- •Тема 7. Собственные числа и собственные векторы линейного оператора. Характеристический многочлен.
- •1. Собственные числа и собственные векторы.
- •2. Корни алгебраических многочленов.
- •3. Характеристический многочлен.
- •4. Инвариантные и собственные подпространства.
- •5. Структура линейного оператора в конечномерном пространстве.
2. Корни алгебраических многочленов.
Для дальнейшего изучения спектра и собственных векторов линейного оператора нам потребуются некоторые свойства алгебраических многочленов. Из них, в частности, будут видны различия спектральных свойств операторов, действующих в комплексном и в действительном пространствах.
Пусть
– переменная, принимающая значения из
поля чисел
.
Пусть
– фиксированные числа из
,
.
Функция
![]()
(3)
называется алгебраическим
многочленом степени
.
Число
,
для которого
,
называется корнем этого многочлена.
Теорема
3. (Основная теорема алгебры.)
Всякий алгебраический многочлен
степени
с комплексными коэффициентами
![]()
имеет хотя бы один корень, в общем случае
комплексный.
(Без доказательства. Доказательство можно провести алгебраическим методом [3,4] или методом теории функций комплексной переменной.)
Фиксируем число
и положим
.
Тогда многочлен (3) можно записать в виде
![]()
. (4)
После возведения
в степени
и приведения подобных членов в (4) получаем
![]()
![]()
. (5)
Из (5) видно, что число
является корнем многочлена
в том и только в том случае, если
.
То есть,
является корнем
в том и только в том случае, если
![]()
,
где
– многочлен степени
(в этом случае в (5) можно вынести за
скобки множитель
).
Если
– многочлен с комплексными коэффициентами,
то и
является многочленом с комплексными
коэффициентами. По теореме 3, если
,
то у многочлена
имеется комплексный корень
.
Тогда
![]()
,
где
– многочлен степени
.
И так далее. В конце концов получим
![]()
. (6)
Среди корней
могут быть одинаковые. Пусть для простоты
обозначений корни
попарно различны, а каждый из корней
равен одному из
.
Тогда (6) имеет вид
![]()
, (7)
где
при
и
.
Если
![]()
,
то корень
называют простым. Если
![]()
,
то корень
называют кратным, а натуральное
число
– алгебраической кратностью этого
корня. Приведенными рассуждениями мы
получили
Следствие
1. Любой многочлен степени
с комплексными коэффициентами имеет
комплексных корней, если каждый корень
считать столько раз, какова его кратность.
Следствие 2. (Теорема Виета.)
, (1*)
, (2*)
, (3*)
, (
*)
. (
*)
(В правой части каждого равенства
(
*)
записана сумма всевозможных произведений
по
корней многочлена
,
взятая со знаком «+», если
– четное, и со знаком «-», если
– нечетное.)
Доказательство следствия 2 можно получить, если в равенстве (6) раскрыть скобки, привести подобные члены и сравнить результат с коэффициентами многочлена (3).
(Подробное доказательство проведите самостоятельно.)
Теорема
4. Пусть
![]()
,
,
– многочлен с действительными
коэффициентами
![]()
.
Пусть
– комплексный (но не действительный:
)
корень этого многочлена кратности
.
Тогда и число
![]()
является корнем многочлена
той же кратности:
![]()
.
(Черта означает комплексное сопряжение.)
Доказательство. По условию теоремы
![]()
. (8)
Возьмем комплексное сопряжение
от обеих частей равенства (8). Тогда все
![]()
,
поскольку эти коэффициенты действительны,
и из (8) получаем
.
Это значит, что
является корнем многочлена
.
Следовательно, многочлен
имеет вид
![]()
,
где
– многочлен степени
.
Выражение
![]()
является квадратным трехчленом с
действительными коэффициентами
и
.
Так как все коэффициенты многочлена
действительны, то и у многочлена
все коэффициенты действительны.
Докажем, что
кратности корней
и
одинаковы. Пусть, например,
![]()
![]()
,
где
– кратность корня
![]()
.
Тогда
имеет вид
![]()
,
где
– многочлен с действительными
коэффициентами. По сделанному только
что предположению у многочлена
должен быть корень
кратности
,
поскольку
– корень
кратности
,
и не должно быть корня
.
Но по доказанному выше для многочлена
с действительными коэффициентами это
невозможно. Поэтому
.
Из доказательства теоремы 4 видно, что многочлен с действительными коэффициентами имеет вид
![]()
![]()
![]()
, (9)
где квадратные трехчлены
отвечают парам комплексно сопряженных
корней
и
,
,
,
а корни
,
,
действительны.
.
Сравните (9) с (7).
