目录
一. 特征值介绍
二. 单变量常微分方程
三. 利用矩阵解决微分方程问题
四. 小结
4.1 矩阵论
4.2 特征值与特征向量内涵
4.3 应用
一. 特征值介绍
线性代数有两大基础问题：
如果A为对角阵的话，那么问题就很好解决。需要注意的是，矩阵的基础行变换会改变特征值的大小。
在已知解的情况下，可以利用矩阵行列式解决问题。根据Cramer定则：
将以下矩阵的行列式看成一个多项式：
该多项式的根即为特征值。当矩阵维度较高时，这个方法就很难计算。
二. 单变量常微分方程
假定某函数为u(t)，其中t为自变量，满足如下微分方程：
回忆：
很容易求出该单变量常微分方程的解为：
当a大于0，函数无界（unstable）；当a等于0，函数为常函数（stable）；当a小于0时，函数趋近于0（stable）；
当a为复数时，如下：
实数部分的分析与以上类似。虚数部分则会产生振荡，如下：
三. 利用矩阵解决微分方程问题
给出以下常微分方程问题：
因为初始条件都是t=0，所以这类问题又被称之为初值问题（initial value problem），其中初值在这个地方指的就是8和5。
如果将t看成时间的话，该问题的本质则是寻找v(t)和w(t)，其中t大于0
一个常微分方程问题是怎么样跟矩阵联系在一起的呢？
首先，我们将两个未知的函数写成向量的形式，叫做u(t)，如下：
那么初始值则是u(0)，如下：
系数矩阵叫做A，如下：
那么原始的两个微分方程则可以合并成一个向量形式的微分方程，如下：
很明显这是一阶求导的方程，整个运算都是线性关系。系数均为常数结构，也就是矩阵A与时间t无关。
根据经验，v(t)和w(t)均为指数函数的结果，如果可以设两个函数的形式如下：
将两者合并为向量形式，如下：
很明显该结果满足我们想要的du/dt=Au的结构。将函数和带入原微分方程中，可得：
可以发现这两个方程都出现了，可以直接约简。这个时候最神奇的地方就出现了，当约简完后，你会发现：
这不就是特征值方程！形式如下：
该特征值方程A已知，和x未知。也就是为矩阵A的特征值，x为矩阵A的特征向量。接下来就可以直接利用我们熟悉的线性代数知识直接求解即可。
四. 小结
4.1 矩阵论
矩阵论是一个重要的数学分支，属于代数学范畴，需要抽象思维能力、数学建模能力以及科学计算能力。目前矩阵论的思想方法已经渗透到网络安全、经济管理以及军事学等各个领域，尤其是上世纪五六十年代以来，随着计算机科学技术的发展，网络工程、信息工程、测绘工程以及密码工程等各个专业都需要利用矩阵论课。矩阵论包括线性空间与线性变换、矩阵的范数理论、矩阵分析、矩阵分解、矩阵的特征值估计以及矩阵的广义逆等。
矩阵论有几个细节很重要，比如特征值理论、线性空间和线性变换、矩阵运算、多项式理论等，然后将其应用于行列式的计算、矩阵的初等变换以线性方程组解的判定和解的结构等。借助数值计算软件 matlab等，可以用来建立数学模型，然后构建算法，利用科学计算方法最终解决实际问题。
方阵的特征值与特征向量是一个重要的数学概念，在数据处理的统计方法、通信网络中的信息检索、图像压缩与恢复、机械振动等多个方面都有广泛的应用，例如，工程技术中的振动问题和稳定性问题，在数值上大都归结为矩阵的特征值与特征向量的问题。
4.2 特征值与特征向量内涵
矩阵的特征值和特征向量定义高度抽象，设 A 是 n 阶方阵，若存在数λ 和 n 维非零向量 x，使得 Ax = λx 成立，则称数λ 是方阵 A 的特征值，非零向量 x 为方阵 A 的特征向量。
这个时候可以引入谱分解定理。
设矩阵A可以做如下分解：
其中矩阵P的列是A的单位正交特征向量：
相应的特征值为:
可以将这n个特征值形成n阶的对角阵。因为矩阵P为单位正交矩阵，所以可得：
由此以上可得：
由上述定义可知，方阵的特征向量是经过矩阵变换后，保持方向不变，只是进行长度扩大或者缩小的向量，而特征值反映了特征向量在矩阵变换时的扩大或者缩小的倍数。结合谱分解定理可得，一个方阵完全可以由它的特征向量表示，特征值即是方阵在对应特征方向上的贡献率大小，即一个方阵可由特征值与特征向量组成的“特征”来表示，特征向量的几何直观如图 下所示：
4.3 应用
矩阵的各种分解形式为矩阵的科学计算提供了强有力的理论支撑，通过矩阵分解可以达到对矩阵进行降维的目的，从而减小内存量，简化运算。这时特征值与特征向量可以应用于图像压缩技术。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-802180.html
假定一幅图像有 m*n个像素，如果将这 mn 个数据一起传送，往往数据量会很大。因此，我们考虑在信息的发送端传送比较少的数据，并且在接收端利用这些传送数据对图像进行重构。这就是图像压缩的最初想法，不过图像压缩要求较高的压缩比，同时不产生失真。矩阵的奇异值分解可以将任意一个矩阵和一个只包含几个(非零)奇异值的矩阵对应。把“大”的矩阵对应到“小”的矩阵，这就产生了“压缩”的思想，并且利用矩阵的计算可以恢复压缩前的数据。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-802180.html
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