公式
⎩⎨⎧β1=α1β2=α2−(β1,β1)(α2,β1)β1β3=α3−(β1,β1)(α3,β1)β1−(β2,β2)(α3,β2)β2
推导
令
⎩⎨⎧β1=α1β2=α2+kβ1β3=α3+m1β1+m2β2
已知 β1,β2,β3 两两正交,即:
⎩⎨⎧β1Tβ2=0β1Tβ3=0β2Tβ3=0①②③
由 ① 得:
⇒⇒⇒β1Tβ2=0β1T(α2+kβ1)=0β1Tα2+kβ1Tβ1=0k=−β1Tβ1β1Tα2
由 ② 得:
⇒⇒⇒⇒β1Tβ3=0β1T(α3+m1β1+m2β2)=0β1Tα3+m1β1Tβ1+m2β1Tβ2=0β1Tα3+m1β1Tβ1=0m1=−β1Tβ1β1Tα3
由 ③ 得:
⇒⇒⇒⇒β2Tβ3=0β2T(α3+m1β1+m2β2)=0β2Tα3+m1β2Tβ1+m2β2Tβ2=0β2Tα3+m2β2Tβ2=0m2=−β2Tβ2β2Tα3
一种避开正交化的小技巧
该技巧源自李正元数学全书(线性代数部分是尤承业老师写的)。
假设从 (A−E)x=0 得到方程 x1+2x2−2x3=0,该方程显然有两个线性无关的解。
先求出第一个特征向量为 α1=(0,1,1)T。为保证与 α1 正交,第二个特征向量先设为 α2=(c,1,−1)T,然后代入到方程中,解得 c=−4,所以轻松求得与 α1 正交的 α2=(−4,1,−1)T。
拓展
以上推导的思路还可以应用于下题中:
【例】设 α1,α2,α3 线性无关,Aα1=α1,Aα2=2(α1+α2),Aα3=3(α1+α2+α3),求 A 的特征值和特征向量。
【解】待定系数法:
⇒⇒A(α1+mα2+nα3)=α1+2m(α1+α2)+3n(α1+α2+α3)λ(α1+mα2+nα3)=α1+2m(α1+α2)+3n(α1+α2+α3)λα1+mλα2+nλα3=(1+2m+3n)α1+(2m+3n)α2+3nα3
得到以下方程组:
⎩⎨⎧1+2m+3n=λ2m+3n=mλ3n=nλ①②③
由 ③ 可分为两种情形:
(1)n=0,λ=3
将 λ=3 代入 ①、②:
{1+2m+3n=32m+3n=3m①②
解得:
⎩⎨⎧m=32n=92
代入到最初的式子可得:
⇒⇒A(α1+mα2+nα3)=α1+2m(α1+α2)+3n(α1+α2+α3)A(α1+32α2+92α3)=α1+34(α1+α2)+32(α1+α2+α3)A(α1+32α2+92α3)=3(α1+32α2+92α3)
(2)n=0
将 n=0 代入 ①、②:
{1+2m=λ2m=mλ①②
由 ② 又分为两种情形:
(2-1)m=0,λ=2
λ=2 代入 ① 得:1+2m=2,解得 m=21
将已求得结果代入最初式子得:
A(α1+21α2)=2(α1+21α2)
(2-2)m=0
m=0 代入 ① 得:λ=1
将已求得结果代入最初式子得:Aα1=α1
(3)总结
所以 A 的特征值为 3,2,1
对应的特征向量为 α1+32α2+92α3,α1+21α2,α1