
От Пантелеева / Книги студентам / лИТЕРАТУРА / Тартышников
.pdf
200 |
Лекция 30 |
|
|
тельно A. |
|
Доказательство. Пусть x, y L Ax = λx, Ay = λy |
A(αx+βy) = λ(αx+βy) |
αx + βy L. Инвариантность L очевидна: если x L, òî Ax = λx L. 2
Определение. Подпространство L называется собственным подпространством, а его размерность геометрической кратностью собственного значения Λ.
30.3Матричное выражение инвариантности
Теорема. Пусть L Cn инвариантно относительно A Cn×n и dim L = k. Тогда существуют матрицы X Cn×k è B Ck×k такие, что столбцы X образуют в L базис и выполняется равенство AX = XB. Характеристический многочлен матрицы B является делителем характеристического многочлена матрицы A.
Доказательство. Образуем X из базисных векторов для L. Инвариантность означает, что Axj есть линейная комбинация векторов x1, . . . , xk. Определим матрицу B таким образом, что ее j-й столбец bj содержит коэффициенты данной ли- нейной комбинации. Тогда Axj = Xbj AX = XB.
Дополним X какими-то столбцами до невырожденной матрицы
AX = X |
|
0 |
D |
|
для каких-то блоков C è D. Отсюда e |
e |
|
B |
C |
|
|
|
||
det(A − λI) = det(Xe−1AXe − λI) |
= |
det(B − λIk) det(D − λIn−k). 2 |
Следствие. Геометрическая кратность собственного значения не выше его алгебра- ической кратности.
30.4Сужение оператора на подпространство
Если подпространство L инвариантно относительно оператора A, то можно определить линейный оператор B : L → L правилом
Bx = Ax, x L.
Оператор A имеет более широкую область определения, чем B. Íî B действует на векторы из L òàê æå, êàê A поэтому его называют сужением оператора A на L. Говорят также, что A индуцирует íà L оператор B и называют B индуцированным
оператором.
Åñëè A матрица оператора A в каком-то базисе, x1, . . . , xk базис в L è X = [x1, . . . , xk], то равенство AX = XB означает, что матрица B является матрицей сужения оператора A íà L в базисе x1, . . . , xk.
30.5Инвариантные пространства и сдвиги
Утверждение. Матрицы A и A −λI имеют общие инвариантные пространства для любого λ.
Доказательство. Пусть L инвариантно относительно A. Åñëè x L, òî Ax L Ax−λx L L инвариантно относительно A−λI. Заметим также, что A = B −λ0I,
ãäå B = A − λI, λ0 = −λ. 2
Е. Е. Тыртышников |
201 |
|
|
30.6Треугольная форма матрицы
Лемма 1. Для любой матрицы A Cn×n cуществует инвариантное пространство размерности n − 1.
Доказательство. Мы уже знаем, что образ imA является инвариантным пространством. Если его размерность равна n − 1, то все доказано.
Если она равна k < n −1, òî imA заведомо принадлежит какому-то более широкому подпространству L размерности n − 1, притом если x L, òî Ax imA L. Значит, L инвариантно относительно A. Åñëè dim imA = n, то перейдем к матрице B = A − λI, ãäå λ какое-то собственное значение матрицы A. ßñíî, ÷òî dim kerB ≥ 1 dim imB ≤ n − 1 B имеет инвариантное пространство размерности n − 1. Оно же инвариантно относительно A. 2
Лемма 2. Пусть L инвариантно относительно A Cn×n и dim L = k > 1. Тогда в L имеется инвариантное относительно A подпространство размерности k − 1.
Доказательство. Согласно матричному выражению инвариантности,
столбцы X образуют в L базис и B Ck×k. По лемме 1, матрица B имеет инвариантное
пространство размерности k − 1. |
|
n |
|
M |
|
N |
|
Обозначим его через |
|
и рассмотрим множество |
|
||
векторов вида Xz, z M. Конечно, N C |
|
есть подпространство размерности k − 1. |
||||
Ïðè ýòîì A(Xz) = X(Bz) N инвариантно относительно A. 2 |
|
Следствие. Для любой матрицы A Cn×n существует цепочка вложенных под-
пространств
L1 . . . Ln = Cn,
каждое из которых инвариантно относительно A и притом dim Lk = k.
Теорема о верхней треугольной форме. Любая матрица A Cn×n подобна верхней
треугольной матрице.
Доказательство. Построим базис x1, . . . , xn таким образом, что Lk = L(x1, . . . , xk) (достаточно взять x1 L1, дополнить его до базиса в L2 вектором
Пусть X = [x1, . . . , xn]. Тогда Axj есть линейная комбинация столбцов x1, . . . , xj
Axj = Xbj для столбца bj с нулями в позициях ниже j-й. Таким образом, матрица B = [b1, . . . , bn] верхняя треугольная, и при этом AX = XB B = X−1AX. 2
Заметим, что если B = X−1AX, òî B è A имеют один и тот же характеристический многочлен. Поэтому B è A имеют один и тот же набор n собственных значений с учетом
кратностей. Если матрица B треугольная, то ее собственные значения суть элементы главной диагонали.
