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Chapter 5 本征值、本征向量和不变子空间

Youmans Yu原创线性代数学习笔记Linear Algebra大约 6 分钟

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
    TL(V)T\in\mathcal L(V),称VV的子空间UUTT下不变,如果uU, Tu=U\forall u\in U,\ Tu=U.
    也就是说,UUTT下不变当且仅当TUT|_UUU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vV,v0v\in V,v\neq 0并设UUvv的标量倍构成的集合:

U={λv:λ=F} U=\{\lambda v:\lambda=\bf F\}

UUVV的一维子空间.
UU在算子TL(V)T\in\mathcal L(V)下不变,则TvUTv\in U.因此必有标量λF\lambda\in\bf F使得Tv=λvTv=\lambda v.
反之,若有某个λF\lambda\in\bf F使得tv=λvtv=\lambda v,则span(v)\text{span}(v)VV的在TT下的不变的一维子空间.

  • 本征值
    TL(V)T\in\mathcal L(V).称数λF\lambda\in\bf FTT的本征值,若存在vVv\in V使得v0v\neq 0Tv=λvTv=\lambda v
    TT有一维不变子空间当且仅当TT有本征值
    • 本征值的等价条件
      VV是有限维的,TL(V)T\in\mathcal L(V)λF\lambda\in\bf F,则以下条件等价
      • λ\lambdaTT的本征值
      • TλIT-\lambda I不是单的
      • TλIT-\lambda I不是满的
      • TλIT-\lambda I不是可逆的
  • 本征向量
    TL(V)T\in\mathcal L(V),并设λF\lambda\in\bf F是T的本征值,称向量vVv\in VTT的相应于λ\lambda的本征向量,如果v0v\neq 0Tv=λvTv=\lambda v
    • 线性无关的本征向量
      TL(V)T\in\mathcal L(V).设λ1,...,λm\lambda_1,...,\lambda_mTT的互不相关的本征值,并设v1,...,vmv_1,...,v_m是相应的本征向量,则v1,...,vmv_1,...,v_m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TmT^m
    TL(V)T\in\mathcal L(V),m是正整数.
    • 定义TmT^mTm=TTm×TT^m=\underbrace{T\cdots T}_{m\times T}
    • 定义T0=IT^0=I(IIVV上的恒等算子)
    • TT为可你的且其逆为T1T^{-1}则定义Tm=(T1)mT^{-m}=(T^{-1})^m
  • 定义p(T)p(T)
    TL(V)T\in\mathcal L(V),pP(F)p\in\mathcal P(F),对zzFzz\in\bf Fp(z)=a0+...+amzmp(z)=a_0+...+a_mz^m.则p(T)p(T)定义为:p(T)=a0I+a1T+...+amTmp(T)=a_0I+a_1T+...+a_mT_m
  • 定义:多项式的积
    p,qP(F)p,q\in\mathcal P(\bf F)pqP(F)pq\in\mathcal P(\bf F)是定义如下的多项式:对zFz\in\bf F(pq)(z)=p(z)q(z)(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)(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
    TL(V)T\in\mathcal L(V)并设v1,...,vnv_1,...,v_nVV的基.TT关于该基的矩阵定义为n×nn\times n矩阵:

M(T)=(A1,1...A1,nAn,1...An,n) \mathcal M(T)=\begin{pmatrix}A_{1,1}&...&A_{1,n}\\\vdots&&\vdots\\A_{n,1}&...&A_{n,n}\end{pmatrix}

其元素Aj,kA_{j,k}定义为:

Tvk=A1,kv1+...+An,kvn Tv_k=A_{1,k}v_1+...+A_{n,k}v_n

如果基在上下文不是自明的则记作M(T,(v1,...,vn))\mathcal M(T,(v_1,...,v_n))

  • 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)=(λ1λ20λn) \mathcal{M}(T)=\begin{pmatrix} \lambda_{1} & & & * \\ & \lambda_{2} & & \\ & & \ddots & \\ 0 & & & \lambda_{n} \end{pmatrix}

