线性代数二三事

第3章:线性变换之间的转化

3.2 线性变换(矩阵)的特征向量与特征值

第3章 线性变换之间的转化

在函数中,我们接触到过“不动点”的概念,比如像f(f(x))=Cf(f(x)) = C (CC为常数)这样的例子. 当我们知道某个函数具有类似的性质时,在研究函数的复合时便会容易很多. 那么对于线性变换而言,我们能够找到一个线性变换里面的“不变量”呢?即类似T(T(x))=yT(T(\vec x)) = \vec y这样的形式.我们用特征向量 (Eigenvectors) 和 特征值 (Eigenvalues) 来定义线性变换里面的这一“不变”的关系.

定义 3.2

在线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}中,如果存在常数λ∈F\lambda \in \mathbb{F}以及非零向量x∈V\vec x \in \mathcal{V}, 使得

T(x)=λx\vec T(\vec x) = \lambda \vec x

成立,我们则称λ\lambda为线性变换T\vec T的一个特征值,x\vec x为与特征值λ\lambda所对应的特征向量.

推论 3.1

设线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}的一个特征值为λ\lambda,与该特征值所对应的特征向量为v\vec v.那么对于任意的正整数nn, 有

Tn(v)=λnv\vec T^n (\vec v) = \lambda^n \vec v

因此,我们得到了同函数里面的“不动点”所类似的推论.在此情况下当我们计算线性变换自身的复合时,便可以利用特征向量和特征值的关系来进行简便运算.这一点在后面章节的矩阵对角化里面会重点提及.我们现在需要知道的是:并不是所有的线性变换都会有特征向量和特征值;同理可知一个线性变换也可能会有多个特征向量和特征值;一个特征向量仅能和与之对应的特征值组合,否则就不具备定义3-2中的性质.

那么我们便想知道对于给定的线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}, 我们该如何计算该线性变换的特征向量和特征值呢?我们一起来看下面的推理过程:假设在线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}中,λ\lambda为一个特征值,v\vec v为该特征值所对应的特征向量.那么根据定义,我们有

T(v)=λv.\vec T(\vec v) = \lambda \vec v.

我们将原等式进行移项,得到

T(v)−λ(v)=0.\vec T(\vec v) - \lambda(\vec v) = 0.

根据单位变换的性质,设II为单位矩阵,T\vec T的矩阵形式为A\vec A,那么有Iv=vI \vec v = \vec v, 因此

A(v)−λ(Iv)=0,\vec A(\vec v) - \lambda (I \vec v) = 0,

即

(A−λI)v=0.( \vec A - \lambda I ) \vec v= \vec 0.

由此可知, 齐次方程(A−λI)v=0(\vec A-\lambda \vec I) \vec v=0存在非零解, 那么A−λI\vec A-\lambda\vec I不可逆, 即det⁡(A−λI)=0\det(\vec A-\lambda\vec I) = 0.

定义 3.3

在线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}中,设T\vec T在某一选定基底下的矩阵形式为AA, 那么我们定义T\vec T在该基底下的 特征多项式 (Characteristic Polynomial) CT(x)C_{\vec T} (x)为

CT(x)=det⁡(A−xI).C_{\vec T}(x) = \det(A - x\vec I).

其中,T\vec T的特征值即为CT(x)C_{\vec T}(x)的零点.

由于我们知道, 当λ\lambda为特征值时,与其对应的特征向量v\vec v满足v(T−λI)=0\vec v (\vec T - \lambda I) = 0, 也就是说,

v∈Ker(T−λI).\vec v \in \Ker(\vec T - \lambda I).

推论 3.2

设T∈Mn(R)\vec T \in M_n(\mathbb{R}), λ\lambda为其一特征值, v\vec v 为关于λ\lambda的特征向量. 则

v∈Ker(T−λI).\vec v \in \Ker(\vec T - \lambda I).

