Приведение симметрической матрицы к диагональному виду
Доказано, что для всякого симметрического преобразования
евклидова пространства, существует базис из собственных векторов, по которому можно построить ортонормированный базис, в котором матрица преобразования будет иметь диагональный вид.
При этом матрица Т, приводящая симметрическую матрицу А к диагональному виду АД, есть матрица перехода от исходного ортонормированного базиса Б0 к ортонормированному базису из собственных векторов БСВ.
Алгоритм приведения симметрической матрицы к диагональному виду таков:
1) Найти собственные числа (корни характеристического уравнения) данной матрицы.
2) Построить ортонормированный базис БСВ из собственных векторов.
3) Составить матрицу Q, столбцами которой являются столбцы координат нормированных собственных векторов – эта матрица приводит данную симметрическую матрицу к диагональному виду.
4) Записать диагональную матрицу, на главной диагонали которой стоят собственные значения исходной матрицы (с учетом их кратности), расположенные в порядке нумерации векторов базиса БСВ из собственных векторов.
Рассмотрим пример.
Пример 7
Привести симметрическую матрицу
к диагональному виду.
Решение
Будем следовать сформулированному алгоритму.
1. Составим характеристическое уравнение
. Найдем его корни:
,
,
,
откуда
,
.
Собственные значения
и
различны, значит, соответствующие им собственные векторы ортогональны.
2. Найдем координаты собственных векторов из системы

При
получим систему 
Решая эту систему, находим
,
, откуда первый собственный вектор и1 =
, нормировав его, получим е1 =
.
При
получим систему 
Решая ее, находим
,
, тогда второй собственный вектор и2 =
, нормировав его, получим е2 =
.
Векторы {е1. е2} образуют базис БСВ.
3. Запишем о матрицу, приводящую матрицу А к диагональному виду:
Q =
.
4. Искомая диагональная матрица АД =
.
Определение 12
Преобразование
: Eп ® Eп называется ортогональным, если оно сохраняет скалярное произведение двух любых векторов х и у этого пространства, т.е. (
х,
у) = (х, у).
Свойства ортогональных преобразований:
1. Ортогональное преобразование является невырожденным.
2. Для каждого ортогонального преобразования существует обратное преобразование, являющееся ортогональным.
3. Произведение двух ортогональных преобразований есть ортогональное преобразование.
4. Ортогональное преобразование не меняет нормы вектора: ||
х|| = || х ||.
5. Ортогональное преобразование не меняет углов между векторами:
(
х,^
у) = ( х,^ у).
6. Ортогональное преобразование переводит ортонормированный базис в ортонормированный.
7. Матрица ортогонального преобразования в ортонормированном базисе является ортогональной, т.е.
. И наоборот, если в ортонормированном базисе матрица оператора – ортогональная, то этот оператор – ортогональный.
8. Собственные значения ортогонального преобразования по абсолютной величине равны 1.
Примерами ортогональных преобразований являются:
1) Преобразование поворота плоскости на угол j относительно начала координат, матрица которого в базисе Б0:
имеет вид
.
Действительно, пусть х= (х1, x2), у = (у1, у2), тогда
х =
,
у =
.
Тогда найдем скалярные произведения (х, у) и (
х,
у):
(х, у) =
,
(
х,
у) 


,
откуда (
х,
у) = (х, у), т.е. преобразование поворота плоскости на угол j – ортогональное.
2) Зеркальное отражение точек плоскости от оси ОХ, матрица этого преобразования в базисе Б0:
имеет вид
.
*) Докажите самостоятельно линейность этого преобразования и преобразования из пункта г).