若论方阵最精华的本质,诚然非特征值莫属。特征值决定了矩阵所代表的线性变换的固有特性。特征值的绝对值 (或称向径) 表示线性变换的伸缩大小,特征值的幅角则表示旋转强弱 (见“解读复特征值”)。若 的所有特征值的绝对值小于 ,则幂矩阵 将随 增大而收敛至零矩阵 (见“收敛矩阵”)。若 的所有特征值的实部是负数,当 ,矩阵指数 趋于零矩阵 (见“线性微分方程的稳定性”)。透过对矩阵特征值的研究,不仅可以帮助我们了解矩阵的本质,还可以提供解读复杂动态系统行为的线索。本文探讨特征值的扰动分析,也就是在引入扰动的情况下 (如数值计算的舍入误差或来自线性系统外部的干扰),设法界定矩阵特征值的变化范围。我们将运用矩阵范数、对角化和三角化推导出两个特征值变异的上界[1]。

此即所求。补充解释 的由来:因为 是对角矩阵,不论何种 -范数都等于最大的主对角元绝对值。

若 是一个相对小的数,则 的特征值 较不易受到微扰而变动,也就是相对不敏感。但如果 相对地大,我们就必须抱持谨慎的态度。在此情形下,特征值变化的上界完全由微扰矩阵决定: ,所以特征值扰动分析通常仅针对非正规矩阵实施。

同样考虑 ,则 且 不可逆。类似先前的推导方式,

这个结果将留待稍后使用。接下来我们运用一些矩阵代数技巧化简。我们用一个例子比较两种方法得到的上界 (取自[1]):

这两个上界的差异在于 与 ,如果它们的数值偏大,纵使微小的扰动也可能引发特征值的巨大改变。见下例:

其中 的右上零分块是 阶。这个例子显示数量级为 的一个微扰元就能造成数量级为 的特征值改变量。