数学基础 · 附录 B 线性代数要点 · B2

实对称矩阵的正交对角化

Orthogonal Diagonalization of Real Symmetric Matrices
已完成速查更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

这是全书最常用的线性代数结果。正文用到它的地方:简正模(§P1.3、§6.5、§10.4);转动惯量的主轴(§P1.5);近自由电子模型中的能隙(§11.4);一维伊辛模型的转移矩阵(§18.2);多元高斯涨落(§22.1)。它们的共同点是:把一个"各分量互相耦合"的问题,换到一组新坐标中,变成"各分量互不相干"的问题。

§B2.1本征值与本征向量

若非零向量 v\mathbf v 满足

Av=λv(B2.1)A\mathbf v = \lambda\mathbf v \tag{B2.1}

则称 v\mathbf v 为矩阵 AA 的本征向量,λ\lambda 为相应的本征值。几何意义:AA 作用在 v\mathbf v 上,只是把它沿所在的直线伸缩 λ\lambda 倍(λ<0\lambda<0 时还反向),而不把它转到别的方向。

(B2.1) 即 (A−λI)v=0(A - \lambda I)\mathbf v = 0。它有非零解的充要条件是

det⁡(A−λI)=0(B2.2)\det(A - \lambda I) = 0 \tag{B2.2}

(附录 B3:齐次线性方程组有非零解当且仅当系数行列式为零。)(B2.2) 是 λ\lambda 的 nn 次多项式方程,称为特征方程,有 nn 个根(可能是复数、可能重复)。求出 λ\lambda 后,再解 (A−λI)v=0(A - \lambda I)\mathbf v = 0 得到本征向量(只确定到一个常数因子,通常归一化为单位长度)。

2×22\times2 的情形。对 A=(abcd)A = \begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix},(B2.2) 为 (a−λ)(d−λ)−bc=0(a - \lambda)(d - \lambda) - bc = 0,

λ±=a+d2±(a−d2)2+bc(B2.3)\lambda_\pm = \frac{a+d}{2}\pm\sqrt{\left(\frac{a-d}{2}\right)^2 + bc} \tag{B2.3}

两个有用的检验:λ++λ−=a+d=Tr A\lambda_+ + \lambda_- = a + d = \mathrm{Tr}\,A(迹),λ+λ−=ad−bc=det⁡A\lambda_+\lambda_- = ad - bc = \det A。(一般地,本征值之和等于迹,之积等于行列式。)

例:A=(2112)A = \begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}。λ=2±1\lambda = 2\pm1,即 33 与 11。λ=3\lambda = 3:(A−3I)v=0(A - 3I)\mathbf v = 0 给出 −v1+v2=0-v_1 + v_2 = 0,v=(1,1)/2\mathbf v = (1,1)/\sqrt2;λ=1\lambda = 1:v=(1,−1)/2\mathbf v = (1,-1)/\sqrt2。两个本征向量正交——这不是巧合。

§B2.2实对称矩阵:本征值为实数,本征向量相互正交

设 AA 是实对称矩阵(AT=AA^{\mathsf T} = A,元素为实数)。

(i) 本征值都是实数。设 Av=λvA\mathbf v = \lambda\mathbf v,v\mathbf v 可能是复向量。左乘 v∗T\mathbf v^{\ast\mathsf T}(共轭转置):v∗TAv=λ v∗Tv\mathbf v^{\ast\mathsf T}A\mathbf v = \lambda\,\mathbf v^{\ast\mathsf T}\mathbf v。右边的 v∗Tv=∑i∣vi∣2>0\mathbf v^{\ast\mathsf T}\mathbf v = \sum_i\lvert v_i\rvert^2>0 是实数。左边也是实数:它的共轭等于 vTAv∗\mathbf v^{\mathsf T}A\mathbf v^\ast(AA 是实矩阵),这是一个数,等于它自己的转置 v∗TATv=v∗TAv\mathbf v^{\ast\mathsf T}A^{\mathsf T}\mathbf v = \mathbf v^{\ast\mathsf T}A\mathbf v。所以 λ\lambda 是实数,相应的本征向量也可以取为实向量。

