網友JERRY留言:
已知 和
是二階方陣,怎麼找
使得
?
答曰:
我們先舉一些例子看會發生何種情況。若 ,其中
是單位矩陣,則任一可逆矩陣
皆為解,因為
。若
,則所有非零純量矩陣
,
,皆滿足要求,因為
。如果
使得
,則對於任何
,都有
。換句話說,當
是一致時 (即存在解),必有無窮多組解。另一方面,
是否可能無解?是的。例如,
,
,則
。針對任意二階方陣
和
,下面介紹兩種
的解法:線性方程與對角化。
線性方程
給定 ,左乘
,可得等價方程式
。令
。上式可表示為包含四個未知數
的線性聯立方程組,解出該方程組即得
。我用一個例子解釋計算程序。考慮
,
代入上述方程式等號兩邊,乘開可得,
。
上面兩矩陣相等,即有
或以矩陣形式表示為
。
下一步要解出這個齊次方程式。使用高斯消去法化簡係數矩陣,過程如下:
我們得到等價的齊次方程組:
解出 ,其中
是任意參數。所求矩陣即為
,
但 必須是可逆矩陣,
。
上式指出 且
,加入這兩個條件,所有符合所求的
都找齊了。
表面上,以線性方程解 相當簡易,但不幸地,此法很難推廣至更高階矩陣。對於相同形式的三階矩陣問題,
包含
個未知數,也就是說,我們要解
階係數矩陣描述的線性方程組!
對角化
數學家發現 是一個重要的等式,滿足此式的
和
具備許多相同的性質,我們說
相似於
,聯繫兩者的
則稱為相似變換矩陣。相似是一種等價關係 (見“相似變換下的不變性質”),包含三個性質:(1) 反身性:
相似於
;(2) 對稱性:若
相似於
,則
相似於
;(3) 傳遞性:若
相似於
且
相似於
,則
相似於
。如果我們在相似矩陣家族中挑出一個矩陣作為該家族的代表,並主張每一相似家族存在唯一的代表,則不同的相似家族有不同的代表。如此一來,藉由檢查
所屬的相似家族代表是否與
所屬的家族代表相同,即可判斷
是否相似於
。對角化可以讓我們實現這個構想。對角化與矩陣的特徵值和特徵向量有關,詳細介紹請見“可對角化矩陣與缺陷矩陣的判定”。
當 階矩陣
和
可對角化且
相似於
時,它們同屬於一相似家族,此家族的代表為一對角矩陣
,其中
是家族成員擁有的共同特徵值。所謂對角化是指存在可逆矩陣
和
使得
且
。藉由家族代表
的媒介,
。上式左乘
,右乘
,可得
。比較
,即知
與
之間的相似變換矩陣為
。(相關討論見“如何檢查兩矩陣是否相似”。)
沿用前例說明計算過程。將二階矩陣 和
分別對角化為
和
,結果如下:
。
請注意, 和
並不是唯一的。實際上,
和
的每行可以乘以任何非零數 (
和
也隨之改變)。設
,則有
。
將此 矩陣與線性方程所得的
相比較,
且
,可知兩矩陣的表達雖然不同,但它們描述相同的矩陣集合。
最後還有一個問題要釐清。當 和
不可對角化時,那又如何?在此情況下,
和
同屬一個相似家族,惟其代表不是對角矩陣,但型態近似,我們稱之為 Jordan 形式。這是線性代數的進階課題,有興趣進一步瞭解的讀者請參閱“Jordan 典型形式專題”。