線性常微分方程組

重複特徵值情形(repeated eigenvalues case)

特徵值方法需要 n 個獨立解,但有時一個重複的特徵值很貪心,它佔了兩個名額,卻只提供一個特徵向量。你少了一個解,而乾淨的公式 e^(lambda t) v 補不上這個缺口。這正是需要一個真正全新想法的情形。

假設 lambda 是一個二重特徵值,但 A 對它只有一個特徵向量 v。一個解仍是 e^(lambda t) v。仿照二階重根情形(其中第二個解多了一個 t 因子),你試 x(t) = t e^(lambda t) v + e^(lambda t) w。代入 x' = A x,迫使 w 滿足一個條件:(A - lambda I) w = v。一個解出此式的向量 w 就是廣義特徵向量,它不是特徵向量,但對它施以 (A - lambda I) 會落到真正的特徵向量 v 上。第二個解於是是 e^(lambda t) (t v + w),與 e^(lambda t) v 一起補全了基本解組。對更高的重數,你建一條更長的鏈 w_1、w_2、…,每個都被 (A - lambda I) 映到前一個上,而解會帶上 t 的更高次冪。

誠實的微妙之處:重複的特徵值並不總是出問題。如果它恰好提供了與其重數一樣多的獨立特徵向量(非虧損、可對角化的情形),就不需要 t 因子,你按相異情形那樣進行即可。廣義特徵向量這套機制,只有在特徵向量不夠時才需要,也就是所謂的虧損情形。

A = [2, 1; 0, 2] 有二重特徵值 2,卻只有一個特徵向量 v = (1, 0)。解 (A - 2I) w = v:[0,1;0,0] w = (1,0) 給出 w = (0, 1)。解:e^(2t)(1,0) 與 e^(2t)(t(1,0) + (0,1)) = e^(2t)(t, 1)。

缺失的解靠一個 t 因子,以及一個滿足 (A - lambda I) w = v 的廣義特徵向量 w 來補救。

重複的特徵值只有在其獨立特徵向量少於其重數時才是虧損的。單位矩陣的特徵值 1 雖然重複卻完全非虧損,它以每個向量為特徵向量,不需要任何 t 項。

又稱
defective eigenvalue case重根情形