(ii) 不同本征值的本征向量相互正交。设 Av1=λ1v1A\mathbf v_1 = \lambda_1\mathbf v_1,Av2=λ2v2A\mathbf v_2 = \lambda_2\mathbf v_2,λ1≠λ2\lambda_1\ne\lambda_2。计算 v2TAv1\mathbf v_2^{\mathsf T}A\mathbf v_1 的两种方法:直接用第一式得 λ1 v2⋅v1\lambda_1\,\mathbf v_2\cdot\mathbf v_1;先把 AA 作用到左边(v2TA=(ATv2)T=(Av2)T\mathbf v_2^{\mathsf T}A = (A^{\mathsf T}\mathbf v_2)^{\mathsf T} = (A\mathbf v_2)^{\mathsf T})得 λ2 v2⋅v1\lambda_2\,\mathbf v_2\cdot\mathbf v_1。相减:(λ1−λ2) v1⋅v2=0(\lambda_1 - \lambda_2)\,\mathbf v_1\cdot\mathbf v_2 = 0,所以 v1⋅v2=0\mathbf v_1\cdot\mathbf v_2 = 0。

简并的情形:若某个本征值有多个线性无关的本征向量(简并),它们张成一个子空间,其中任意向量都是本征向量;可以在这个子空间中选一组相互正交的基(格拉姆–施密特正交化:逐个减去在已选向量上的投影,再归一化)。

§B2.3谱定理:正交对角化

定理:实对称矩阵 AA 有 nn 个相互正交的单位本征向量 v1,…,vn\mathbf v_1,\dots,\mathbf v_n。以它们为列组成矩阵 O=(v1,…,vn)O = (\mathbf v_1,\dots,\mathbf v_n),则

OTO=I,A=OΛOT,Λ=diag(λ1,…,λn)(B2.4)O^{\mathsf T}O = I,\qquad A = O\Lambda O^{\mathsf T},\qquad \Lambda = \mathrm{diag}(\lambda_1,\dots,\lambda_n) \tag{B2.4}

证明思路(归纳法)。由 (i),特征方程至少有一个实根 λ1\lambda_1,取单位本征向量 v1\mathbf v_1。考虑与 v1\mathbf v_1 正交的 (n−1)(n-1) 维子空间 WW。AA 把 WW 映到自身:若 w⊥v1\mathbf w\perp\mathbf v_1,则 v1⋅Aw=(Av1)⋅w=λ1v1⋅w=0\mathbf v_1\cdot A\mathbf w = (A\mathbf v_1)\cdot\mathbf w = \lambda_1\mathbf v_1\cdot\mathbf w = 0。在 WW 中 AA 仍是对称的,对它重复同样的论证,得到 v2∈W\mathbf v_2\in W……如此进行 nn 次。最后,Ava=λavaA\mathbf v_a = \lambda_a\mathbf v_a 合起来写成 AO=OΛAO = O\Lambda;各列正交归一即 OTO=IO^{\mathsf T}O = I,所以 O−1=OTO^{-1} = O^{\mathsf T},A=OΛOTA = O\Lambda O^{\mathsf T}。□\square

正交矩阵。满足 OTO=IO^{\mathsf T}O = I 的矩阵称为正交矩阵。它保持长度与夹角:(Ox)⋅(Oy)=xTOTOy=x⋅y(O\mathbf x)\cdot(O\mathbf y) = \mathbf x^{\mathsf T}O^{\mathsf T}O\mathbf y = \mathbf x\cdot\mathbf y。几何上它是一个转动(可能附加一个反射),det⁡O=±1\det O = \pm1(附录 B3)。所以 (B2.4) 的含义是:换到以本征向量为坐标轴的(转动后的)坐标系中,AA 变成对角矩阵。

(B2.4) 也可以写成谱分解:

A=∑aλa vavaT(B2.5)A = \sum_a\lambda_a\,\mathbf v_a\mathbf v_a^{\mathsf T} \tag{B2.5}

其中 vavaT\mathbf v_a\mathbf v_a^{\mathsf T} 是向 va\mathbf v_a 方向投影的矩阵。

§B2.4二次型的主轴化与正定性判据

对二次型 Q=xTAxQ = \mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x,令 y=OTx\mathbf y = O^{\mathsf T}\mathbf x(即 x=Oy\mathbf x = O\mathbf y):

Q=yTOTAO y=yTΛy=∑aλaya2(B2.6)Q = \mathbf y^{\mathsf T}O^{\mathsf T}AO\,\mathbf y = \mathbf y^{\mathsf T}\Lambda\mathbf y = \sum_a\lambda_ay_a^2 \tag{B2.6}