在这里,当特征值λ\lambda给定时,我们便得知全体关于λ\lambda的特征向量构成T−λI\vec T - \lambda I的核空间. 我们也可以将其称为特征空间,计作EigT(λ)Eig_{\vec T}(\lambda).任何非零u∈EigT(λ)\vec u \in Eig_{\vec T} (\lambda) 均为与特征值λ\lambda对应的特征向量. 特征空间也是V\mathcal{V}的一个字空间.

例题 3.2

设线性变换P:V⟶V\mathcal{P} : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V} 满足P2=P\mathcal{P}^2 = \mathcal{P} ,证明: P\mathcal{P}的特征值为 00或 11.

解答 3.2

设λ\lambda为线性变换P\mathcal{P}的一个特征值;v\vec v是与之对应的一个特征向量.由特征值的定义可知,Pv=λv\mathcal{P} \vec v = \lambda \vec v , 再由题意可知,P2v=λ2v=λv=Pv\mathcal{P}^2 \vec v = \lambda^2 \vec v = \lambda \vec v = \mathcal{P}\vec v, 因此有λ2=λ\lambda^2 = \lambda, 即解得λ=0;1\lambda = 0;1.

此时我们再回到相似矩阵:我们之所以称之为相似矩阵,是因为二者之间存在着相似的结构. 我们目前仅仅知道相似矩阵的行列式相同,但实际上相似矩阵也有着相同的特征值.

定理 3.3

若矩阵A≃B\vec A \simeq \vec B, 则A,B\vec A,\vec B具有相同的特征值.

证明

根据相似矩阵的定义,我们知道存在可逆矩阵Q\vec Q,使得 A=Q−1BQ\vec A = \vec Q^{-1} \vec B \vec Q. 那么我们有det⁡(A−λI)=det⁡(Q−1BQ−λI)\det(\vec A - \lambda I) = \det(\vec Q^{-1} \vec B \vec Q - \lambda I). 我们对该式进行等价变换,有

det⁡(A−λI)=det⁡(Q−1BQ−λQ−1IQ),\det(\vec A - \lambda I ) = \det(\vec Q^{-1} \mathcal{BQ} - \lambda \vec Q^{-1} I \vec Q ),

即为

det⁡(A−λI)=det⁡(Q−1Q(B−λI)).\det(\vec A - \lambda I) = \det(\vec Q^{-1} \vec Q (\vec B - \lambda I)).

再由行列式的性质, 我们知道

det⁡(Q−1(B−λI)Q)=det⁡(Q−1)det⁡(B−λI)det⁡(Q)=1det⁡(Q)det⁡(B−λI)det⁡(Q)=det⁡(B−λI).\begin{aligned} \det(\vec Q^{-1} (\vec B - \lambda I)\vec Q) &= \det(\vec Q^{-1}) \det(\vec B - \lambda I)\det(\vec Q)\\ & = \frac{1}{\det(\vec Q)} \det(\vec B - \lambda I)\det(\vec Q) \\ & = \det(\vec B - \lambda I). \end{aligned}

我们得到det⁡(A−λI)=det⁡(B−λI)\det(\vec A - \lambda I) = \det(\vec B - \lambda I), 二者的特征多项式相同,因此也具有相同的特征值.

