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为什么矩阵特征值之和等于矩阵的迹

时间:2018-07-11 20:39:28      阅读:2544      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:范围   www   除了   lambda   www.   mes   end   就是   为什么   

本文是我在知乎的回答(https://www.zhihu.com/question/267405336/answer/435657618),为了把知识条理化,干脆将其整理成文章,发在博客上。初学乍练,如有错误欢迎指正。

在线性代数中,一个 \({\displaystyle n\times n}\) 的矩阵 \(\mathbf{A}\)的迹(或迹数),是指\(\mathbf{A}\)的主对角线(从左上方至右下方的对角线)上各个元素的总和,一般记作 \(\operatorname{tr}(\mathbf{A})\)\(\operatorname{Sp}(\mathbf{A})\)

下面用多项式根与系数的关系证明矩阵特征值之和等于矩阵的迹

\[|\lambda E - A|= \begin{vmatrix} \ \lambda-a_{11} & -a_{12}&\dots & -a_{1n} \\ -a_{21} & \lambda-a_{22} & \dots & -a_{2n} \\ \cdots&\cdots&\cdots&\cdots \\ -a_{n1} & -a_{n2} & \dots & \lambda-a_{nn} \ \end{vmatrix}=0\]

上式是一个以 \(\lambda\) 为未知数的一元n次方程,称为n阶方阵A的特征方程。其左端是 \(\lambda\) 的n次多项式,称为方阵A的特征多项式,显然A的特征值就是特征方程的解。

特征方程在复数范围内恒有解,其个数为方程的次数(重根按重数计算),因此n阶矩阵A有n个特征值。

把特征方程写为: \(b_{0}+\sum _{{k=1}}^{{n}}b_{k}\lambda^{k}=0\) 其中 \(b_k\) 是k次项的系数,由韦达定理(根与系数的关系),则有:

\[\sum _{{k=1}}^{{n}}\lambda_{k}=-{\frac{b_{n-1}}{b_{n}}}\]

其中 \(\sum _{{k=1}}^{{n}}\lambda_{k}\) 是特征方程的解之和(方阵A的特征值之和) 可以看出本例中 \(b_n=1\) ,则:

\[\sum _{{k=1}}^{{n}}\lambda_{k}=-b_{n-1} \quad \quad(1)\]

现在问题变成了求特征多项式n-1次项的系数 \(b_{n-1}\)

根据行列式定义,行列式是不同行不同列的项的乘积之和,本例中除了主对角线的乘积外,次数都小于n-1,因此n-1次项的系数 \(b_{n-1}\) 就是 $(\lambda-a_{11})(\lambda-a_{22})\ldots(\lambda-a_{nn}) $中 \(\lambda^{n-1}\) 的系数,也就是 \(-(a_{11}+a_{22}+\ldots+a_{nn})\) ,即:

\[b_{n-1}=-(a_{11}+a_{22}+\ldots+a_{nn})\quad \quad (2)\]

把(2)代入(1),得到:

\[\sum _{{k=1}}^{{n}}\lambda_{k}=a_{11}+a_{22}+\ldots+a_{nn}\quad\]

因此矩阵特征值之和等于矩阵的迹。

为什么矩阵特征值之和等于矩阵的迹

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原文地址:https://www.cnblogs.com/joelly/p/trace1.html

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