Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Иохвидов, И. С. Ганкелевы и теплицевы матрицы и формы. Алгебраическая теория

.pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
20.10.2023
Размер:
8.39 Mб
Скачать

220 ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МАТРИЦ [ГЛ. IV

Получим

П — 1 71— 1 71— 1 П — 1 П — 1

2 S;+fc11j1lfe =

2 S}+k 2

2

=

2 cpq^>p^>qi

j, fc=0

 

j, h=0

P=0

5=0

 

p, 5=0

где

n—l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cp<2 =

2

S3+kPjpP)ti2

 

(.Pi 9 —

1) ■•■i n ~~ !)•

 

s=o

 

 

 

 

Отсюда видно, что матрица ||сРЧ|р7ч=о эрмитова:

cqp

=

cVg (р , g

=

0, 1, . .

п

1),

а ее элементы — линейные формы от переменных s0, slt ...

. . ., s2n-2- При этом нам известно, что в случае

п о л о ­

ж и т е л ь н о й

о п р е д е л е н н о с т и

формы

H n-i(y,

У)

 

 

 

 

 

С р д

— с р - 1г q - i

(р , q =

1 , 2 ,

п

1).

(19.21)

Зафиксируем в

форме

Нп

(у, у) коэффициенты sx,

s3, . . .,

sZn- з, а коэффициентами

s0, s2,

. . ., s2n-2 распо­

рядимся так, чтобы форма Нп-х (у, у) стала положитель­ но определенной. Именно, выберем сперва и зафиксируем

(D0 = ) So

0- Поскольку

 

 

Dx

*0^2 -- Sl>

то Dx )> 0

при достаточно

большом (положительном)

s2. Зафиксируем такое s2, а полонштельное s4 выберем

настолько большим,

чтобы

 

s o

si

*2

siDi + . . . ) > 0

si

S2

S3

sa

S3

*4

 

и т. д. В результате при некоторых достаточно больших s0) s2, . . ., s2n-2 получим

> 0 , > 0, . . ., О,

причем из рассуждения ясно, что такие наборы s0, s2, . . .

. . ., s2n—2 можно составлять бесконечным множеством спо­

§ 19]

ВЗАИМНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

221

собов, п р и

к о т о р ых

и з м е н я ю т с я

з н а ч е ­

н и я с р а з у в с е х

п е р е м е н н ы х sQ, s2, . . .

..., $2п-2- Но для всех таких наборов, как мы знаем, справед­ ливы соотношения (19.21), в которых обе части (при фик­ сированных р и q) суть линейные функции от s0, s2, . . .

..., s2n- г- Стало быть, эти соотношения выполняются тожде­ ственно относительно sQ, s2, . . ., s2n-2, т. е. для любых ганкелевых форм Нп-Х(у, у).

Теорема 19.1 доказана.

Примеры и упражнения

1. (Ф. И. Лаидер). Доказать, что преобразование (19.4) можно переписать в эквивалентной «символической» форме

Ер = + to )* -* -* (d + Ьа)Р (р = 0, 1, ..., п - 1),

где в правой части после раскрытия скобок следует сделать замену

coJ=

^

(/' = о, 1, .... п — 1).

 

°п-1

 

У к а з а н и е .

Положить

т|3- = C „-i0)7 (/ = 0, 1, ..., re — 1)

в (Ф.— Ф.) и вычислить

последовательные производные по е в точ­

ке 8 = 0.

 

 

 

2.Вывести формулы (19.7) из результата упражнения 1.

3.По аналогии с упражнением 1 установить для преобразова­ ния (19.6) эквивалентную «символическую» форму

Ч, -

( J ,; ~ ‘ 1)|/ 1 ё - ч - и и - V

(/ = 0, 1,.... re — 1),

где Д = ab — аб, а после раскрытия скобок в правой части делается постановка

 

ФР = т | —

(р = 0, 1, ..., ге — 1).

