢。
用幂法进行计算时,若
,则迭代向量
的各个不
为零的分量将随着
k
无限增大而趋于无穷。反之,若
,
则
的各分量将趋于零。这样在有限字长的计算机上计算时就
可能溢出停机。为此,常采用把每步迭代的向量
进行规范化,
4
即用
乘以一个常数,使得其分量的模最大为1。
幂法算法(改进幂法):
取
其中:
表示
绝对值最大的第一个分量,保证了
。
则:(1)
(2)
。
例 设
2 1 0
1 2 1
0 1 2
A
用幂法求其模为最大的特征值及其相应的特征向量(精确到小数
点后三位)。
解 取
T
x )1 ,1 ,1(
0
,计算结果如下表所示。
k
V
k
T
m
k
U
k
T
1
1
0
1
1
1
0
1
2
2
-2
2
2
1
-1
1
3
3
-4
3
-4
-0.75
1
-0.75
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