Задача. Пусть trA = 0, а характеристический многочлен матрицы A записан в виде det(λI −A) = λn + an−1λn−1 + an−2λn−2 + ... + a0. Доказать, что an−1 = 0 è an−2 = −trA2/2.
Задача. Квадратные матрицы A è B порядка n имеют собственные значения λ1, . . . , λn è µ1, . . . , µn (с учетом кратностей). Найти все собственные значения (с учетом кратностей) линейного оператора X 7→AX + XB, X Cn×n.
30.7Спектральный радиус
Множество собственных значений матрицы часто называется также ее спектром. Наибольший модуль собственных значений матрицы A называется ее спектральным ради-

202 Лекция 30
óñîì. Обозначение: ρ(A).
Утверждение. Для спектрального радиуса имеет место оценка ρ(A) ≤ ||A||, где || · ||произвольная матричная норма.
Доказательство. Пусть Ax = λx, x 6= 0. Тогда ||λx|| = |λ|||x|| ≤ ||A||||x|| |
|
|λ| ≤ ||A||. |
2 |
Задача. |
Докажите, что спектральный радиус получается как предел ρ(A) = klim ||Ak||1/k, ãäå |
|
→∞ |
||·|| произвольная фиксированная матричная норма. (В силу теоремы о верхней треугольной форме достаточно рассмотреть случай верхней треугольной матрицы A.)
Задача. Для произвольной фиксированной матричной нормы ρ(A) = inf ||P −1AP ||, где точная
нижняя грань берется по всем обратимым матрицам P . (В силу теоремы о верхней треугольной форме
достаточно рассмотреть случай верхней треугольной матрицы A.)
Задача. Все элементы квадратной матрицы A неотрицательны, а суммы элементов в каждой
строке одинаковы и равны λ. Доказать, что λ является наибольшим по модулю собственным значением
матрицы A.
Замечание. В общем случае матрица может не иметь неотрицательных собственных значений, поэтому ρ(A) не обязано быть собственным значением матрицы A. Однако, для любой неотрицатель-
ной матрицы матрицы, все элементы которой неотрицательны, доказано, что спектральный радиус непременно является также ее собственным значением (это основной результат теории неотрицательных матриц, известный как теорема Перрона Фробениуса ).
30.8Теорема Шура
Пусть λ1, . . . , λn полный набор n собственных значений матрицы A Cn×n с учетом кратностей. Пусть фиксируется произвольная нумерация собственных значений.
Теорема Шура. Для любой матрицы A Cn с произвольной предписанной нумера-
цией ее собственных значений λ1, . . . , λn существует унитарная матрица X Cn×n такая, что B = [bij] = X AX есть верхняя треугольная матрица с диагональными
элементами bii = λi, i = 1, . . . , n.
Доказательство. Пусть Ax1 = λ1x1, |x1| = 1 (длина определяется естественным скалярным произведением). Построим ортонормированный базис x1, . . . , xn, начинаю- щийся с вектора x1, и пусть X = [x1, . . . , xn]. Легко проверить, что
AX = X |
λ |
u> |
, B C(n−1)×(n−1), u Cn−1. |
01 |
B |
Заметим, что det(A−λI) = (λ1 −λ)(λ2 −λ) . . . (λn −λ) = (λ1 −λ) det(B −λIn−1). Значит,
B имеет собственные значения λ2, . . . , λn.
Рассуждая по индукции, предположим, что Y BY = T , ãäå Y унитарная матрциа
порядка n − 1, à T верхняя треугольная матрица порядка |
n − 1 с диагональными |
||||||||
элементами λ2, . . . , λn. В итоге |
|
|
|
|
|
|
|
||
(Y |
X )A(XY ) = |
λ |
u>Y |
, |
1 |
0 |
|||
01 |
|
T |
Y = 0 |
Y . |
|||||
e |
|
e |
|
|
|
|
|
e |
|
|
следует, что |
Y унитарная матрица. Матрица XY óíè- |
|||||||
Из унитарности матрицы Y |
|
|
|
||||||
|
|
|
матриц. |
2 |
|
|
e |
||
тарна как произведение унитарных |
|
|
e |
|
|

Е. Е. Тыртышников |
203 |
|
|
Сформулированная выше теорема о треугольной форме матрицы является, конечно, следствием теоремы Шура. При этом в теореме Шура утверждается больше треугольная форма с предписанным порядком собственных значений на диагонали достигается преобразованием подобия с помощью унитарной матрицы.
Отметим конструктивный характер приведенного доказательства теоремы Шура. Как только найдены собственное значение λ1
x1, задача определения остальных собственных значений сводится к аналогичной задаче порядка n−1. 1 Такого рода прием понижения размерности иногда называют дефляцией.