 

 

 

 

°п-х

 

 

 

 

 

4. Из результата упражнения 3

вывести формулы

(19.10).

 

б. Вывести формулы

(19.13) непосредственно из (19.10).

сде­

 

У к а з а н и е .

Заменив в (19.10) всюду р на ге — 1 — р,

лать в правой части замену индекса суммирования р на р' = /

— р

и

учесть соотношения (19.8).

 

 

 

 

6. Вывести формулы (19.12) и (19.13), не используя вообпхе яв­

ных выражений (19.7) и (19.10) для коэффициентов a PJ- и

соответ­

ственно.

Использовать соответственно тождества (Ф ,—Ф.)

 

У к а з а н и е .

и

(Ф ,— Ф. bis), считая в

них |е |=

1, й = $.

 

 

222

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МАТРИЦ

[ГЛ. IV

7.

(Э. Фшиер [44]).|Доказать, что переменные т)0, Hi,

цп_х в

преобразовании (Ф. — Ф.) вещественны тогда и только тогда, когда

переменные |0,

..., £п_х удовлетворяют условию

 

 

 

р ---

(,р (Р == б,

1, ..., 71

1).

У к а з а н и е .

Воспользоваться формулами (19.12) и (19.13).

8. Как легко усмотреть непосредственно из тождества (Ф .—Ф.),

формулы (19.4) выглядят так:

 

 

при

п = 2

 

 

£ о =

ат)о +_bTli>

 

 

 

 

 

 

при

71= 3

 

 

£г =

“'По +

&ТЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%0= “Х + а6ть + ЬХ .

 

 

 

=

2аат|0 +

(аЪ +

аЪ) т)х +

266tj2,

 

 

5a =

“X

+ “Иг +

&Х-

 

Сопоставить эти равенства с явными формулами (19.7) для коэф­ фициентов aPj преобразования (19.4).

9. Аналогично упражнению 8 из тождества (Ф. — Ф. bis) на­

ходим, что формулы (19.6) запишутся в виде (А = ab — ab):

при 7 i= 2

Т)о = 4 - Ф о - И У .

= 4 - ( - “5о+ “^):

при 71 = 3

 

 

Н0 = ^ Г ( Ы о

- ЬЬ\х + ЪЪ),

’ll — дГ (— 2Ьа£о +

[6а -)- ba ] £i — 2b a £2),

Пг = -^ - (

аЧ,о

аа^х + о ^ 2).

Сопоставить эти равенства с явными формулами (19.10) для коэф­ фициентов Рур преобразования (19.6), а также с подстрочным при­ мечанием на стр. 210.

10. Проверить вещественность матрицы |sjk ||у^=0 и эрмито-

вость матрицы |cpq ll^7g=o' определяемых формулами (19.18) и

(19.20) соответственно, исходя непосредственно из этих формул (ср. с упражнением 11).

11. В начале п. 19.4) было показано, что после преобразования

(19.4)

форма (19.14) переходит в эрмитову форму

(19.16): ?ук = sy

(;', А =

0, 1, ..., 71

1). Показать,

не используя

(19.18), что эти

Коэффициенты вещественны:

sy/c (/, к = 0, ...

,га — 1).

У к а з а н и е .

Воспользоваться соотношениями (19.12).

ДОПОЛНЕНИЯ

I. Теоремы Борхардта — Якоби

и Герглотца — М. Крейна о корнях вещественных

иэрмитово-симметричных многочленов

1.Укажем здесь одну из сфер непосредственного при­ менения изложенных в §§ 12 и 16 результатов относитель­

но сигнатур ганкелевых и теплицевых форм. Речь идет о проблеме расположения корней в е щ е с т в е н н о г о многочлена

Рп W ~ а<Ап а т Р -1 ~Ь ■ ■ ■ + ап -1^ Ч~ ап

(Д.1.1)

(ah = ah\ к = 0, 1, . . п)

либо э р м и т о в о - с и м м е т р и ч е с к о г о

много­

члена

 

Q n (я.) = ъ 0х п + ъ

+ . . _ . + &„_!*. + ь п

 

= 5n_ft; к = 0, 1,. . п) (Д.1.2)

относительно вещественной оси и единичной окружности соответственно.