交叉项全部消失。由此立即得到:AA 正定 ⟺ 所有本征值 λa>0\lambda_a>0;半正定 ⟺ 所有 λa≥0\lambda_a\ge0。二维中 Q=1Q = 1 是一个椭圆,主轴沿本征向量方向,半轴长 1/λa1/\sqrt{\lambda_a}——"主轴化"的名称由此而来。2×22\times2 时,由迹与行列式:两个本征值都为正 ⟺ det⁡A>0\det A>0 且 A11>0A_{11}>0(与 §A3.5 的极值判据相同)。

例 1:简正模(§P1.3、§6.5)。NN 个原子在平衡位置附近做小振动,取质量加权坐标 wi=miuiw_i = \sqrt{m_i}u_i,则

H=12∑iw˙i2+12wTDw\mathcal H = \frac12\sum_i\dot w_i^2 + \frac12\mathbf w^{\mathsf T}D\mathbf w

DD 是实对称矩阵。令 Q=OTw\mathbf Q = O^{\mathsf T}\mathbf w:势能变为 12∑aλaQa2\frac12\sum_a\lambda_aQ_a^2,而动能 12∑w˙i2=12∣w˙∣2=12∣Q˙∣2\frac12\sum\dot w_i^2 = \frac12\lvert\dot{\mathbf w}\rvert^2 = \frac12\lvert\dot{\mathbf Q}\rvert^2 因为 OO 保持长度而形式不变。于是 H=∑a(12Q˙a2+12λaQa2)\mathcal H = \sum_a\left(\frac12\dot Q_a^2 + \frac12\lambda_aQ_a^2\right):3N3N 个独立的谐振子,频率 ωa=λa\omega_a = \sqrt{\lambda_a}。(这就是为什么要先做质量加权:只有动能是"单位矩阵"时,正交变换才能同时保持动能的形式。)稳定平衡要求 DD 半正定,所有 ωa2≥0\omega_a^2\ge0。

例 2:转动惯量张量的主轴(§P1.5)。II 是实对称矩阵,在主轴坐标系中 I=diag(I1,I2,I3)I = \mathrm{diag}(I_1,I_2,I_3),转动动能 12∑aIaωa2\frac12\sum_aI_a\omega_a^2。

例 3:能级排斥(§11.4)。H=(ε1UUε2)H = \begin{pmatrix}\varepsilon_1 & U\\ U & \varepsilon_2\end{pmatrix},由 (B2.3):

ε±=ε1+ε22±(ε1−ε22)2+U2\varepsilon_\pm = \frac{\varepsilon_1 + \varepsilon_2}{2}\pm\sqrt{\left(\frac{\varepsilon_1 - \varepsilon_2}{2}\right)^2 + U^2}

两个本征值之差至少为 2∣U∣2\lvert U\rvert:只要耦合 U≠0U\ne0,两条能级(作为某个参数的函数)就不会相交,而是在 ε1=ε2\varepsilon_1 = \varepsilon_2 处"排斥"开,留下一个宽 2∣U∣2\lvert U\rvert 的能隙——这就是布里渊区边界处能隙的来源 (11.8)。在 ε1=ε2\varepsilon_1 = \varepsilon_2 处本征向量是 (1,±1)/2(1,\pm1)/\sqrt2:两个平面波的等量叠加,即驻波。

§B2.5多元高斯积分

设 AA 是 n×nn\times n 实对称正定矩阵。则

∫e−12xTAx dnx=(2π)n/2det⁡A(B2.7)\int e^{-\frac12\mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x}\,d^nx = \frac{(2\pi)^{n/2}}{\sqrt{\det A}} \tag{B2.7}

证明:换元 x=Oy\mathbf x = O\mathbf y,雅可比行列式 ∣det⁡O∣=1\lvert\det O\rvert = 1(附录 A6、B3)。由 (B2.6),被积函数变成 ∏ae−λaya2/2\prod_ae^{-\lambda_ay_a^2/2},积分分解为 nn 个一维高斯积分之积 (A6.1),每个等于 2π/λa\sqrt{2\pi/\lambda_a}(由 (2.3))。最后 ∏aλa=det⁡Λ=det⁡A\prod_a\lambda_a = \det\Lambda = \det A(附录 B3)。□\square

