線代--矩陣的相似性

定義:如果矩陣A,B滿足 A = P^{-1}BP 則稱AB相似硅蹦。

相似性 可解釋為"不同視角下觀察相同的內(nèi)容得到的表現(xiàn)形式是相似的"(類比從同一方向不同遠(yuǎn)近觀察同一個物體怜浅,呈現(xiàn)的是形狀一樣但大小不一樣的畫面)。

在矩陣相似 A = P^{-1}BP中 爽醋,矩陣P代表觀察視角 蚁署, 也即P代表一個坐標(biāo)系【本質(zhì)是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣】,則A所代表的線性變換是在P坐標(biāo)系下觀察的B變換蚂四。本質(zhì)是在不同坐標(biāo)系下觀察相同的變換但得到的矩陣的表觀內(nèi)容是不一樣的光戈。

A = P^{-1}BP 的幾何定義說明:
對于一個P坐標(biāo)系的向量[\vec x]_P應(yīng)用變換A就有:\ \ \ A*[\vec x]_P = P^{-1}BP*[\vec x]_P
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \根據(jù)坐標(biāo)變換可知:P*[\vec x]_P是將P坐標(biāo)系的向量[\vec x]_P轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下[\vec x]_\varepsilon = P*[\vec x]_P進(jìn)行描述;
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \therefore BP*[\vec x]_P \rightarrow B[\vec x]_\varepsilon表示對在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下的向量[\vec x]_\varepsilon進(jìn)行B變換遂赠;
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \根據(jù)坐標(biāo)變換可知:P^{-1} [\vec x]_{\varepsilon}表示將標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下的向量[\vec x]_{\varepsilon}轉(zhuǎn)換到P坐標(biāo)系下進(jìn)行描述為[\vec x]_{P}久妆;
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \therefore P^{-1}BP[\vec x]_{P}=P^{-1}*B[\vec x]_\varepsilon描述的是將標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下B變換后的向量[\vec x]_\varepsilon變換回P坐標(biāo)系下,等價了在P坐標(biāo)系下應(yīng)用了A變換的向量[\vec x]_P跷睦。因此定義了變換矩陣AB的相似筷弦,也即A,B表征了同一種變換抑诸,這里的B變換矩陣是標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下\varepsilon下描述的烂琴,而A變換矩陣是在P坐標(biāo)系下描述的,從而A變換解釋為是在P坐標(biāo)系下描述的B變換矩陣蜕乡。

等式變形A = P^{-1}BP \rightarrow B = PAP^{-1}
A = P^{-1}BP 是對夾在P奸绷,P^{-1}之外的A變換矩陣在P坐標(biāo)系下進(jìn)行描述;
B = PAP^{-1} 是對夾在P层玲,P^{-1}之內(nèi)的A變換矩陣在P坐標(biāo)系下進(jìn)行描述健盒。

特征方程與矩陣相似

矩陣相似背后的重要特征: AB矩陣如果表征相同的變換,那么它們的特征方程相同称簿,特征值一樣!** 所以說,特征方程和特征值標(biāo)識的是矩陣所代表的變換的特征惰帽,不同的坐標(biāo)系下矩陣的描述可能會改變憨降,但是矩陣所表示的變換不變。
證明:
\ \ \ \ \ \because \det(A -\lambda I) = \det (P^{-1}BP - \lambda I)
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \det (P^{-1}BP - \lambda P^{-1}P)
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \det (P^{-1}(B - \lambda I)P)
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \det (P^{-1}) * \det (B - \lambda I) *\det (P)
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \det (B - \lambda I)*\det (P^{-1})\det (P)
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \det (B - \lambda I)*\det (P^{-1}P) ###參考行列式計算
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \det (B - \lambda I)

\ \ \ \ \ \therefore \det(A -\lambda I) = \det (B - \lambda I) 從而當(dāng)AB矩陣相似该酗,其特征方程是一樣的授药。
在不同坐標(biāo)系下觀察的表現(xiàn)形式不同但表征相同變換的矩陣的相似性被其特征值所表征士嚎。

引出問題:觀測一個對象可以從任意視角進(jìn)行觀察,那么在這些視角中悔叽,就會存在一個最佳視角莱衩,從這個視角進(jìn)行觀察可以更容易的對觀察對象進(jìn)行描述以及方便計算。

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