矩阵对角化#

一、什么样的n阶矩阵才能对角化？#

先说结论

\[\begin{split} \left\{ \begin{aligned} a. & 特征值无重根 ✅\\ b. & 有重根 \left\{ \begin{aligned} b.1. & 厄米特矩阵(Hermitian),\\ &特别的对称实数矩阵 ✅ \\ b.2. & 非厄矩阵 \left\{ \begin{aligned} b.2.1. & 几何重数=代数重数 ✅ \\ b.2.2. & 几何重数 \neq 代数重数 ❌ \end{aligned} \right. \end{aligned} \right. \end{aligned} \right. \end{split}\]

定理1：#

设 $ \lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_m $ 是方阵 $ A $ 的m个特征值， $ p_1,p_2,\dots,p_m $ 依次是与之对应的特征向量，如果 $ \lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_m $ 各不相等，则 $ p_1,p_2,\dots,p_m $ 线性无关。

定理2：#

n阶矩阵 $ A $ 与对角矩阵相似（即 $ A $ 能对角化）的充分必要条件是 $ A $ 有 $ n $ 个线性无关的特征向量。

推论：#

如果n阶矩阵 $ A $ 的 $ n $ 个特征值互不相等，则 $ A $ 与对角矩阵相似。

二、根据以上定理和推理特征值无重根的a和b.2.1情况一定可以对角化。#

三、有重根情况b.1情况#

3.1 厄米特矩阵#

厄米特矩阵是满足 $ A^H=A $ 的矩阵，即 $ A^H $ 是 $ A $ 的共轭转置矩阵。

3.2 酉矩阵#

满足 $ A^HA=I $ 的矩阵。酉矩阵，其列向量是规范正交的，其秩必为n。

\[ A^{-1}=A^H\]

n阶n维线性无关向量必可以通过施密特正交化得到标准正交基矩阵，即是酉矩阵。

3.3 舒尔化矩阵#

设n阶矩阵 $ A $ 的特征值 $ \lambda_k $ 有 $ k $ 重根，对应 $ m $ 个特征值， $ p_1,p_2,\dots,p_m $ 依次是与之对应的特征向量,组成一组基，把 $ \{p_1,p_2,\dots,p_m\} $ 扩充至n个（n维的最大线性无关组是n个），并施密特正交化，得到 $ P=(p_1,p_2,\dots,p_m,p_{m+1},\dots,p_n) $

\[ AP=(\lambda_kp_1,\lambda_kp_2,\dots,\lambda_kp_m,Ap_{m+1},Ap_{m+2},\dots,Ap_n)\]

\[\begin{split} \begin{aligned} P^HAP= \begin{pmatrix} p_1^H \\ p_2^H\\ p_3^H\\ \vdots\\ p_m^H\\ p_{m+1}^H\\ \vdots\\ p_{n} \end{pmatrix}(\lambda_kp_1,\lambda_kp_2,\dots,\lambda_kp_m,Ap_{m+1},Ap_{m+2},\dots,Ap_n) \end{aligned} \end{split}\]

若 $ A=(a_{ij}), p_j=(q_{ij}) $ 因为 $ P^H $ 的正交性，所以，

\[\begin{split} \begin{aligned} P^HAP &=\begin{pmatrix} \lambda_{k}& & & & p^H_1Ap_{m+1}&\cdots&p^H_1Ap_{n} \\ & \lambda_{k} & & & p^H_2Ap_{m+1}&\cdots&p^H_2Ap_{n}\\ & & \ddots & & \vdots& &\vdots \\ & & & \lambda_{k} & p^H_mAp_{m+1}&\cdots&p^H_mAp_{n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & p^H_{m+1}Ap_{m+1}&\cdots&p^H_{m+1}Ap_{n} \\\vdots& \vdots& & \vdots& \vdots& &\vdots \\0&0& \cdots & 0&p^H_nAp_{m+1}&\cdots&p^H_nAp_{n}\\ \end{pmatrix} \end{aligned} \end{split}\]

P为我们构造的酉矩阵，于是 $ \Rightarrow $ ， $$

(1)#\[\begin{equation} \begin{aligned} P^{-1}AP&=P^HAP &=\begin{pmatrix} \lambda_{k}& & & & p^H_1Ap_{m+1}&\cdots&p^H_1Ap_{n} \\ & \lambda_{k} & & & p^H_2Ap_{m+1}&\cdots&p^H_2Ap_{n}\\ & & \ddots & & \vdots& &\vdots \\ & & & \lambda_{k} & p^H_mAp_{m+1}&\cdots&p^H_mAp_{n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & p^H_{m+1}Ap_{m+1}&\cdots&p^H_{m+1}Ap_{n} \\\vdots& \vdots& & \vdots& \vdots& &\vdots \\0&0& \cdots & 0&p^H_nAp_{m+1}&\cdots&p^H_nAp_{n}\\ \end{pmatrix} \\ &=B \end{aligned} \end{equation}\]

\[为书写方便，将(1)式 $ B $ 简写为块矩阵:\]

B $$

\[\begin{split} \begin{aligned} B & =\left(\begin{array} {cccc:ccc} \lambda_{k} & & & & * & \cdots & * \\ & \lambda_{k} & & & * & \cdots & * \\ & & \ddots & & \vdots & & \vdots \\ & & & \lambda_{k} & * & \cdots & * \\ \hdashline 0 & 0 & \cdots & 0 & * & \cdots & * \\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & * & \cdots & * \\ \end{array} \right)\\ & =\left(\begin{array} {ccc:c}\\ \lambda_{k} & \\ & \ddots & & W \\ & & \lambda_{k} & \\ \hdashline & O & & M \\ \end{array} \right)\\ \end{aligned} \end{split}\]

其中 $ M $ 矩阵可以重复上面的步骤，最终得到上三角矩阵。

$ A $ 与 $ B $ 相似，根据有关定理，它们具有相同的特征值。 $ |A-\lambda E|=|B-\lambda E| $

\[\begin{split} \begin{aligned} |B-\lambda E| & =\left(\begin{array} {ccc:c} \lambda_{k}-\lambda & \\ & \ddots & & W \\ & & \lambda_{k}-\lambda & \\ \hdashline & O & & M-\lambda E \\ \end{array}\right)\\ & =(\lambda_{k}-\lambda)^mg(\lambda) \end{aligned} \end{split}\]

又因为 $ \lambda_{k} $ 是 $ k $ 重根，所以 $ |A-\lambda E|=(\lambda_{k}-\lambda)^kf(\lambda) $ ，所以，几何重数 $ m $ 必小于代数重数 $ k $ , 即 $ m\leq k $ 。

又因为 $ P $ 为酉矩阵，所以

\[\begin{split} \begin{aligned} B^H&=(P^HAP)^H \\ &=(P^H(AP))^H \\ &=(AP)^H(P^H)^H \\ &=(AP)^HP \\ &=P^HA^HP \\ \end{aligned} \end{split}\]

如果 $ A $ 为厄米特矩阵，则 $ B^H=B $ ，所以 $ B $ 也为厄米特矩阵。所以 $ B $ 必为对角矩阵。所以，b.1情况一定可以对角化。

参考：