Напомним, что корни многочлена Рп (к) (см. (Д.1.1)) всегда расположены симметрично относительно вегцествен-

ной оси, причем невещественные комплексно-сопряжен­ ные пары (если они имеются) состоят из корней одина­ ковой кратности. Совершенно аналогичная картина имеет место для корней многочлена Qn (к) (см. (Д.1.2)), но с за­ меной вещественной оси единичной окружностью, т. е.

вместо вещественных корней следует говорить о корнях, равных по модулю единице, а вместо комплексно-сопря­ женных пар — о парах вида ((3, р*), зеркальных (сим­ метричных) относительно единичной окружности:

224

ДОПОЛНЕНИЯ

Оба эти утверждения, хорошо известные из алгебры мно­ гочленов, легко проверяются и непосредственно (см. ниже упражнения 1, 2).

2.Рассмотрим вещественный многочлен Рп(А,) (Д.1.1)

ипусть а1} а2, . . ., ап — все его корни (здесь каждый ко­ рень повторен столько раз, какова его кратность). Соста­

вим ньютоновы суммы *)

sk —

• •• + °п

= 0, 1, 2,

. . .) (Д.1.3)

и используем их в качестве

коэффициентов

ганкелевой

квадратичной формы

П—1

 

 

 

 

 

Нп^{х,х) =

2 Ъ+кЫк

(Д-1-4)

 

з, к=о

 

(напомним, что в силу свойств корней многочлена Рп (X) все суммы shвещественны).

Т е о р е м а Д.1.1 ( Б о р х а р д т а — Я к о б и ) . Ес­ ли л число положительных квадратов, a v число от­ рицательных квадратов формы Нп-1 (х, х) (см. (Д.1.4)), то многочлен Рп (X) имеет v различных пар комплексно­ сопряженных корней и а = л v различных веществен­ ных корней.

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Форма Нп-г (х, х)

легко мо­

жет быть представлена в виде суммы квадратов:

 

 

п—1

 

п—1

1+* "Ь a2+k "Ь • • ■+ °?nk)

 

Hn-l{x,x)= 2

S}+d>dk =

2

=

1, k =0

n-1

3, k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

2 (al?jal^/f + a2?ja2?)i + • • ■+

 

f),

t . e.

3, k= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

# „ -i ( x , X ) = 2 ( l o +

 

+ ••- +

(Д-1-5)

k= l

 

 

 

 

*) Символ 0° здесь считается равным 1. В теории симметричес­ ких функций (см., например, [10], § 125) показывается, что сум­ мы (Д.1.3) по известным формулам Ньютона выражаются через основные симметрические функции от ai, аг, ..., ссп, а те в свою очередь — через коэффициенты многочлена Рп (X) (см, ниже уп­ ражнение 4).

I, ТЕОРЕМЫ БОРХАРДТА — ЯКОБИ И ГЕРГЛОТЦА— М. КРЕЙНА

225

Представление (Д.1.5) нельзя еще назвать канониче­

ским (см. п. 5.2), так как среди корней ctl5 а2, . . .,

ап

могут быть кратные, т. е. соответствующие им линейные формы зависимы (они просто одинаковы и в представле­ нии (Д.1.5) их квадраты повторяются столько раз, какова кратность соответствующего корня).

Если среди корней ах,

а2, . . ., ап есть р р а з л и ч ­

н ы х вещественных и q

р а з л и ч н ы х пар комплек­

сно-сопряженных, то после приведения подобных членов в правой части представления (Д.1.5) окажется сумма квадратов р 2q линейных форм, которые (в поле ком­ плексных чисел) л и н е й н о н е з а в и с и м ы ; мат­ рица их коэффициентов (см. п. 5.1), составленная теперь

из

целых

неотрицательных степеней р а з л и ч н ы х

р +

2# корней многочлена

Рп (А,), имеет ранг, в точности

равный р =

р -f- 2 <7,

ибо

отличен от нуля соответствую­

щий определитель

Вандермонда.

