高等代数 · 课程学习笔记

第 P137 集 · 十二:实对称矩阵特征多项式、对称变换特征向量

Real Symmetric Matrices: Eigenvalues are Real & Orthogonal Eigenvectors
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P137 / 151 集 核心概念:特征值实数性 · 正交特征向量 · 不变子空间的正交补
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◎学习目标

  1. 准确叙述并证明实对称矩阵的特征多项式的每个复根都是实数,理解这一结论对"特征值存在性"的关键意义;
  2. 掌握不同特征值对应的特征向量正交的证明,能从矩阵或对称变换两个角度证明;
  3. 理解并证明对称变换的不变子空间的正交补仍是不变子空间(谱定理证明的核心引理);
  4. 纠正对命题的常见错误表述:"实对称矩阵的特征值是实数"应精确表述为"特征多项式的复根都是实数"。

1实对称矩阵特征值都是实数 ⏱ 02:00

首先明确一个重要的表述精确性问题。一般实矩阵 \(A\) 的特征多项式虽然是实系数多项式,但其根可能是复数(如 \(x^2+1=0\) 的根为 \(\pm i\))。而对称矩阵有极强的约束:

定理 1 · 实对称矩阵特征值实数性 设 \(A\) 是 \(n\) 阶实对称矩阵(\(A^T=A\),元素均为实数),则 \(A\) 的特征多项式的每一个复根都是实数。
表述纠正(丘老师特别强调) 许多教材写成"实对称矩阵的特征值是实数",这在逻辑上有问题:按特征值定义,它本来就应当属于基域(此处为 \(\mathbb{R}\)),虚根不能称为"特征值"。正确表述是:"特征多项式的每个复根都是实数"——先承认可能出虚根,再证它们其实是实数。
证明:利用复共轭 + 转置两招

思路:设 \(\lambda_0\) 是 \(A\) 的一个复根(即复数域上的特征值),证明 \(\overline{\lambda_0}=\lambda_0\),从而 \(\lambda_0\in\mathbb{R}\)。⏱ 06:00

第一步:利用实矩阵性质取共轭。因为 \(A\) 的元素都是实数,所以 \(\overline{A}=A\)。设 \(A\alpha=\lambda_0\alpha\)(\(\alpha\neq 0\) 是复列向量),两边取复共轭:

\[ A\overline{\alpha} = \overline{\lambda_0}\,\overline{\alpha}. \]

第二步:利用对称性取转置。对原方程 \(A\alpha=\lambda_0\alpha\) 两边取转置:

\[ \alpha^T A^T = \lambda_0\,\alpha^T \;\Longrightarrow\; \alpha^T A = \lambda_0\,\alpha^T \quad (\because A^T=A). \]

第三步:交叉相乘消去 \(A\)。左乘 \(\alpha^T\) 到第一步的共轭方程,右乘 \(\overline{\alpha}\) 到第二步的转置方程:

\[ \alpha^T A\,\overline{\alpha} = \lambda_0\,\alpha^T\overline{\alpha} = \overline{\lambda_0}\,\alpha^T\overline{\alpha}. \]

第四步:说明 \(\alpha^T\overline{\alpha}\neq 0\)。设 \(\alpha=(c_1,\dots,c_n)^T\),则

\[ \alpha^T\overline{\alpha} = \sum_{k=1}^{n} c_k\,\overline{c_k} = \sum_{k=1}^{n} |c_k|^2 > 0 \quad (\because \alpha\neq 0). \]

因此可两边约去 \(\alpha^T\overline{\alpha}\),得 \(\lambda_0=\overline{\lambda_0}\),即 \(\lambda_0\in\mathbb{R}\)。证毕。⏱ 15:00

结论推论 由于实对称矩阵的特征多项式是实系数 \(n\) 次多项式,由代数基本定理它在 \(\mathbb{C}\) 中必有 \(n\) 个根(计重数);又由定理 1,这些根全都是实数。因此实对称矩阵一定有 \(n\) 个实特征值(计重数)。⏱ 15:30

2不同特征值的特征向量正交 ⏱ 16:00

一般矩阵属于不同特征值的特征向量只是线性无关,而对称矩阵有更强的性质:

定理 2 · 不同特征值对应特征向量正交 设 \(A\) 是实对称矩阵,\(\lambda_1\neq\lambda_2\) 是两个不同的特征值,\(\alpha_1,\alpha_2\) 分别是属于 \(\lambda_1,\lambda_2\) 的特征向量,则
\[ (\alpha_1,\;\alpha_2) = 0. \]
证明(从对称变换角度)

将 \(A\) 视为 \(\mathbb{R}^n\)(标准内积)上的对称变换。已知 \(A\alpha_1=\lambda_1\alpha_1\),\(A\alpha_2=\lambda_2\alpha_2\),且 \(\lambda_1\neq\lambda_2\)。⏱ 19:00

考虑 \((A\alpha_1,\alpha_2)\),一方面:

\[ (A\alpha_1,\;\alpha_2) = (\lambda_1\alpha_1,\;\alpha_2) = \lambda_1(\alpha_1,\alpha_2). \]