Задача. Докажите, что для любой комплексной матрицы A порядка 3 существует унитарная матрица Q такая, что матрица B = Q AQ является трехдиагональной. (Матрица B называется òðåõ-
диагональной, åñëè bij = 0 ïðè |i − j| > 1.) 2
30.9Делители и подпространства
Вследствие матричного выражения инвариантности, любому инвариантному подпространству матрицы A соответствует некоторый делитель ее характеристического много-
члена, являющийся характеристическим многочленом сужения A на данное подпространство. Из теоремы Шура легко вывести и обратное.
Теорема о делителях и подпространствах. Пусть A Cn×n è f(λ) = det(A−λI)
характеристический многочлен. Предположим, что f(λ) делится на многочлен p(λ) степени k. Тогда A имеет инвариантное подпространство L размерности k такое, что p(λ) есть характеристический многочлен сужения A на L.
Доказательство. Упорядочим корни многочлена f(λ) таким образом, что первые k корней будут также корнями делителя p(λ). Согласно теореме Шура, существуют X è B такие, что в верхней треугольной матрице B первые k элементов главной диагонали будут корнями p(λ). Пусть Xk прямоугольная матрица, содержащая первые k столбцов X, à Bk левый верхний блок порядка k в матрице B. Тогда AXk = XkBk
ýòîì det(Bk − λI) = p(λ). 2
1Ниоткуда, впрочем, не следует, что собственный вектор матрицы B автоматически соответствует какому-то собственному вектору матрицы A.
2Недавно было доказано, что то же верно для любой комплексной матрицы порядка 4 (V. Pati,
2001) и что существуют матрицы порядка 5, которые не приводятся к трехдиагональному виду преобразованием подобия с помощью унитарной матрицы.
204 |
Лекция 30 |
|
|

206 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лекция 31 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Очевидно, C ≡ B − λiI = X−1(A − λiI)X |
|
|
Cki = (B − λiI)ki = X−1(A − λiI)ki X. |
||||||||||||||||||||
Запишем C в блочном виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C = |
P |
Q |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ãäå P è R верхние треугольные матрицы порядка ki |
è n − ki. Ïðè ýòîì P имеет |
||||||||||||||||||||||
нулевую главную диагональ |
|
P |
ki |
= 0 |
(проверяется непосредственно: в матрице P 2 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 åùå îäíà, è òàê |
|||||||
к нулевой главной диагонали добавляется еще одна диагональ, в P |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
далее). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, |
|
|
Cki = |
0 Rki |
= |
0 Rki |
, |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
P ki |
|
Q |
|
0 |
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
e |
|
R |
ki порядка |
n−ki отличны |
|||
где все диагональные элементы верхнего треугольного блока |
|||||||||||||||||||||||
îò íóëÿ. Áëîê |
Q какой-то блок размеров ki |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
×(n−ki). Независимо от его вида, находим |
|||||||||||||||||||||
rank |
Cki |
= n k |
i |
|
rank(A |
|
λ |
I)ki = n |
|
k |
i |
|
dim ker(A λ |
I)ki = k |
. |
||||||||
|
e |
− |
|
|
− |
i |
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
− |
i |
i |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Матрица сужения A íà Ki представляет собой левый верхний блок порядка ki â ìàò- ðèöå B = X−1AX. Согласно ( ), все элементы его главной диагонали равны λi. Чтобы
получить матрицу сужения A − αI íà Ki, нужно заменить диагональные элементы на λi − α. Ïðè α 6= λi это будет невырожденная матрица. 2
Лемма 2. Если L инвариантно относительно A и сужение A на L имеет своим характеристическим многочленом fi(λ), òî L = Ki.
Доказательство. Пусть M Cki×ki матрица сужения A íà L в каком-то базисе.
Согласно теореме о верхней треугольной форме, этот базис можно выбрать так, чтобы M была верхней треугольной. Тогда M −λiI верхняя треугольная матрица с нулевой
(M − λiI)ki = 0 (A − λiI)ki x = 0 x L L Ki.
Поскольку dim L = dim Ki, получаем L = Ki. 2
31.3Нильпотентные операторы
Оператор A : V → V называется нильпотентным, åñëè Ak = 0 для какого-то k. Так же называется матрица A такая, что Ak = 0.
Утверждение. Матрица A порядка n нильтотентна тогда и только тогда, когда ее характеристический многочлен имеет вид det(A − λI) = (−λ)n.
Доказательство. Пусть Ak = 0, Ax = λx, x 6= 0 Akx = λkx = 0 λ = 0. Åñëè
A имеет собственное значение нуль кратности n, то, по теореме о верхней треугольной форме, она подобна верхней треугольной матрице B с нулями на главной диагонали
Bn = 0. 2
Следствие. Сужение A−λiI на корневое пространство Ki является нильпотентным оператором на Ki.
Задача. Доказать, что матрица A является нильпотентной тогда и только тогда, когда tr Ak = 0
для всех натуральных k.
Задача. Для квадратных матриц A è B выполняется равенство AB − BA = A1955. Доказать, что матрица A нильпотентная.