 

Однако и таким образом преобразованное представ­

ление (Д.1.5), если q =j= 0,

не является еще каноническим,

так как вещественная квадратичная форма Я„_г (х, х) представлена здесь в виде суммы квадратов р веществен­ ных и 2q невещественных линейных форм. Каждому из

этих 2q квадратов

невещественных

форм вида

 

 

 

\М{х) +

i N(x)}\

 

 

где' М (х)

и N (х)

— вещественные

линейные

формы

от переменных £0>

•••. 1п-и отвечает

в той же сумме

квадрат

 

[М (х) -

iN (я)]2.

 

 

 

 

 

 

Объединив

соответствующие

слагаемые,

получим

 

[М {х) + i N (z)]2 +

[М (х) — i N

(х)]2 =

 

[N (г)]2.

 

 

 

=

2 (я)]2 - 2

Проделав это со всеми невещественными квадратами, «перестроим» представление (Д.1.5) так, что теперь в нем будет р + q положительных и q отрицательных квадра­ тов. Легко понять, что все входящие в эти квадраты ли­ нейные формы независимы, так как мы получили их из р -f- 2q независимых форм простым преобразованием; заменили q пар независимых форм вида

{М (х) i N {х), М (х) i N (z)}

Vs 8 И. С. Иохвидов

226 ДОПОЛНЕНИЯ

их полусуммами М (х) и разделенными на 2i полуразно-

стями N (х).

 

 

 

Итак, если о = л — v — сигнатура формы # „_ ! (х, х),

то л = р + q,

a v = q, откуда

 

 

р = л — v = a,

q =

v.

Теорема доказана.

является

 

3. Аналогом теоремы Д.1.1

 

Т е о р е м а

Д.1.2 (Г е р г л о т ц а — М. Крей на ) .

■Пусть Зц е2, .

. ., ер — все различные

лежащие на еди­

ничной окружности корни эрмитово-симметрического

многочлена Qn(Я)

(см. (Д.1.2)), кратности которых равны

Pi»

Р21

•• ■, рр

соответственно.

Пусть,

далее, (рь рх},

2,

р2}, ••*t {P?t

Рч} — все

различные

пары зеркально

расположенных (Р* = l/p h,

k

= 1,

2, . . .,

q)

относитель­

но

окружности

|Я |= 1

корней

того

же

многочлена

Qn (Я) с соответствующими

кратностями

alt о2, . . .

.. ., Од. Черезsh(k =

0, 1 , 2 , . . . ) обозначим, как и втеореме

Д.1.1,

ньютоновы

суммы

корней

(каждый

повторен со

своей кратностью).

 

 

 

 

 

 

Если эрмитова теплицева форма

 

 

 

 

 

 

 

 

п—1

 

 

 

 

 

 

Д -i {х, х) =

2

 

 

(Д. 1.6)

 

 

 

 

 

 

J, н=0

 

 

 

имеет я положительных и v отрицательных квадратов, то многочлен Qn (Я) имеет л — v ( = р) различных корней еА, равных по модулю 1, и v (= q) различных пар корней

(Phi Pfi}t зеркальных относительно окружности |Я |= 1.

Д о к а з а т е л ь с т в о . Прежде всего заметим, что ньютоновы суммы sh теперь имеют вид

р9

h =

2 P i4 +

2

б*(Р* + Pvk)

(* =

о, 1, 2, ...) .

