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Chapter 9 实向量空间上的算子

Youmans Yu原创线性代数学习笔记Linear Algebra大约 5 分钟

线性代数学习笔记第九章,参考教材为《Linear Algebra Done Right》。

9.A 复化

向量空间的复化

  • VV的复化VCV_{\bf C}
    设VV是实向量空间.
    • VV的复化等于V×VV\times V,其元素是有序对(u,v)(u,v).其中u,v∈Vu,v\in V,但我们写作u+ivu+\text{i}v
    • 定义VCV_{\bf C}上的加法为

    (u1+iv1)+(u2+iv2)=(u1+u2)+i(v1+v2) (u_1+\text{i}v_1)+(u_2+\text{i}v_2)=(u_1+u_2)+\text{i}(v_1+v_2)

    • 定义VCV_{\bf C}上的复标量乘法为

    (a+bi)(c+di)=(au−bv)+i(av+bu) (a+b\text{i})(c+d\text{i})=(au-bv)+\text{i}(av+bu)

    • 根据上述加法和标量乘法的定义,VCV_{\bf C}是复向量空间
  • VCV_{\bf C}的基
    设VV是实向量空间.
    • 如果v1,...,vnv_1,...,v_n是VV的基,则它也是VCV_{\bf C}的基
    • VCV_{\bf C}的维数等于VV的维数

算子的复化

  • TT的复化,TCT_{\bf C}
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V).TT的复化是定义为TC(u+iv)=Tu+iTvT_{\bf C}(u+\text{i}v)=Tu+\text{i} Tv的算子TC∈L(VC)T_{\bf C}\in\mathcal{L}(V_{\bf C}),其中u,v∈Vu,v\in V
  • TCT_{\bf C}的矩阵等于TT的矩阵
    设V1,...,vnV_1,...,v_n是实向量空间VV的基,T∈L(V)T\in\mathcal L(V)则M(T) =M(TC)\mathcal M(T)\ =\mathcal M(T_{\bf C}),其中这两个矩阵都是关于基v1,...,vnv_1,...,v_n的矩阵
  • 每个算子都具有一维或者二维不变子空间

proof:
非零的有限维复向量空间上的每个算子都具有本征值,从而具有以为不变子空间.
因此假设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V).复化TCT_{\bf C}有本征值a+bia+b\text{i},其中a,b∈Ra,b\in \bf R.因此存在不全为00的u,v∈Vu,v\in V使得TC(u+iv) = (a+bi)(u+vi)T_{\bf C}(u+\text{i} v)\ =\ (a+b\text{i})(u+v\text{i}),也就是说:

Tu+iTv=(au−bv)+(av+bu)i Tu+\text{i}Tv=(au-bv)+(av+bu)\text{i}

于是:

Tu=au−bv, Tv=av+bu Tu=au-bv,\ Tv=av+bu

令UU等于组u,vu,v在VV中的张成,那么UU是VV的一维或二维不变子空间.

复化的极小多项式

  • TCT_{\bf C}的极小多项式等于TT的极小多项式
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V).则TCT_{\bf C}的极小多项式等于TT的极小多项式

复化的本征值

  • TCT_{\bf C}的是本征值,T∈L(V), λ∈RT\in\mathcal L(V),\ \lambda\in \bf R则λ\lambda是TCT_{\bf C}的本征值当且仅当λ\lambda是TT的本征值
  • TC−λIT_{\bf C}-\lambda I和TC−λˉIT_{\bf C}-\bar\lambda I
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V),λ∈C\lambda\in\bf C,jj是非负整数,u,v∈Vu,v\in V,则:

(TC−λI)j(u+iv)=0  ⟺  (TC−λˉI)j(u−iv)=0 (T_{\bf C}-\lambda I)^j(u+\text{i}v)=0\iff (T_{\bf C}-\bar\lambda I)^j(u-\text{i}v)=0

推论:TCT_{\bf C}的非实数的本征值成对出现

  • λ\lambda的重数等于λˉ\bar\lambda的重数
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V),λ∈C\lambda\in \bf C是TCT_{\bf C}的本征值.则λ\lambda作为TCT_{\bf C}的本征值等于λˉ\bar\lambda作为TCT_{\bf C}的本征值的重数
  • 以上若干定理所能给出的重要结果是奇数维向量空间上的每个算子都有本征值

复化的特征多项式

  • TCT_{\bf C}的特征多项式
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V).则TCT_{\bf C}的特征多项式的系数都是实数.
  • 特征多项式
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V).则TT的特征多项式定义为TCT_{\bf C}的特征多项式
  • 特征多项式的次数和零点
    设VV是实向量空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V),则:
    • TT的特征多项式的系数都是实的
    • TT的特征多项式的次数均为dim V\text{dim}\ V
    • TT的所有本征值恰为TT的特征多项式的所有实零点
  • 凯莱-哈密顿定理
    设T∈L(V)T\in\mathcal L(V),qq是TT的特征多项式,则q(T)=0q(T)=0
  • 特征多项式是极小多项式的多项式倍
    设T∈L(V)T\in\mathcal L(V),则:
    • TT的极小多项式的次数之多是dim V\text{dim}\ V;
    • TT的特征多项式是TT的极小多项式的多项式倍

9.B 实内积空间上的算子

  • 非自伴的正规算子
    设VV是二维的实内积空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V),则以下条件等价:
    • TT是正规的但不是自伴的
    • TT关于VV的每个规范正交基的矩阵都有

    (a−bba) \begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}

    的形式,其中b≠0b\neq 0
    • TT关于VV的某个规范正交基的矩阵有

    (a−bba) \begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}

    的形式,其中b>0b>0
  • 正规算子和不变子空间
    设VV是内积空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V)是正规的.UU是VV在TT下不变的子空间,则:
    • U⊥U^\perp在TT下不变
    • UU在T∗T^*下不变
    • (T∣U)∗=(T∗)∣U(T|_U)^*=(T^*)|_U
    • T∣U∈L(U)T|_U\in\mathcal L(U)和T∣U⊥∈L(U⊥)T|_{U^\perp}\in\mathcal L(U^\perp)都是正规算子
  • F=R\bf F=R时正规算子的刻画
    设VV时实内积空间,T∈L(V)T\in\mathcal L(V).则以下条件等价:
    • TT时正规的
    • VV有规范正交基使得TT寡欲这个基有分块对角矩阵,对角线上的每个块时1×11\times 1矩阵,或者是形如

    (a−bba) \begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}

    的2×22\times 2矩阵,其中b>0b>0

实内积空间上的等距同构

  • F=R\bf F=R时等距同构的刻画
    设VV时实内积空间,S∈L(V)S\in\mathcal L(V),则以下条件等价:
    • SS是等距同构
    • VV有规范正交基使得SS关于这个基具有分块对角矩阵,对角线上的每个块是由11或−1-1构成的1×11\times 1矩阵,或是形如

    (cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ) \begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}

    的2×22\times 2矩阵,其中θ∈(0,π)\theta\in(0,\pi)
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贡献者: Youmans Yu