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矩阵特征值:方阵定义、2×2计算与稀疏迭代

转置和旋转是坐标操作,特征值是Ax=λx的谱问题。

题目重点:转置和旋转是坐标操作,特征值是Ax=λx的谱问题。

题意与假设

这道练习题保留了面经中值得训练的核心约束,并将需要澄清的条件单独列出。现场拿到变体时,先和面试官确认这些条件。

  • 训练实数方阵A,特征值允许复数;非方阵没有同一标准特征值定义,可讨论奇异值而不能悄悄替换。
  • 3D tensor未指定算子、展开方式或张量特征值定义,不能给唯一答案。近似精度、是否只要最大模及对称性另需明确。

解题路线

  1. 2×2特征多项式λ²−tr(A)λ+det(A),根=(tr±sqrt(tr²−4det))/2。判别式负则共轭复根,不能因实数输入就拒绝。
  2. 一般稠密矩阵通过成熟数值库的分解,不直接展开高阶det求根。对称矩阵有实谱和稳定正交基;非对称/非正规矩阵的敏感性与收敛要另分析。
  3. 稀疏仅求少数极值可用矩阵向量乘迭代:power要求主模特征值分离及非零初投影;Arnoldi/Lanczos用于适当合同。保留nnz存储不保证迭代步数小,以残差||Av−λv||与目标误差评估。

手动走一遍

[[2,1],[1,2]],tr4/det3,特征值3与1。[[0,−1],[1,0]]特征值±i。A=diag(−3,2),power按模趋向−3,不是数值最大的2;要求最大代数值应改方法。

规模与取舍

2×2固定算术;一般稠密分解常见O(n³)时间/O(n²)空间,稀疏单matvec O(nnz)、k步O(k·nnz),收敛步数不是固定常数。

易错点与追问

容易失分的边界

  • 把旋转矩阵的旋转角当唯一实特征值。
  • rank/trace/determinant不是完整谱,虽然trace等于特征值代数和。

继续深挖

  • 重特征值或接近相等模时power为何慢或失败?
  • 非对称矩阵残差小为什么不一定意味前向误差同样小?
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