1.7)

 

( 1 = 1

V = 1

 

 

 

 

А поскольку

 

 

 

 

 

 

=

ev- , Pvk

=

Pv*

(р =

1, 2, . . . ,

р) v = 1, 2,

. . . , q),

I. ТЕ О РЕ М Ы Б О Р Х А Р Д Т А - Я К О Б И И ГЕ Р Г Л О Т Ц А - М. К Р Е Й Н А 227

ТО

s-h = Sh (к = 0, 1, 2, . . .),

так что форма (Д.1.6) в действительности эрмитова. Согласно формуле (Д.1.7)

si-k = 2 Ри-ен-

+ 2

[Pv к+ р / к] =

И-=1

v = l

 

ра

 

 

 

2 ррер-бр "Ь 2

[PvPv +

PmPv7'].

 

 

 

( i = l

V=1

 

 

 

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

n - l

P

 

 

 

Tn-i(x, x) =

2 sHcSjSk 2 Pt1ISo + Ele'H- +

••• +

£n-ie£ 112 +

 

 

 

(c=o

P=i

 

 

 

+

2

6v (lo +

llP v+ . . • +

Sn-lP" *) (lo + flPv

+

In-lPv" *)+

 

v = l

 

 

 

 

 

 

+

2

Gy (So +

llPv + ••• +

Sn-lpv” *) ( I o+ Si Pv + ■■• + In-lPv *)•

 

v = l

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим теперь p -f- 2q независимых линейных форм

X v (x )

=

|0 +

|a«* +

•••+

Sn- 1

(P =

1, 2, ;

. p),

Vv (x)

=

lo

+

SiPv +

••• +

l ^ f C 1

..............

Zv (*)

=

lo

+

Sxp: +

. . . +

Sn iP*11"1

 

 

" qh

Мы видим,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

Tп-1 (х, х) = 2 Рч|*ц (х) |2 +

 

 

*

!•

 

 

 

| Х = Х

 

 

 

 

fieri:

 

 

 

 

<1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

2 0v[Y4(x)Zw(x) + Zv(x)Yv(x)] =

 

;

'V=1

v q а

*= 2

РП X» {х) I2 + 2 2av i £/v (*) Г -

2 2av | (*)'|*,

H-=l

v = l

v=X

8*

228 Д О П О Л Н Е Н И Я

где

Uv (х) = -|-[У„(а:) -f Zv(x)],

Fv(a:) = -|-[УДа:) — Zv{x)] ^

Таким образом, форма Tn.1 (x, x) представлена в виде суммы р + <7 положительных и q отрицательных (незави­ симых!) квадратов, откуда и следуют все утверждения тео­ ремы

4. В качестве исторической справки укажем, что тео­ рема Д.1.1 была первоначально установлена Борхардтом (41| в иной (более узкой) формулировке: число различных пар комплексно-сопряженных корней вещественного мно­ гочлена (Д.1.1) равно числу

V { i , D l t D2, . . D „_,)

знакоперемен в ряду последовательных главных миноров

формы (Д.1.4). При этом предполагалось,

что

все

 

0

(k = 1, 2.......... п - 1)

 

(ср. теорему 8.1).

 

вместе с при­

В полной формулировке теорема Д.1.1

веденным

выше доказательством была

установлена

Якоби и

опубликована

уже после его смерти

Борхард­

том [42].

 

 

 

 

Не совсем тривиальна и история теоремы Д.1.2. Уста­ новленная сперва (более сложным методом) Герглотцом [47], она спустя несколько лет была независимо доказа­ на М. Г. Крейном [32 , причем элементарным методом, вполне аналогичным методу Якоби и приведенным нами в тексте.

Заметим, что мы ограничились в настоящем Дополне­ нии I лишь самыми первыми теоремами о применении гаикелевых и теплицевых форм в теории отделения кор­ ней алгебраических уравнений. Эти применепия весьма многообразны и им в первой трети нашего века была пос­ вящена обширная литература.

Обстоятельный ее обзор можно найти, вероятно, только (по крайней мере, на русском языке) в давно уже ставшей библиографической редкостью брошюре М. Крейна и М. Неймарка [7].

I. ТЕОРЕМ Ы Б О Р Х А Р Д Т А -

Я К О Б И И Г Е Р ГЛ О Т Ц А - Ы. К Р Е Й Н А 229

Примеры и упражнения

1 .

