Lecture 14: Eigenspaces and Diagonal Matrices (特征空间与对角矩阵)

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1. Introduction

上一讲证明了复空间上每个算子都有上三角矩阵。那是”能拆到多细”的一个答案,但它是弱答案:上三角矩阵只要求对角线下方为零,上方仍可以是任意数。

本讲问的是更强的那个问题:

能不能让对角线上方也全为零?

若能,矩阵就成了对角矩阵,而”理解 TT“也就彻底完成,因为对角矩阵就是一组”各自独立地数乘”并排放着,TT 在每一维上都是数乘,维与维之间毫无耦合。

答案是否定的,即不是每个算子都能对角化。所以本讲做三件事:

  1. 给出对角化的定义,并给出四个等价条件(定理 5.55);
  2. 引入特征空间 E(λ,T)E(\lambda, T),把对应同一特征值的特征向量连同 00 打包成子空间,于是”能否对角化”变成”这些子空间的直和是否等于整个 VV”;
  3. 给出不必求根的判据,即极小多项式有互不相同的零点(定理 5.62)。这条判据把 lecture 13 的极小多项式理论一次性兑现。

2. Diagonal Matrices (对角矩阵)

2.1 Definition: diagonal matrix (5.48)

Definition 5.48 (diagonal matrix)
对角矩阵 (diagonal matrix) 是除对角线上可能非零之外处处为零的方阵。

Example 5.49

(800050005)\begin{pmatrix} 8 & 0 & 0\\ 0 & 5 & 0\\ 0 & 0 & 5\end{pmatrix}

是对角矩阵。

几点观察:

  • 每个对角矩阵都是上三角矩阵,但反过来不成立,而上三角矩阵的”零”通常比对角矩阵少得多。
  • 对角元不要求互不相同,上例中 55 出现了两次。
  • 若算子关于某组基有对角矩阵,则对角元恰好是它的特征值。这由 定理 5.41(上三角矩阵的对角元给出特征值)直接得到;也可以更直接地看:对角矩阵对应 Tvj=λjvjTv_j = \lambda_jv_j,故每个 λj\lambda_j 都是特征值。

2.2 Definition: diagonalizable (5.50)

Definition 5.50 (diagonalizable)
VV 上的算子称为可对角化的 (diagonalizable),如果它关于 VV 的某组基有对角矩阵。

关键词是”某组基”。 同一个算子在标准基下的矩阵可能完全不像对角矩阵,但换一组基之后可以变成对角矩阵。

Example 5.51 (diagonalization may require a different basis)
定义 T∈L(R2)T \in \mathcal{L}(\mathbf{R}^2) 为

T(x,y)=(41x+7y, −20x+74y).T(x,y) = (41x + 7y,\ -20x + 74y).

它关于标准基的矩阵是

(417−2074),\begin{pmatrix} 41 & 7\\ -20 & 74\end{pmatrix},

显然不是对角矩阵。但 TT 是可对角化的:它关于基 (1,4),(7,5)(1,4), (7,5) 的矩阵是

(690046),\begin{pmatrix} 69 & 0\\ 0 & 46\end{pmatrix},

因为

T(1,4)=(69,276)=69(1,4),T(7,5)=(322,230)=46(7,5).T(1,4) = (69, 276) = 69(1,4), \qquad T(7,5) = (322, 230) = 46(7,5).

这个例子说明什么? 它说明对角化不是算子在某个固定坐标系下的内在面貌,而是一个”是否存在一组省事的坐标系”的问题。而找这组坐标系,就是找足够多的特征向量。

顺带一个观察:这例子也说明”标准基下看起来很丑”并不意味着没有简单结构。lecture 7 的 3.84(基变换公式 A=C−1BCA = C^{-1}BC)正是描述这种”换坐标系”的工具。

3. Eigenspaces (特征空间)

3.1 Definition: eigenspace (5.52)

上一讲把特征向量定义为 null(T−λI)\text{null}(T - \lambda I) 中的非零向量。现在把 00 也放进去,就得到一个子空间。

Definition 5.52 (eigenspace, E(λ,T)E(\lambda, T))
设 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V),λ∈F\lambda \in \mathbf{F}。TT 对应于 λ\lambda 的特征空间 (eigenspace) 是

E(λ,T)=null(T−λI)={v∈V:Tv=λv}.E(\lambda, T) = \text{null}(T - \lambda I) = \{v \in V : Tv = \lambda v\}.

