廣義特徵向量(generalized eigenvector)
一個普通的特徵向量是矩陣僅僅拉伸的一個方向,A v = lambda v,方向不變。但當一個重複的特徵值無法提供足夠多這樣的方向時,你需要幾乎是特徵向量的替身:它們以一點點之差不滿足那條方程,而那一點點本身就是一個真正的特徵向量。這些差一點點的向量,就是廣義特徵向量。
對特徵值 lambda,一個普通特徵向量滿足 (A - lambda I) v = 0。一個秩為 2 的廣義特徵向量,滿足較寬鬆的條件 (A - lambda I)^2 w = 0,而 (A - lambda I) w 不為零。關鍵結果是 (A - lambda I) w 恰好落在一個普通特徵向量 v 上,所以 w 在一條鏈上位於 v「後面」一步。更一般地,一個秩為 k 的廣義特徵向量被 (A - lambda I)^k 消滅,卻不被 (A - lambda I)^(k-1) 消滅,反覆施以 (A - lambda I) 會沿一條鏈把它走到一個真正的特徵向量。在秩為 2 的情形要找一個,你只需把已有的特徵向量取為 v,解線性方程組 (A - lambda I) w = v 求出 w。
廣義特徵向量的存在,正是為了修補特徵值方法中虧損(重複、特徵向量不足)的情形,它們正是產生帶 t 的解 e^(lambda t)(t v + w) 的那些向量。它們也是若爾當標準形的骨幹,其中每一條鏈成為一個若爾當塊。一言以蔽之:普通特徵向量用完時,廣義的補齊基底。
對 A = [3, 1; 0, 3],lambda = 3 有特徵向量 v = (1, 0)。一個廣義特徵向量解 (A - 3I) w = v:[0,1;0,0] w = (1, 0),所以 w = (0, 1)。驗證:(A - 3I)^2 w = 0,但 (A - 3I) w = (1,0) 不為零,秩為 2,符合要求。
解 (A - lambda I) w = v,使 w 成為位於真正特徵向量 v 上一階的廣義特徵向量。
廣義特徵向量不是特徵向量,它不滿足 A w = lambda w。忘了這點而把 w 當作普通特徵向量,會給出一個錯誤的第二解,那個解其實並不滿足方程組。