矩阵对角化的过程是将一个方阵通过相似变换化为对角矩阵的过程。下面是矩阵对角化的基本步骤:
计算特征值和特征向量
计算矩阵的特征多项式,解特征多项式等于零的特征值 \( \lambda \)。
对每个特征值 \( \lambda \),求解线性方程组 \( (A - \lambda I)x = 0 \) 得到属于该特征值的特征向量。
构造矩阵P
将所有特征向量按列排列成一个矩阵P,特征向量的顺序要与对应的特征值一致。
验证对角化
计算P的逆矩阵 \( P^{-1} \) 和对角矩阵D的乘积,即 \( P^{-1}AP = D \)。
如果上述等式成立,则矩阵A经过相似变换 \( P^{-1}AP \) 得到了对角矩阵D,即A可以被对角化。
对角化的条件包括:
矩阵A的所有特征值必须是实数。
每个特征值的几何重数必须等于代数重数。
矩阵A具有n个线性无关的特征向量,其中n是矩阵的阶数。
对于实对称矩阵,它总可以对角化,并且可以正交对角化。
属于不同特征值的特征子空间维数之和为n,即矩阵的秩等于其非零特征值的个数。
需要注意的是,并非所有矩阵都可以对角化。如果矩阵A有重根但对应的特征向量线性相关,或者存在特征值其几何重数小于代数重数,则矩阵A不可对角化