因此 E(λ,T)E(\lambda, T) 是所有对应 λ\lambda 的特征向量连同零向量的集合。

为什么它是子空间? 因为它是线性映射 T−λIT - \lambda I 的零空间,而零空间总是子空间(lecture 6 的 命题 3.13)。这一步不需要任何验证,这正是把”特征向量集合”升级为”特征空间”的好处。

一个立刻的推论:

λ 是 T 的特征值  ⟺  E(λ,T)≠{0},\lambda \text{ 是 } T \text{ 的特征值} \iff E(\lambda, T) \neq \{0\},

因为”存在非零 vv 使 Tv=λvTv = \lambda v“正是"null(T−λI)≠{0}\text{null}(T-\lambda I) \neq \{0\}"。

Example 5.53
设 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) 关于基 v1,v2,v3v_1, v_2, v_3 的矩阵是 例子 5.49 中的那个矩阵

(800050005).\begin{pmatrix} 8 & 0 & 0\\ 0 & 5 & 0\\ 0 & 0 & 5\end{pmatrix}.

则

E(8,T)=span(v1),E(5,T)=span(v2,v3).E(8,T) = \text{span}(v_1), \qquad E(5,T) = \text{span}(v_2, v_3).

这个例子把特征空间与矩阵的列对应起来了:第 jj 列是 TvjTv_j 的坐标,而对角矩阵的第 jj 列只有第 jj 个位置非零,即 Tvj=λjvjTv_j = \lambda_jv_j。所以 vjv_j 是特征向量,而所有对应同一特征值的 vjv_j 张成对应的特征空间。

一个有用的观察:若 λ\lambda 是 TT 的特征值,则 TT 在 E(λ,T)E(\lambda,T) 上的限制就是”乘以 λ\lambda“,即

T∣E(λ,T)=λI.T|_{E(\lambda,T)} = \lambda I.

特征空间是 TT 表现得最简单的地方,在那里 TT 就是一个数乘。

3.2 Theorem: sum of eigenspaces is a direct sum (5.54)

不同的特征空间会不会重叠?不会,理由正是 lecture 12 的 定理 5.11。

Theorem 5.54 (sum of eigenspaces is a direct sum)
设 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V),λ1,…,λm\lambda_1, \dots, \lambda_m 是 TT 的互不相同的特征值。则

E(λ1,T)+⋯+E(λm,T)E(\lambda_1, T) + \dots + E(\lambda_m, T)

是直和。进一步,若 VV 有限维,则

dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)≤dim⁡V.\dim E(\lambda_1, T) + \dots + \dim E(\lambda_m, T) \le \dim V.

证明:由 lecture 9 的 定理 3.93,要证和是直和,只需证”若 v1+⋯+vm=0v_1 + \dots + v_m = 0 且每个 vk∈E(λk,T)v_k \in E(\lambda_k,T),则每个 vk=0v_k = 0”。

设这样的表示成立。把其中为零的项删去。若剩下的非空,则它们是非零向量,且是对应互不相同特征值的特征向量,同时满足和为零——这与 定理 5.11(对应互不相同特征值的特征向量线性无关)矛盾。故每个 vk=0v_k = 0,和是直和。

维数部分:由直和与 lecture 9 的 定理 3.94,

dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)=dim⁡(E(λ1,T)⊕⋯⊕E(λm,T))≤dim⁡V,\dim E(\lambda_1,T) + \dots + \dim E(\lambda_m,T) = \dim\big(E(\lambda_1,T) \oplus \dots \oplus E(\lambda_m,T)\big) \le \dim V,