加一个线性项。对 ∫e−12xTAx+bTxdnx\int e^{-\frac12\mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x + \mathbf b^{\mathsf T}\mathbf x}d^nx,配方:令 x=A−1b+z\mathbf x = A^{-1}\mathbf b + \mathbf z,则 −12xTAx+bTx=−12zTAz+12bTA−1b-\frac12\mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x + \mathbf b^{\mathsf T}\mathbf x = -\frac12\mathbf z^{\mathsf T}A\mathbf z + \frac12\mathbf b^{\mathsf T}A^{-1}\mathbf b(交叉项相消,用了 AA 对称),平移不改变积分,所以

∫e−12xTAx+bTx dnx=(2π)n/2det⁡A e12bTA−1b(B2.8)\int e^{-\frac12\mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x + \mathbf b^{\mathsf T}\mathbf x}\,d^nx = \frac{(2\pi)^{n/2}}{\sqrt{\det A}}\,e^{\frac12\mathbf b^{\mathsf T}A^{-1}\mathbf b} \tag{B2.8}

这是 (A7.5) 的多元版本。

协方差矩阵。以 p(x)∝e−12xTAxp(\mathbf x)\propto e^{-\frac12\mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x} 为概率密度,把 (B2.8) 除以 b=0\mathbf b = 0 时的值,得 ⟨ebTx⟩=e12bTA−1b\langle e^{\mathbf b^{\mathsf T}\mathbf x}\rangle = e^{\frac12\mathbf b^{\mathsf T}A^{-1}\mathbf b}。对 bib_i、bjb_j 各求一次导再令 b=0\mathbf b = 0(附录 A7 的技巧):

⟨xixj⟩=(A−1)ij(B2.9)\langle x_ix_j\rangle = (A^{-1})_{ij} \tag{B2.9}

二次型的矩阵的逆,就是协方差矩阵。 §22.1 中多变量涨落 P∝exp⁡[−δxTA δx/(2kB)]P\propto\exp[-\delta\mathbf x^{\mathsf T}A\,\delta\mathbf x/(2k_{\mathrm B})] 给出 ⟨δx δxT⟩=kBA−1\langle\delta\mathbf x\,\delta\mathbf x^{\mathsf T}\rangle = k_{\mathrm B}A^{-1},就是 (B2.9)(把 AA 换成 A/kBA/k_{\mathrm B})。在本征坐标中这一点一目了然:yay_a 相互独立,⟨yayb⟩=δab/λa\langle y_ay_b\rangle = \delta_{ab}/\lambda_a——"硬"的方向(λa\lambda_a 大)涨落小,"软"的方向涨落大;临界点处某个 λa→0\lambda_a\to0,相应的涨落发散。

§B2.6矩阵的函数与转移矩阵

由 (B2.4),A2=OΛOTOΛOT=OΛ2OTA^2 = O\Lambda O^{\mathsf T}O\Lambda O^{\mathsf T} = O\Lambda^2O^{\mathsf T},一般地 AN=OΛNOTA^N = O\Lambda^NO^{\mathsf T}。对任何可以展开成幂级数的函数,

f(A)=O diag(f(λ1),…,f(λn)) OT(B2.10)f(A) = O\,\mathrm{diag}\big(f(\lambda_1),\dots,f(\lambda_n)\big)\,O^{\mathsf T} \tag{B2.10}

例如 eAt=O diag(eλat) OTe^{At} = O\,\mathrm{diag}(e^{\lambda_at})\,O^{\mathsf T} 就是线性方程组 x˙=Ax\dot{\mathbf x} = A\mathbf x 的解算子(§A13.6)。

转移矩阵(§18.2)。一维伊辛模型的配分函数 Z=Tr TNZ = \mathrm{Tr}\,T^N,TT 是 2×22\times2 实对称矩阵。由 (B2.10) 与迹的循环性质(Tr ABC=Tr CAB\mathrm{Tr}\,ABC = \mathrm{Tr}\,CAB,附录 B4):

Z=Tr(OΛNOT)=Tr(ΛNOTO)=λ+N+λ−NZ = \mathrm{Tr}\left(O\Lambda^NO^{\mathsf T}\right) = \mathrm{Tr}\left(\Lambda^NO^{\mathsf T}O\right) = \lambda_+^N + \lambda_-^N