∎

值得注意的是,虽然相似矩阵的特征值相同,但是由于矩阵结构毕竟不同,所以相似矩阵的特征向量(特征向量构成的空间)不一定相同. 因此,我们现在便知道如何计算给定矩阵(线性变换)的特征向量和特征值.欲求特征值,我们只需要求方程det⁡(A−xI)=0\det(A - x I) = 0的解. 回顾行列式的知识,我们想什么情况下矩阵的行列式能够很容易计算出来?我们会想到上三角矩阵和下三角矩阵(若读者不熟悉此概念请查阅2.5练习2),此时矩阵的行列式即为主对角线上元素的乘积. 更进一步, 考虑一个主对角线以外的位置全部为零的矩阵,即(A)ij=0若i≠j(A)_{ij} = 0 \hspace{0.2cm} \text{若} i \neq j.形如这样的矩阵我们称作是对角矩阵 (Diagonal Matrix),我们设对角矩阵AA主对角线上的元素从左上方到右下方依次为λ1,λ2,⋯ ,λn\lambda_1, \lambda_2, \cdots, \lambda_n.由于此时矩阵的结构简单,为了简化处理我们也可以将该对角矩阵AA计作diag⁡(λ1,λ2,⋯ ,λn)\diag(\lambda_1, \lambda_2, \cdots, \lambda_n).同上(下)三角矩阵类似,对角矩阵的行列式即为对角线上全体元素的乘积, 此时我们也不难发现,对角矩阵的特征多项式det⁡(A−xI)\det(A - x I)中,有

(A−xI)ij={λi−x(i=j)0(i≠j)(A - x I)_{ij} = \begin{cases} \lambda_i - x \hspace{0.2cm} (i = j) \\ 0 \hspace{1cm} (i \neq j) \end{cases}

此时,我们便有

det⁡(A−xI)=∏i=1n(λi−x).\det(A - x I) = \prod_{i=1}^{n} (\lambda_i - x).

推论 3.3

对角矩阵,上(下)三角矩阵 的特征值即为主对角线上的全部元素.

为了更好地判断一个线性变换(矩阵)的特征值,我们通常会运用因式分解,将矩阵的特征多项式写成形如p(x)=(λ1−x)k1(λ2−x)k2⋯(λj−x)kjp(x) = (\lambda_1 - x)^{k_1} (\lambda_2 - x)^{k_2} \cdots (\lambda_j - x)^{k_j}的形式.此时,我们要考虑复数根的情况了,但是我会在题目中强调数域,没有特殊说明的时候我们还是仅考虑特征向量为实数的情况.

随后,我们再给出两个至关重要的定义:特征值的代数重数 (Algebraic Multiplicity)以及几何重数 (Geometric Multiplicity), 这两个定义在后面的章节里面对于对角化的判断不可或缺.

定义 3.4

在线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}中,设 λ\lambda为线性变换的一个特征值,则

① λ\lambda的代数重数 (Algebraic Multiplicity)为特征多项式中(λ−x)(\lambda - x)一项的次幂.

② λ\lambda的几何重数 (Geometric Multiplicity)为特征空间EigT(λ):=Ker(T−λI)Eig_{\vec T}(\lambda):= \Ker(\vec T - \lambda I)的维数.

例题 3.3

设矩阵A=(100120101)A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix}, 求出AA的特征值,以及这些特征值所对应的几何重数与代数重数.

解答 3.3

AA的特征多项式为det⁡((100120101)−(x000x000x))\det \left( \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} x & 0 & 0 \\ 0 & x & 0 \\ 0 & 0 & x \end{pmatrix} \right), 即CA(x)=det⁡((1−x0012−x0101−x))C_{A}(x) = \det \left(\begin{pmatrix} 1-x & 0 & 0 \\ 1 & 2-x & 0 \\ 1 & 0 &1-x \end{pmatrix} \right), 根据行列式的展开法则,我们按第一行展开,即有

CA(x)=(1−x)[(2−x)(1−x)]=(1−x)2(2−x).\begin{aligned} C_A (x) &= (1-x) [(2-x)(1-x)] \\ & = (1-x)^2(2-x). \end{aligned}

因此,我们发现矩阵AA的特征值为λ1=1;λ2=2\lambda_1 = 1 ; \lambda_2 = 2, 其中根据定义,λ1\lambda_1的代数重数为22;λ2\lambda_2的代数重数为11. 对于λ1\lambda_1而言,根据定义有EigA(λ1)=Ker(A−I)Eig_{A}(\lambda_1) = \Ker(A - I), 即

EigA(λ1)=Ker((000110100)).Eig_{A}(\lambda_1) = \Ker \left(\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} \right).