另一方面,利用对称性 \((A\alpha_1,\alpha_2)=(\alpha_1,A\alpha_2)\):

\[ (\alpha_1,\;A\alpha_2) = (\alpha_1,\;\lambda_2\alpha_2) = \lambda_2(\alpha_1,\alpha_2). \]

两式相减:

\[ (\lambda_1-\lambda_2)(\alpha_1,\alpha_2) = 0. \]

因 \(\lambda_1\neq\lambda_2\),故 \((\alpha_1,\alpha_2)=0\),即 \(\alpha_1\perp\alpha_2\)。证毕。⏱ 21:00

两种证明视角 上述证明从对称变换角度(利用 \((A\alpha,\beta)=(\alpha,A\beta)\)),简洁直观。也可直接对实对称矩阵做纯矩阵运算证明(左乘 \(\alpha_1^T\),利用 \(A^T=A\)),两者完全等价。丘老师建议读者自己动手验证矩阵版本的证明。⏱ 22:00

3不变子空间的正交补仍是变换的不变子空间 ⏱ 22:30

这是整个谱定理证明中最关键的引理。

引理(命题 5)· 正交补不变性 设 \(A\) 是实内积空间 \(V\) 上的对称变换,\(W\) 是 \(A\) 的一个不变子空间(即 \(A(W)\subseteq W\)),则 \(W\) 的正交补\(W^\perp\) 也是 \(A\) 的不变子空间。
证明

任取 \(\beta\in W^\perp\),要证 \(A\beta\in W^\perp\),即对一切 \(\alpha\in W\) 有 \((A\beta,\alpha)=0\)。⏱ 23:50

因为 \(W\) 是不变子空间,\(\alpha\in W\Rightarrow A\alpha\in W\)。于是:

\[ (A\beta,\;\alpha) \stackrel{对称性}{=} (\beta,\;A\alpha). \]

由于 \(\beta\in W^\perp\) 且 \(A\alpha\in W\),故 \((\beta,A\alpha)=0\)。因此 \((A\beta,\alpha)=0\) 对所有 \(\alpha\in W\) 成立,即 \(A\beta\in W^\perp\)。证毕。⏱ 25:30

重要说明 此引理只在 \(A\) 是对称变换时成立。对一般线性变换,不变子空间的正交补不一定是不变子空间。丘老师强调这是对称变换特有的优良性质,是后续归纳法证明谱定理的核心工具。⏱ 26:10

★重点回顾

1
实对称矩阵特征值实数性:证明核心是利用 \(\overline{A}=A\)(实矩阵)和 \(A^T=A\)(对称)两条件,通过 \(\alpha^T A\overline{\alpha}\) 的两种算法推出 \(\lambda=\overline{\lambda}\)。
2
不同特征值特征向量正交:证明仅用 \((A\alpha_1,\alpha_2)=(\alpha_1,A\alpha_2)\) 和特征值定义,是内积技巧的典范应用。
3
正交补不变性:对称变换的不变子空间的正交补仍是不变子空间——这是谱定理归纳证明的桥梁。
4
表述精确性:"特征多项式的复根都是实数"而非"特征值是实数"——后者在逻辑上是循环论证。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 特征值定义域混淆:在 \(\mathbb{R}\) 上讨论时,特征值必须为实数;虚根不能叫"特征值"。必须先扩充到 \(\mathbb{C}\) 看根,再证其为实数。
  2. \(\alpha^T\overline{\alpha}=0\) 的误判:证明中约去 \(\alpha^T\overline{\alpha}\) 需先验证其非零。注意 \(\alpha^T\overline{\alpha}=\sum|c_k|^2>0\),不是 \(\alpha^*\alpha\)(那是共轭转置),在实矩阵情形两者一致。
  3. 正交性只对不同特征值:相同特征值的特征向量之间不一定正交,需要通过 Gram-Schmidt 正交化人为构造正交基。
  4. 正交补不变性不成立于一般变换:只有对称变换才具备此性质,不可推广到正交变换或其他变换。

✎自测与作业

  1. 验证矩阵 \(A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}\) 的特征值都是实数,并求出对应的特征向量,验证它们正交。
  2. 设 \(A\) 是实对称矩阵,\(\lambda\) 是特征值,\(\alpha\) 是对应特征向量。证明:对任意多项式 \(f(x)\),\(f(A)\alpha=f(\lambda)\alpha\)。
  3. (深化)用纯矩阵方法证明定理 2:设 \(A^T=A\),\(A\alpha_1=\lambda_1\alpha_1\),\(A\alpha_2=\lambda_2\alpha_2\),\(\lambda_1\neq\lambda_2\),证明 \(\alpha_1^T\alpha_2=0\)。(提示:考虑 \(\alpha_1^T A\alpha_2\) 的两种计算方式。)
  4. (思考)若 \(W\) 是实对称变换 \(A\) 的不变子空间,且 \(W\) 有一组标准正交基 \(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_k\),将其扩充为 \(V\) 的标准正交基 \(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n\),写出 \(A\) 在此基下的分块矩阵形式。
  5. (挑战)举一个非对称的实矩阵例子,验证它的不变子空间的正交补不一定是其不变子空间。
下一集预告 第 P138 集 · 十三:对称变换的正交相似对角化——利用数学归纳法证明谱定理:任意实对称矩阵都可正交相似对角化。