N→∞N\to\infty 时只有最大本征值重要:ln⁡Z≈Nln⁡λ+\ln Z\approx N\ln\lambda_+,修正为 (λ−/λ+)N(\lambda_-/\lambda_+)^N,指数地小。(连通)关联函数则由两个本征值之比决定,⟨sisi+r⟩−m2∝(λ−/λ+)r\langle s_is_{i+r}\rangle - m^2\propto(\lambda_-/\lambda_+)^r,所以关联长度 ξ=1/ln⁡(λ+/λ−)\xi = 1/\ln(\lambda_+/\lambda_-);零场时 λ±=2cosh⁡βJ, 2sinh⁡βJ\lambda_\pm = 2\cosh\beta J,\ 2\sinh\beta J,比值为 tanh⁡βJ\tanh\beta J,正是 (18.9)。热力学由最大本征值决定,关联长度由最大的两个本征值之比决定——只要最大本征值不简并,这一结论对转移矩阵方法普遍成立。

§B2.7平移不变性与平面波:循环矩阵

若矩阵元只依赖于指标之差,Anm=c(n−m)A_{nm} = c(n - m)(指标按周期性边界条件理解,即模 NN),则称 AA 为循环矩阵。它描述"环上的平移不变的耦合"。平面波总是它的本征向量:令 (vk)n=eikna(\mathbf v_k)_n = e^{ikna}(k=2πm/(Na)k = 2\pi m/(Na)),

∑mc(n−m)eikma=∑lc(l)eik(n−l)a=eikna∑lc(l)e−ikla\sum_mc(n - m)e^{ikma} = \sum_lc(l)e^{ik(n-l)a} = e^{ikna}\sum_lc(l)e^{-ikla}

(令 l=n−ml = n - m。)所以本征值为 λ(k)=∑lc(l)e−ikla\lambda(k) = \sum_lc(l)e^{-ikla}——耦合函数的傅里叶变换。这就是 §10.4 的论证:一维链的动力学矩阵 D(0)=2K/MD(0) = 2K/M,D(±1)=−K/MD(\pm1) = -K/M,本征值 ω2(k)=2KM−KM(eika+e−ika)=4KMsin⁡2ka2\omega^2(k) = \frac{2K}{M} - \frac KM(e^{ika} + e^{-ika}) = \frac{4K}{M}\sin^2\frac{ka}{2},即 (10.7)。平移对称性决定了本征向量(平面波),具体的相互作用只决定本征值(色散关系)。在三维晶格中,同样的道理给出布洛赫定理(§11.3):周期势中的本征态可以按平移的本征值 eik⋅Re^{i\mathbf k\cdot\mathbf R} 分类。

对实对称的循环矩阵(c(l)=c(−l)c(l) = c(-l) 为实数),λ(k)=λ(−k)\lambda(k) = \lambda(-k) 是实数,e±iknae^{\pm ikna} 是简并的一对;需要实的本征向量时取它们的组合 cos⁡kna\cos kna、sin⁡kna\sin kna。

自测题

  1. 求 (1221)\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix} 的本征值与归一化本征向量,并写出 OO,验证 OTAOO^{\mathsf T}AO 为对角矩阵。[答:33,(1,1)/2(1,1)/\sqrt2;−1-1,(1,−1)/2(1,-1)/\sqrt2。]
  2. 用 (B2.7) 计算 ∬e−(x2+xy+y2)dx dy\iint e^{-(x^2 + xy + y^2)}dx\,dy。[答:12xTAx=x2+xy+y2\frac12\mathbf x^{\mathsf T}A\mathbf x = x^2 + xy + y^2 给出 A=(2112)A = \begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix},det⁡A=3\det A = 3,积分 =2π/3= 2\pi/\sqrt3,与附录 A6 的自测题 3 一致。]
  3. 对上题的分布 p∝e−(x2+xy+y2)p\propto e^{-(x^2 + xy + y^2)},求 ⟨x2⟩\langle x^2\rangle 与 ⟨xy⟩\langle xy\rangle。[答:A−1=13(2−1−12)A^{-1} = \frac13\begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix},⟨x2⟩=2/3\langle x^2\rangle = 2/3,⟨xy⟩=−1/3\langle xy\rangle = -1/3。]
  4. 求 3×33\times3 循环矩阵 (2−1−1−12−1−1−12)\begin{pmatrix}2&-1&-1\\-1&2&-1\\-1&-1&2\end{pmatrix} 的本征值。[答:λ(k)=2−2cos⁡(2πm/3)\lambda(k) = 2 - 2\cos(2\pi m/3),m=0,1,2m = 0,1,2:0,3,30,3,3。本征值 0 对应整体平移 (1,1,1)(1,1,1)。]
  5. 证明:若 AA 实对称且正定,则 A−1A^{-1} 也正定。[提示:本征值为 1/λa1/\lambda_a。]