通过对矩阵A−IA - I进行高斯消元,我们得到

RREF(A−I)=(100010000).\mathbf{RREF}(A - I) = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}.

因此,我们知道Ker(A−I)=Span((001))\Ker(A - I) = \Span \left( \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \right), 不难发现其维数为11.即特征值λ1=1\lambda_1 = 1的几何重数为11.

对于特征值λ2\lambda_2, 根据定义,我们得到

EigA(λ2)=Ker(A−2I)=Ker((−10010010−1)).Eig_{A}(\lambda_2) = \Ker (A - 2I) = \Ker \left( \begin{pmatrix} -1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & -1 \end{pmatrix} \right).

对A−2IA - 2I进行高斯消元,得到

RREF(A−2I)=(100001000).\mathbf{RREF}(A-2I) = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}.

因此,Ker(A−2I)=Span((010))\Ker(A - 2I) = \Span \left( \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} \right), 其维数为11, 因此特征值λ2\lambda_2对应的几何重数为11.

在以后的计算中,为方便文字说明,对于一个特征值λ\lambda而言,我们将使用 mλ(a)m_{\lambda}(a)代表其代数重数,使用mλ(g)m_{\lambda}(g)代表其几何重数.

例题 3.4

证明n×nn \times n矩阵AA可逆(存在逆矩阵)的充要条件是AA不存在为00的特征值.

解答 3.4

我们可以证明其逆反命题:即AA不可逆的充要条件是存在为00的特征值:

(⟹\Longrightarrow)

假设AA不可逆,根据定义我们有det⁡(A)=0\det(A) = 0, 在特征多项式det⁡(A−xI)\det(A - xI)中正好对应x=0x=0的解,因此AA的一个特征值为00.

(⟸\Longleftarrow)

假设AA存在为00的特征值,则其特征多项式为CA(x)=det⁡(A−xI)C_A(x) = \det( A - x I), 将x=0x=0代入特征多项式,得det⁡(A−0I)=det⁡(A)=0\det(A - 0 I) = \det(A) = 0, 根据行列式的定义,det⁡(A)=0\det(A) = 0说明AA不可逆,因此得证.

此时,我们想研究一种特殊的情况: 我们设线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}, 令v∈V\vec v \in \mathcal{V}, 假设dim⁡(V)=n\dim(\mathcal{V}) = n, 考虑由以下向量为线性组合所构成的字空间:

β={v,T(v),T2(v),⋯ ,Tn−1(v)}.\beta = \lbrace \vec v , \vec T(\vec v), \vec T^2(\vec v) , \cdots, \vec T^{n-1}(\vec v) \rbrace.

如果我们假设β\beta彼此线性无关,那么根据定义,其即为V\mathcal{V}的一组基底. 由于Tn(v)∈V\vec T^n(\vec v) \in \mathcal{V}, 便存在常数c0,c1,⋯ ,cn−1c_0,c_1, \cdots, c_{n-1}, 使得

Tn(v)+c0v+c1T(v)+⋯+cn−1Tn−1(v)=0\vec T^n(\vec v) + c_0 \vec v + c_1 \vec T(\vec v) + \cdots + c_{n-1}\vec T^{n-1}(\vec v) = 0

此时,我们设矩阵B\vec B为线性变换T\vec T在基底β\beta下的矩阵表达形式,那么我们有

B=([T(v)]β[T(T(v))]β⋯[T(Tn−1(v)]β).\vec B = \left(\begin{array}{||c|} \\ [\vec T (\vec v)]_{\beta} & [\vec T(\vec T(\vec v))]_{\beta} & \cdots & [\vec T(\vec T^{n-1}(\vec v)]_{\beta} \\ \end{array}\right).