最后一步因为那个直和是 VV 的子空间。■\blacksquare

这条定理的地位:它把”特征值互不相同”这个代数条件,兑换成”对应的特征空间互不重叠”这个几何结论。而它给出的维数不等式,正是”可对角化”的判据所在:下一节会看到,可对角化当且仅当这个不等式取等号。

一个必须注意的细节:定理要求特征值互不相同。若 λ1=λ2\lambda_1 = \lambda_2,则 E(λ1,T)=E(λ2,T)E(\lambda_1,T) = E(\lambda_2,T),两个相同的子空间相加不是直和(它们的交就是它们自己)。

4. Conditions for Diagonalizability (可对角化的判据)

4.1 Theorem: conditions equivalent to diagonalizability (5.55)

Theorem 5.55 (conditions equivalent to diagonalizability)
设 VV 有限维,T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V),λ1,…,λm\lambda_1, \dots, \lambda_m 是 TT 的互不相同的特征值。则下列条件等价。

  • (a) TT 可对角化;
  • (b) VV 有一组由 TT 的特征向量构成的基;
  • (c) V=E(λ1,T)⊕⋯⊕E(λm,T)V = E(\lambda_1,T) \oplus \dots \oplus E(\lambda_m,T);
  • (d) dim⁡V=dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)\dim V = \dim E(\lambda_1,T) + \dots + \dim E(\lambda_m,T)。

证明:按 (a)   ⟺  \iff (b) ⇒\Rightarrow (c) ⇒\Rightarrow (d) ⇒\Rightarrow (b) 的顺序。

(a)   ⟺  \iff (b)。TT 关于基 v1,…,vnv_1,\dots,v_n 的矩阵是对角矩阵当且仅当 Tvk=λkvkTv_k = \lambda_kv_k 对每个 kk 成立,即当且仅当每个 vkv_k 都是特征向量。

(b) ⇒\Rightarrow (c)。设 v1,…,vnv_1,\dots,v_n 是由特征向量构成的基。则 VV 中每个向量都是特征向量的线性组合,即 V=E(λ1,T)+⋯+E(λm,T)V = E(\lambda_1,T) + \dots + E(\lambda_m,T)(每个特征向量必属于某个 E(λj,T)E(\lambda_j,T),因为其特征值必在列表 λ1,…,λm\lambda_1,\dots,\lambda_m 中)。而由 定理 5.54 这个和是直和。

(c) ⇒\Rightarrow (d)。由 lecture 9 的 定理 3.94,

dim⁡V=dim⁡(E(λ1,T)⊕⋯⊕E(λm,T))=dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T).\dim V = \dim\big(E(\lambda_1,T)\oplus\dots\oplus E(\lambda_m,T)\big) = \dim E(\lambda_1,T) + \dots + \dim E(\lambda_m,T).

(d) ⇒\Rightarrow (b)。令 U=E(λ1,T)⊕⋯⊕E(λm,T)U = E(\lambda_1,T) \oplus \dots \oplus E(\lambda_m,T)。由 定理 5.54 它是直和,故由 定理 3.94,

dim⁡U=dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)=dim⁡V.\dim U = \dim E(\lambda_1,T) + \dots + \dim E(\lambda_m,T) = \dim V.

而 U⊆VU \subseteq V,故由 lecture 4 的 定理 2.39 得 U=VU = V。从每个 E(λj,T)E(\lambda_j,T) 取一组基拼起来,因为 U=VU = V 且是直和,拼起来的列表是 VV 的基(lecture 9 习题 3.E.13 的构造),而其中每个向量都是特征向量。■\blacksquare

四个条件的实用价值:

条件何时好用
(a) 定义几乎没用,因为”找一组基”太抽象
(b) 特征向量基需要真的算出特征向量
(c) 直和分解概念清晰,适合理论推导
(d) 维数判据最实用:只需数维数,不必找基

