Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое собственный вектор, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое собственный вектор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Линейная алгебра и аналитическая геометрия.
Со́бственный ве́ктор — понятие в линейной алгебре, определяемое для произвольного линейного оператора как ненулевой вектор, применение к которому оператора дает коллинеарный вектор — тот же вектор, умноженный на некоторое скалярное значение (которое может быть равно 0). Скаляр, на который умножается собственный вектор под действием оператора, называется собственным числом (или собственным значением) линейного оператора, соответствующим данному собственному вектору. Одним из представлений линейного оператора является квадратная матрица, поэтому собственные векторы и собственные значения часто определяются в контексте использования таких матриц .
Понятия собственного вектора и собственного числа являются одними из ключевых в линейной алгебре, на их основе строится множество конструкций. Это связано с тем, что многие соотношения, связанные с линейными операторами, существенно упрощаются в системе координат, построенной на базисе из собственных векторов оператора. Множество собственных значений линейного оператора (спектр оператора) характеризует важные свойства оператора без привязки к какой-либо конкретной системе координат. По этим причинам собственные векторы имеют важное прикладное значение. Так, например, собственные векторы часто встречаются в механике, квантовой теории и так далее. В частности, оператор проекции спина на произвольную ось имеет два собственных значения и соответствующие им собственные векторы.
Понятие линейного векторного пространства не ограничивается «чисто геометрическими» векторами и обобщается на разнообразные множества объектов, таких как пространства функций (в которых действуют линейные дифференциальные и интегральные операторы). Для такого рода пространств и операторов говорят о собственных функциях операторов.
Множество всех собственных векторов линейного оператора, соответствующих данному собственному числу, дополненное нулевым вектором, называется собственным подпространством этого оператора.
Поиск оптимальных алгоритмов вычисления собственных значений для заданного линейного оператора является одной из важных задач вычислительной математики.
Другая трансформация Джоконды. Синий вектор меняет направление, а красный — нет. Поэтому красный является собственным вектором, а синий — нет. Так как красный вектор ни растянулся, ни сжался, его собственное значение равно, как и на картинке выше, единице. Все векторы, коллинеарные красному, тоже собственные.
Собственным вектором линейного преобразования 
, где L
— линейное пространство над полем K
, называется такой ненулевой вектор 
, что для некоторого 
имеет место 
.
Собственным значением (собственным числом) линейного преобразования A называется такое число λ∈K , для которого существует собственный вектор, то есть уравнение Ax=λx имеет ненулевое решение .
Упрощенно говоря, собственный вектор — любой ненулевой вектор x , который отображается в коллинеарный ему вектор λx оператором A , а соответствующий скаляр λ называется собственным значением оператора.
Собственным подпространством (или характеристическим подпространством) линейного преобразования A
для данного собственного числа λ∈K (или отвечающим этому числу) называется множество всех собственных векторов , соответствующих данному собственному числу, дополненное нулевым вектором. Обозначим собственное подпространство, отвечающее собственному числу λ
, через Eλ
, а единичный оператор — через I
. По определению, собственное подпространство является ядром оператора A−λ⋅I,
то есть множеством векторов, отображаемых этим оператором в нулевой вектор:
.
Корневым вектором линейного преобразования A для данного собственного значения λ∈K называется такой ненулевой вектор x∈L , что для некоторого натурального числа m
имеет место:
.
Если m является наименьшим из таких натуральных чисел (то есть 
), то m называется высотой корневого вектора x
.
Корневым подпространством линейного преобразования A для данного собственного числа называется множество всех корневых векторов , соответствующих данному собственному числу, если это множество дополнить нулевым вектором. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Обозначим корневое подпространство, отвечающее собственному числу λ, через 
. По определению:
.
Синим цветом обозначен собственный вектор. Он, в отличие от красного, при деформации (преобразовании) не изменил направление, поэтому является собственным вектором этого преобразования, соответствующим некоторому собственному значению λ (здесь оно равно единице, так как вектор не изменил свою длину). Любой вектор, параллельный синему вектору, также будет собственным, соответствующим тому же собственному значению. Множество всех таких векторов (вместе с нулевым) образует собственное подпространство
Собственные значения обычно вводятся в контексте линейной алгебры, однако исторически они возникли при исследовании квадратичных форм и дифференциальных уравнений.
В XVIII веке Эйлер, изучая вращательное движение абсолютно твердого тела, обнаружил значимость главных осей, а Лагранж показал, что главные оси соответствуют собственным векторам матрицы инерции. В начале XIX века Коши использовал труды Эйлера и Лагранжа для классификации поверхностей второго порядка и обобщил результаты на высшие порядки. Коши также ввел термин «характеристический корень» (фр. racine caractéristique) для собственного значения. Этот термин сохранился в контексте характеристического многочлена матрицы .
В начале XX века Гильберт занимался исследованием собственных значений интегральных операторов, рассматривая последние как матрицы бесконечного размера . В 1904 году для обозначения собственных значений и собственных векторов Гильберт начал использовать термины eigenvalues и eigenvectors, основанные на немецком слове eigen (собственный) . Впоследствии эти термины перешли и в английский язык, заменив используемые ранее «proper value» и «proper vector» .
Подпространство 
называется инвариантным подпространством линейного преобразования A (A -инвариантным подпространством), если:
.
Собственные подпространства , корневые подпространства Vλ и подпространства 
линейного оператора A являются A -инвариантными.
Собственные векторы являются корневыми (высоты 1): λ
;
Корневые векторы могут не быть собственными: например, для преобразования двумерного пространства, заданного матрицей:
, и все векторы являются корневыми, соответствующими собственному числу 1 , но A имеет единственный собственный вектор (с точностью до умножения на число).
