線性常微分方程組

特徵向量方向(eigenvector direction)

當你看著一個線性系統流動時,幾乎每個方向都隨時間被扭轉,一個指向某處的向量被拖去指向別處。但有少數方向很固執:流動只拉伸或縮短它們,從不旋轉它們。這些享有特權的方向,就是特徵向量方向,它們是方程組的自然座標軸。

特徵向量方向是由 A 的一個特徵向量 v 所張成、通過原點的直線,其中 A v = lambda v。沿這條線,矩陣的作用就像是單純乘以數 lambda,不與其他方向混合。這正是為什麼這條線在 x' = A x 的流動下是不變的:一個從它上面出發的解會留在它上面,按直線解 e^(lambda t) v 運動。特徵值的正負告訴你沿該方向的行為,向外(lambda > 0)、向內(lambda < 0)或凍結(lambda = 0),而相異的實特徵值給出各自的特徵方向,構成一個自然的座標系,在其中耦合的方程組分解成互相獨立的一維片段。

特徵向量方向是相平面的鷹架。它們標出你最先要畫的特殊直線,揭示在哪裡可以靠對角化來解耦,並把結點(特徵方向隨時間指向同一邊)與鞍點(一進一出)區分開來。一個有複特徵值的方程組沒有實特徵方向,這正是它的軌跡必然螺旋或繞圈、而不沿直線奔走的代數理由。

對 A = [2, 1; 1, 2],特徵向量 (1, 1)(lambda = 3)與 (1, -1)(lambda = 1)定義了兩個特徵方向。在 (1,1) 直線上解向外奔,在 (1,-1) 直線上增長較慢,兩者都向外,所以原點是一個結點。

特徵方向是不變直線;流動只沿它們拉伸,從不旋轉它們。

特徵向量沒有偏好的長度或正負:v、2v 與 -v 都沿同一特徵方向,給出同一條不變直線。在幾何上有意義的是方向,而非那個特定的向量。

又称
eigendirectioninvariant line特徵方向不變直線