  • 上三角矩阵的条件
    TL(V)T\in\mathcal L(V)V1,...,vnV_1,...,v_nVV的基,则以下条件等价:
    • TT关于V1,...,vnV_1,...,v_n的矩阵是上三角的
    • 对于每个j=1,...,nj=1,...,nTvjspan(v1,...,vj)Tv_j\in\text{span}(v_1,...,v_j)
    • 对于每个j=1,...,nj=1,...,nspan(v1,...,vj)\text{span}(v_1,...,v_j)TT下不变
  • C\bf C上,每个算子均有上三角矩阵
    VV是有限维复向量空间,TL(V)T\in\mathcal L(V),则TT关于VV的某个基有上三角矩阵.

proof:
使用归纳法.dim=1\text{dim}=1显然成立.
设对于所有维数小于VV的复向量空间均成立,设λ\lambdaTT的任意本征值,U=range(TλI)U=\text{range}(T-\lambda I).因为(TλI)(T-\lambda I)不是满的,所以UU的维数小于VV,下证其在TT下不变.设uUu\in U:
有:Tu=(TλI)u+λuTu=(T-\lambda I)u+\lambda u
由于(TλI)uU(T-\lambda I)u\in U,λUU\lambda U\in U,所以UUTT下不变.即TUT|_UUU上的算子.由假设:
j,uTuj=(TU)(uj)span(u1,...,uj)\forall j,uTu_j=(T_U)(u_j)\in\text{span}(u_1,...,u_j)
u1,...umu_1,...u_m扩展为VV的基u1,...,um,v1,...,vnu_1,...,u_m,v_1,...,v_n.
k,Tvk=(TλI)vk+λvk\forall k,Tv_k=(T-\lambda I)v_k+\lambda v_k
因为(TλI)vkU=span(u1,...,um)span(u1,...,um,v1,...,vn)(T-\lambda I)v_k\in U=\text{span}(u_1,...,u_m)\subset\text{span}(u_1,...,u_m,v_1,...,v_n)
因此有:Tvkspan(u1,...,um,v1,...,vn)Tv_k\in\text{span}(u_1,...,u_m,v_1,...,v_n)
Q.E.D\text{Q.E.D}

  • 由上三角矩阵确定可逆性
    TL(V)T\in\mathcal L(V)关于VV的某个基由上三角矩阵,则TT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.
  • TL(V)T\in\mathcal L(V)关于VV的某个基由上三角矩阵,则TT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
    TL(V),λFT\in\mathcal L(V),\lambda \in\bf F.TT的相应于λ\lambda的本征空间(记作E(λ,T)E(\lambda,T))定义为:

E(λ,T)=null(TλI) E(\lambda,T)=\text{null}(T-\lambda I)

也就是说,E(λ,T)E(\lambda,T)TT的相应于λ\lambda的全体本征向量加上00向量构成的集合.

  • 本征空间之和是直和
    VV是有限维的,TL(V)T\in\mathcal L(V).设λ1,...,λm\lambda_1,...,\lambda_mTT的互异的本征值,则:

E(λ1,T)+...+E(λm,T) E(\lambda_1,T)+...+E(\lambda_m,T)

是直和,此外:

dimE(λ1,T)+...+dimE(λm,T)dimV \text{dim}E(\lambda_1,T)+...+\text{dim}E(\lambda_m,T)\leq\text{dim} V

  • 可对角化
    算子TL(V)T\in\mathcal L(V)成为可对角化的,如果该算子关于VV的某个基有对角矩阵
    • 等价条件
      VV是有限维的,TL(V)T\in\mathcal L(V).用λ1,...,λm\lambda_1,...,\lambda_m表示TT的所有互异的本征值,则以下条件等价
      • TT可对角化
      • VV有由TT的本征向量构成的基
      • VV由在TT下不变的一维子空间U1,...,UnU_1,...,U_n使得V=U1U2...UnV=U_1\oplus U_2\oplus...\oplus U_n
      • V=E(λ1,T)...E(λm,T)V=E(\lambda_1,T)\oplus...\oplus E(\lambda_m,T)
      • dimV=dimE(λ1,T)+...+dimE(λm,T)\text{dim}V=\text{dim}E(\lambda_1,T)+...+\text{dim}E(\lambda_m,T)
  • 本征值足够多则可以对角化
    TL(V)T\in\mathcal L(V)dimV\text{dim}V个互异的本征值,则TT可对角化
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贡献者: Youmans Yu