特征值绝对值均小于1的实方阵的范数不等式正确性疑问
最近碰到一道入学考试的判断题,我怎么想都有点绕不过来,想请教下大家:
判断题:假设$A$是$n$阶实方阵,所有特征值的绝对值都小于1,那么对任意$\boldsymbol{v} \in \mathbb{R}^n$,都有$|\boldsymbol{A}\boldsymbol{v}| \leq |\boldsymbol{v}|$。
题目给出的答案是错误,但我一开始完全想不通为什么。我的思路是:如果$\lambda$是$A$的特征值,对应的特征向量是$\boldsymbol{v}$,那$\boldsymbol{A}\boldsymbol{v} = \lambda\boldsymbol{v}$,所以$|\boldsymbol{A}\boldsymbol{v}| = |\lambda||\boldsymbol{v}|$,既然$|\lambda| < 1$,那$|\boldsymbol{A}\boldsymbol{v}| < |\boldsymbol{v}|$,这不满足$\leq$吗?难道是因为题目里特征值是小于1而不是小于等于1?
后来才反应过来,我犯了一个典型的错误——只考虑了特征向量的情况,却忽略了绝大多数非特征向量的存在!
举个简单的反例就明白了:比如取二阶矩阵$A = \begin{pmatrix} 0 & 2 \ 0 & 0 \end{pmatrix}$,它的特征值都是0(绝对值明显小于1),但如果我们取向量$\boldsymbol{v} = \begin{pmatrix} 0 \ 1 \end{pmatrix}$,计算一下$\boldsymbol{A}\boldsymbol{v} = \begin{pmatrix} 2 \ 0 \end{pmatrix}$,此时$|\boldsymbol{A}\boldsymbol{v}| = 2$,而$|\boldsymbol{v}| = 1$,显然$2 > 1$,直接违反了题目里的不等式。
这里的核心问题是:矩阵的谱半径(所有特征值绝对值的最大值)和它的算子范数(也就是$\sup_{\boldsymbol{v}\neq 0} \frac{|\boldsymbol{A}\boldsymbol{v}|}{|\boldsymbol{v}|}$,用来衡量矩阵对向量的“放大能力”)并不是一回事。谱半径是算子范数的下界,但算子范数可以远大于谱半径——就像上面的例子,谱半径是0,但算子范数是2。所以哪怕所有特征值绝对值都小于1,矩阵依然可能存在某个向量,把它放大到比原向量更长的程度。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者user_1729