Для разных собственных значений корневые (и, следовательно, собственные) подпространства имеют тривиальное (нулевое) пересечение:
если 
.
Метод поиска собственных значений для самосопряженных операторов и поиска сингулярных чисел для нормального оператора дает теорема Куранта — Фишера.
Выбрав базис в n
-мерном линейном пространстве L , можно сопоставить линейному преобразованию квадратную n×n матрицу и определить для нее характеристический многочлен матрицы:
.
Характеристический многочлен не зависит от базиса в L . Его коэффициенты являются инвариантами оператора A . В частности, 
, an−1=trA
не зависят от выбора базиса.
Собственные значения, и только они, являются корнями характеристического многочлена матрицы. Количество различных собственных значений не может превышать размер матрицы. Если выбрать в качестве базисных векторов собственные векторы оператора, то матрица A в таком базисе станет диагональной, причем на диагонали будут стоять собственные значения оператора. Отметим, однако, что далеко не любая матрица допускает базис из собственных векторов (общая структура описывается нормальной жордановой формой). Для положительно определенной симметричной матрицы A процедура нахождения собственных значений и собственных векторов является не чем иным, как поиском направлений и длин полуосей соответствующего эллипса.
Если числовое поле алгебраически замкнуто (например, является полем комплексных чисел), то характеристический многочлен разлагается в произведение n линейных множителей:
,
где 
— собственные значения; некоторые из λi
могут быть равны. Кратность собственного значения — это число множителей, равных 
в разложении характеристического многочлена на линейные множители (называется также алгебраическая кратность собственного значения).
Размерность корневого пространства 
равна кратности собственного значения.
Векторное пространство L разлагается в прямую сумму корневых подпространств (по теореме о жордановой форме):
где суммирование производится по всем λi — собственным числам A.
Геометрическая кратность собственного значения λi — это размерность соответствующего собственного подпространства 
; геометрическая кратность собственного значения не превосходит его кратности, поскольку 
Все корневые векторы нормального оператора являются собственными. Собственные векторы нормального оператора A, соответствующие различным собственным значениям, ортогональны, то есть если Ax=λx , Ay=μy и λ≠μ , то (x,y)=0 (для произвольного оператора это неверно).
Все собственные значения самосопряженного оператора являются вещественными, антиэрмитового оператора — мнимыми, а все собственные значения унитарного оператора лежат на единичной окружности |λ|=1
.
В конечномерном случае сумма размерностей собственных подпространств нормального оператора 
, соответствующих всем собственным значениям, равна размерности матрицы, а векторное пространство разлагается в ортогональную сумму собственных подпространств:
,
где суммирование производится по всем λi — собственным числам A , а взаимно ортогональны для различных λi . Это свойство для нормального оператора над C в конечномерном случае является характеристическим: оператор нормален тогда и только тогда, когда его матрица имеет диагональный вид в каком-нибудь ортонормированном базисе.
Квадратная вещественная n×n матрица 
называется положительной, если все ее элементы положительны: 
.
Теорема Перрона (частный случай теоремы Перрона — Фробениуса): Положительная квадратная матрица A имеет положительное собственное значение r , которое имеет алгебраическую кратность 1 и строго превосходит абсолютную величину любого другого собственного значения этой матрицы. Собственному значению r соответствует собственный вектор 
, все координаты которого строго положительны. Вектор — единственный собственный вектор A (с точностью до умножения на число), имеющий неотрицательные координаты.
Собственный вектор может быть вычислен посредством прямых итераций: выбирается произвольный начальный вектор 
с положительными координатами, последующий элемент задается рекуррентной формулой:
,
получается последовательность 
, сходящаяся к нормированному собственному вектору 
.
Другая область применения метода прямых итераций — поиск собственных векторов положительно определенных симметричных операторов.
Неравенство Шура: для собственных значений 
матрицы 
:
,
причем равенство достигается тогда и только тогда, когда A — нормальная матрица .
Для собственных значений λ1,...,λn матрицы A=B+iC , где матрицы B,C — эрмитовы, имеет место:
и 
.
Для эрмитовых матриц 
и 
их собственные значения, упорядоченные в порядке возрастания: 
дают: 
при 
и γi
при i⩽j
.
Собственные лица как примеры собственных векторов
При обработке изображений обработанные изображения лиц можно рассматривать как векторы, компонентами которых являются яркости каждого пикселя . Размерность этого векторного пространства — это количество пикселей. Собственные векторы ковариационной матрицы , связанной с большим набором нормализованных изображений лиц, называются собственными лицами ; это пример анализа главных компонент . Они очень полезны для выражения любого изображения лица как линейной комбинации некоторых из них. В ветви биометрии распознавания лиц собственные лица предоставляют средство применения сжатия данных к лицам для целей идентификации . Также были проведены исследования, связанные с системами собственного зрения, определяющими жесты рук.
Подобно этой концепции, собственные голоса представляют собой общее направление изменчивости в человеческом произношении конкретного высказывания, например, слова в языке. На основе линейной комбинации таких собственных голосов может быть построено новое голосовое произношение слова. Эти концепции оказались полезными в системах автоматического распознавания речи для адаптации говорящего.
Исследование, описанное в статье про собственный вектор, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое собственный вектор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Линейная алгебра и аналитическая геометрия
Комментарии
Оставить комментарий
Линейная алгебра и аналитическая геометрия
Термины: Линейная алгебра и аналитическая геометрия