根据β\vec\beta的定义,我们便有

B=(00⋯−c010⋯−c101⋯−c2⋮⋮⋱⋮00⋯1−cn−1),\vec B = \begin{pmatrix} 0 & 0 & & \cdots & -c_0 \\ 1 & 0 & & \cdots & -c_1 \\ 0 & 1 & & \cdots & -c_2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & -c_{n-1} \end{pmatrix},

因此其特征多项式为

CB(x)=det⁡(B−xI)=det⁡(−x0⋯−c01−x⋯−c101⋯−c2⋮⋮⋱⋮00⋯1−x−cn−1).\begin{aligned} C_{\vec B}(x) &= \det(\vec B - xI) \\ &= \det \begin{pmatrix} -x & 0 & & \cdots & -c_0 \\ 1 & -x & & \cdots & -c_1 \\ 0 & 1 & & \cdots & -c_2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & -x - c_{n-1} \end{pmatrix}. \end{aligned}

其中,我们将该行列式按第nn列展开,那么有

det⁡(B−xI)=(−1)2n(−x−cn−1)det⁡(Bnn)+∑j=1n−1(−1)n+j(−cj−1)det⁡(Bjn)\det(\vec B - xI) = (-1)^{2n}(-x-c_{n-1}) \det(\vec B_{nn}) + \sum_{j=1}^{n-1} (-1)^{n+j}(-c_{j-1}) \det(\vec B_{jn})

其中,我们观察到Bnn\vec B_{nn}为下三角矩阵,因此det⁡(Bnn)=(−x)n−1\det(\vec B_{nn}) = (-x)^{n-1}, 同时Bjn\vec B_{jn}为形如(Mj00Nj)\begin{pmatrix} M_j & \vec 0 \\ \vec 0 & N_{j} \end{pmatrix}的分块矩阵,且

det⁡(Bjn)=det⁡(Mj)det⁡(Nj)=(−x)j−1(1)n−j\det(\vec B_{jn}) = \det(M_j)\det(N_j) = (-x)^{j-1}(1)^{n-j}

由此可知

det⁡(B−xI)=(−1)2n(−x−cn−1)xn−1+∑j=1n−1(−1)2n(−cj−1)(−x)j−1\det(\vec B - xI) = (-1)^{2n} (-x-c_{n-1})x^{n-1} + \sum_{j=1}^{n-1}(-1)^{2n} (-c_{j-1} )(-x)^{j-1}

即

det⁡(B−xI)=xn+cn−1xn−1+⋯+c1x+c0\det(\vec B - xI) = x^n + c_{n-1}x^{n-1} + \cdots + c_1 x + c_0

此时,令x=Tx = \vec T, 我们便有

det⁡(B−TI)=Tn+cn−1Tn−1+⋯+c1T+c0I=0\det(\vec B - \vec TI) = \vec T^n + c_{n-1}\vec T^{n-1} + \cdots + c_1 \vec T + c_0I = 0

由于我们事先已经知道,同一线性变换的特征多项式与基底的选取无关, 因此 我们便得到了著名的Cayley-Hamilton定理:

定理 3.4

设线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}, B\vec B 为线性变换T\vec T 在任意V\mathcal{V}的基底下的矩阵形式. 那么CT(T)=0C_{\vec T}(\vec T) = \vec 0.

来举一个例子: 假设矩阵

A=(1012),A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 2 \end{pmatrix},

那么不难求出AA的特征多项式为

det⁡(A−xI)=det⁡(1−x012−x)=x2−3x+2.\begin{aligned} \det(A - xI) = \det\begin{pmatrix} 1-x & 0 \\ 1 & 2-x \end{pmatrix} = x^2-3x+2. \end{aligned}

将xx替换为矩阵AA, 我们发现

CA(A)=(1012)2−3(1012)+2(1001)=(1034)−(3036)+(2002)=0.\begin{aligned} C_{\vec A}(\vec A) &=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}^2 - 3\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 2 \end{pmatrix} + 2 \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\\ &=\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 3 & 6 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\\ &=\vec 0. \end{aligned}