К о р н и в е щ е с т в е н н о г о м н о г о ч л е н а

р » М =

* ( Л П +

+

. . . + ап^гХ + “ n (a /t = ац\ к — 0 , 1 , . . . , п)

р а с п о л о ж е н ы с и м м е т р и ч н о о т н о с и т е л ь н о в е щ е с т в е н н о й в м е с т е с к о р н е м X = р ч и с л о й т а к ж е я в л я е т с я к о р н е м

о с и , т а к к а к м н о г о ч л е н а

рп а).-

____

 

Рп (И-) = Рп (р) = 0.

К р а т н о с т и н е в е щ е с т в е н н ы х к о р н е й р и р. с о в п а д а ю т , и б о п р и д е л е ­

н и и

Рп (X) н а

в е щ е с т в е н н ы й

м н о г о ч л е н

 

 

(X -

р ) (X - р ) = X2 — 2 ( R e р ) X +

I р I3

п о л у ч а е м с н о в а в е щ е с т в е н н ы й м н о г о ч л е н .

 

 

 

Д о к а з а т ь а н а л о г и ч н ы е у т в е р ж д е н и я о т н о с и т е л ь н о к о р н е й э р м и ­

т о в о - с и м м е т р и ч е с к о г о м н о г о ч л е н а

 

 

 

 

Qn (Ь) = bdXn - f - Ьг Х п 1

- f - . . .

- f - bn_jX

- ( - bn

 

 

(bk = bn_k. к =

0 , 1 ,

. . . , n)

 

с з а м е н о й п а р _ ( р , p ) , с и м м е т р и ч н ы х о т н о с и т е л ь н о п а р а м и ( р , 1 / р ) , з е р к а л ь н ы м и ( с и м м е т р и ч н ы м и ) н и ч н о й о к р у ж н о с т и .

в е щ е с т в е н н о й о с и , о т н о с и т е л ь н о е д и ­

У к а з а н и е .

В о с п о л ь з о в

а т ь с я

т о

ж д е с т в о м

* )

Qn (X) = =

= XnQn(i/X)'n т е м , ч т о

( п р и Ъ0ф 0 )

X =

0 н е

я в л я е т с я

к о р н е м Qn{X).

2 . П р о в е р и т ь , ч т о к а ж д у ю и з д в у х т е о р е м , с о с т а в л я ю щ и х с о д е р ­ ж а н и е у п р а ж н е н и я 1 , м о ж н о п о л у ч и т ь и з д р у г о й с п о м о щ ь ю д р о б н о - л и н е й н о г о п р е о б р а з о в а н и я ( с р . п . 1 9 . 2 )

 

 

 

b + Ъг

(ab

ab ф 0 ) ,

 

 

 

б 1=

-----------= —

 

 

 

 

а + ае

 

 

 

п е р е в о д я щ е г о е д и н и ч н у ю о к р у ж н о с т ь | е | =

1 в в е щ е с т в е н н у ю п р я ­

м у ю б =

б ,

и о б р а т н о г о п р е о б р а з о в а н и я

 

 

 

 

 

а б

— Ь

 

 

 

 

 

 

Ъ— а б

 

 

 

У к а з а н и е . П р и в ы п о л н е н и и с о о т в е т с т в у ю щ е й п о д с т а н о в к и

в

м н о г о ч л е н

Qn (X) р а с с м о т р е т ь о т д е л ь н о

с л у ч а и ч е т н о й (п — 2т)

и

н е ч е т н о й

(п =

1 ) с т е п е н и

м н о г о ч л е н а

Qn (X).

 

3 . Р а с с м о т р и м в е щ е с т в е н н ы й м н о г о ч л е н

Р3 (X) = Х 3 — U 2 + П + 1.

*) Символ R (X) означает замену всех к о э ф ф и ц и е н т о в многочлена R (X) на комплексно-сопряженные.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