线性代数学习笔记第五章,参考教材为《Linear Algebra Done Right》。
5.A 不变子空间
- 定义
设T∈L(V),称V的子空间U在T下不变,如果∀u∈U, Tu=U.
也就是说,U在T下不变当且仅当T∣U是U上的算子.
本征值和本征向量
首先研究一维不变子空间.任取v∈V,v=0并设U是v的标量倍构成的集合:
U={λv:λ=F}
则U是V的一维子空间.
若U在算子T∈L(V)下不变,则Tv∈U.因此必有标量λ∈F使得Tv=λv.
反之,若有某个λ∈F使得tv=λv,则span(v)是V的在T下的不变的一维子空间.
- 本征值
设T∈L(V).称数λ∈F为T的本征值,若存在v∈V使得v=0且Tv=λv
T有一维不变子空间当且仅当T有本征值- 本征值的等价条件
若V是有限维的,T∈L(V)且λ∈F,则以下条件等价 - λ是T的本征值
- T−λI不是单的
- T−λI不是满的
- T−λI不是可逆的
- 本征向量
设T∈L(V),并设λ∈F是T的本征值,称向量v∈V为T的相应于λ的本征向量,如果v=0且Tv=λv- 线性无关的本征向量
设T∈L(V).设λ1,...,λm是T的互不相关的本征值,并设v1,...,vm是相应的本征向量,则v1,...,vm是线性无关的.
推论:算子的互异本征值的个数不超过向量空间的维数
5.B 本征向量和上三角矩阵
- 定义Tm
设T∈L(V),m是正整数. - 定义Tm为Tm=m×TT⋯T
- 定义T0=I(I为V上的恒等算子)
- 若T为可你的且其逆为T−1则定义T−m=(T−1)m
- 定义p(T)
设T∈L(V),p∈P(F),对zz∈F有p(z)=a0+...+amzm.则p(T)定义为:p(T)=a0I+a1T+...+amTm - 定义:多项式的积
若p,q∈P(F)则pq∈P(F)是定义如下的多项式:对z∈F有(pq)(z)=p(z)q(z)
一个算子的任意两个多项式是交换的:(pq)(T)=p(T)q(T)=q(T)p(T)
本征值的存在性
- 有限维非零复向量空间上的每个算子都有本征值
其证明依赖于代数学基本定理,略
上三角矩阵
- 算子的矩阵
设T∈L(V)并设v1,...,vn是V的基.T关于该基的矩阵定义为n×n矩阵:
M(T)=A1,1⋮An,1......A1,n⋮An,n
其元素Aj,k定义为:
Tvk=A1,kv1+...+An,kvn
如果基在上下文不是自明的则记作M(T,(v1,...,vn))
- 矩阵的对角线
方阵的对角线由位于左上角到右下角的直线上的元素组成. - 上三角矩阵
一个矩阵成为上三角的,如果位于对角线下方的元素全部为0
M(T)=λ10λ2⋱∗λn
- 上三角矩阵的条件
设T∈L(V)且V1,...,vn是V的基,则以下条件等价: - T关于V1,...,vn的矩阵是上三角的
- 对于每个j=1,...,n有Tvj∈span(v1,...,vj)
- 对于每个j=1,...,n有span(v1,...,vj)在T下不变
- 在C上,每个算子均有上三角矩阵
设V是有限维复向量空间,T∈L(V),则T关于V的某个基有上三角矩阵.
proof:
使用归纳法.dim=1显然成立.
设对于所有维数小于V的复向量空间均成立,设λ是T的任意本征值,U=range(T−λI).因为(T−λI)不是满的,所以U的维数小于V,下证其在T下不变.设u∈U:
有:Tu=(T−λI)u+λu
由于(T−λI)u∈U,λU∈U,所以U在T下不变.即T∣U是U上的算子.由假设:
∀j,uTuj=(TU)(uj)∈span(u1,...,uj)
将u1,...um扩展为V的基u1,...,um,v1,...,vn.
∀k,Tvk=(T−λI)vk+λvk
因为(T−λI)vk∈U=span(u1,...,um)⊂span(u1,...,um,v1,...,vn)
因此有:Tvk∈span(u1,...,um,v1,...,vn)
Q.E.D
- 由上三角矩阵确定可逆性
设T∈L(V)关于V的某个基由上三角矩阵,则T是可逆的当且仅当这个上三角矩阵对角线上的元素都不是0. - 设T∈L(V)关于V的某个基由上三角矩阵,则T的本征值恰为这个上三角矩阵对角线上的元素.
5.C 本征空间和对角矩阵
- 对角矩阵
对角矩阵指对角线以外的元素全部为0的方阵 - 本征空间
设T∈L(V),λ∈F.T的相应于λ的本征空间(记作E(λ,T))定义为:
E(λ,T)=null(T−λI)
也就是说,E(λ,T)是T的相应于λ的全体本征向量加上0向量构成的集合.
- 本征空间之和是直和
设V是有限维的,T∈L(V).设λ1,...,λm是T的互异的本征值,则:
E(λ1,T)+...+E(λm,T)
是直和,此外:
dimE(λ1,T)+...+dimE(λm,T)≤dimV
- 可对角化
算子T∈L(V)成为可对角化的,如果该算子关于V的某个基有对角矩阵 - 等价条件
设V是有限维的,T∈L(V).用λ1,...,λm表示T的所有互异的本征值,则以下条件等价 - T可对角化
- V有由T的本征向量构成的基
- V由在T下不变的一维子空间U1,...,Un使得V=U1⊕U2⊕...⊕Un
- V=E(λ1,T)⊕...⊕E(λm,T)
- dimV=dimE(λ1,T)+...+dimE(λm,T)
- 本征值足够多则可以对角化
若T∈L(V)有dimV个互异的本征值,则T可对角化