需要注意的是,在我们之前的推导中,我们默认了{v,T(v),T2(v),⋯ ,Tn−1(v)}\lbrace \vec v , \vec T(\vec v), \vec T^2(\vec v) , \cdots, \vec T^{n-1}(\vec v) \rbrace彼此线性无关,但是在实际情况下往往这些向量不一定线性无关. 我们需要明白的是Cayley-Hamilton定理对任何前后维数不变的线性变换以及任何n×nn \times n矩阵均成立. 上面的推理仅仅是一种特殊情况下的证明. 完整的证明会需要更多的引理, 在此我们不多做叙述.

{3.2 练习}

1. 求出下列矩阵的特征向量与特征值:

A=(2110101−12)B=(010301000)C=(11−32061−15)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 2 \end{pmatrix} \hspace{0.5cm} B = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 3 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \hspace{0.5cm} C = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -3 \\ 2 & 0 & 6 \\ 1 & -1 & 5 \end{pmatrix}

2. 我们称线性变换T:V⟶V\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V} 在选定基底下对应的矩阵形式AA为幂零矩阵 (Nilpotent Matrix), 如果其满足Ak=0A^k = \vec 0 其中k≥1k \geq 1.

① 证明主对角线全部元素为零的上(下)三角矩阵为幂零矩阵.

② 证明幂零矩阵有且仅有00这一个特征值.(无论数域为实数或复数该结论均成立)

③ 证明n×nn \times n幂零矩阵AA的特征多项式为CA(x)=xnC_A (x) = x^n.

3. 设AA为n×nn \times n可逆矩阵,且λ\lambda为一个特征值(在例题中我们已经证明此时λ≠0\lambda \neq 0), 证明1λ\displaystyle{\frac{1}{\lambda}}为A−1A^{-1}的一个特征值.此时设CA(x),CA−1(x)C_A(x), C_{A^{-1}}(x)分别为A,A−1A,A^{-1}的特征多项式,试证明:

CA−1(x)=(−x)ndet⁡(A)CA(1x).C_{A^{-1}}(x) = \frac{(-x)^n}{\det(A)} C_A \left(\frac{1}{x}\right).

4.* 在复数域中,证明矩阵(cos⁡(θ)−sin⁡(θ)sin⁡(θ)cos⁡(θ))\begin{pmatrix} \cos(\theta) & -\sin(\theta) \\ & \\ \sin(\theta) & \cos(\theta) \end{pmatrix}的特征值为eiθe^{i \theta}和e−iθe^{-i \theta}.

5. 设AA为n×nn \times n矩阵,若AA中的每一列(或每一行)元素之和均为同一常数λ\lambda, 证明:λ\lambda即为AA的一个特征值.

6. 设分块矩阵A=(B00C)A = \begin{pmatrix} B & \vec 0 \\ \vec 0 & C \end{pmatrix}, 其中A,B,CA,B,C均为方阵.设A,B,CA,B,C的特征多项式分别为CA(x),CB(x),CC(x)C_A(x), C_B (x), C_C(x).

① 证明:CA(x)=CB(x)CC(x)C_A(x) = C_B(x) C_C(x);

② 若x\vec x为BB的一个特征向量;y\vec y为CC的一个特征向量,证明:(x0);(0y)\begin{pmatrix} \vec x \\ \vec 0 \end{pmatrix} ; \begin{pmatrix} \vec 0 \\ \vec y \end{pmatrix}均为AA的特征向量.

7. 在n×nn \times n矩阵AA中,设λ\lambda为AA的一个特征值,证明:

① kλk \lambda为矩阵kAkA的一个特征值;

② λ3−2λ+3\lambda^3 - 2 \lambda + 3为矩阵A3−2A+3IA^3 - 2A + 3I的一个特征值.