(d) 是唯一”可计算”的判据:由基本定理,dim⁡E(λ,T)=dim⁡V−dim⁡range(T−λI)\dim E(\lambda,T) = \dim V - \dim\text{range}(T - \lambda I),所以只要能算出 T−λIT - \lambda I 的秩,就能判定。

4.2 一个警告:特征值太少并不意味着不能对角化

Remark(一个常见的误解)
读者容易把”可对角化”误当成”特征值的个数等于 dim⁡V\dim V“。这是错的。

反例:F3\mathbf{F}^3 上的算子

T(z1,z2,z3)=(4z1, 4z2, 5z3).T(z_1, z_2, z_3) = (4z_1,\ 4z_2,\ 5z_3).

它只有两个特征值 44 与 55,但关于标准基的矩阵

(400040005)\begin{pmatrix} 4 & 0 & 0\\ 0 & 4 & 0\\ 0 & 0 & 5\end{pmatrix}

已经是对角矩阵,故 TT 显然可对角化。

问题出在哪里? 特征值 44 是”重”的:dim⁡E(4,T)=2\dim E(4,T) = 2,因为它对应两个独立的坐标方向 z1,z2z_1, z_2。所以”不同特征值的个数”(这里 22 个)不等于”特征空间维数之和”(这里 2+1=32 + 1 = 3)。

正确的判据是 定理 5.55(d),即维数之和,它把重数算进去了。这也解释了为什么必须引入特征空间:只看”有几个不同特征值”不够,必须看”每个特征值占了几维”。

5. 极小多项式判据 (Diagonalizability via the Minimal Polynomial)

5.1 引入:为什么还需要另一个判据

定理 5.55(d) 已经可计算,但它有一个实际困难:得先把特征值算出来。而 lecture 13 的 例子 5.26 已说明特征值一般算不出来(五次以上的多项式无求根公式)。

所以需要一个不必求根的判据。答案来自极小多项式:能否对角化,完全由极小多项式是否有重零点决定。而这个判断只需做多项式的最大公因式运算,不必求根。

5.2 Theorem: a criterion for diagonalizability (5.62)

Theorem 5.62 (a criterion for diagonalizability)
设 VV 有限维,T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)。则 TT 可对角化当且仅当 TT 的极小多项式等于

(z−λ1)⋯(z−λm)(z - \lambda_1)\cdots(z - \lambda_m)

对某些互不相同的 λ1,…,λm∈F\lambda_1, \dots, \lambda_m \in \mathbf{F} 成立。

与 定理 5.44 对照:

极小多项式结论
定理 5.44分解成一次因式(允许重复)能上三角化
定理 5.62分解成一次因式(互不相同)能对角化

两行只差”互不相同”四个字,而这四个字就是全部差别。 这也解释了为什么 lecture 13 要用那么长篇幅建立极小多项式理论,它在这里一次性付清。

证明:

(⟸\Longleftarrow)极小多项式无重零点 ⇒\Rightarrow 可对角化。

由 定理 5.27(a),这些零点 λ1,…,λm\lambda_1,\dots,\lambda_m 恰好是 TT 的全部特征值。由 定理 5.55 与 定理 5.54,只需证明

V=E(λ1,T)+⋯+E(λm,T)V = E(\lambda_1,T) + \dots + E(\lambda_m,T)

(右端自动是直和)。

任取 v∈Vv \in V。令 q(z)=∏j=1m(z−λj)q(z) = \prod_{j=1}^{m}(z-\lambda_j)(这就是极小多项式),并对每个 jj 令

qj(z)=q(z)z−λj=∏k≠j(z−λk).q_j(z) = \frac{q(z)}{z-\lambda_j} = \prod_{k \neq j}(z-\lambda_k).

注意 qj(λj)≠0q_j(\lambda_j) \neq 0,因为 qq 的零点互不相同,故 λj\lambda_j 不是 qjq_j 的零点。于是 qjq_j 与 z−λjz - \lambda_j 没有公共零点,即二者互素。

第一步:部分分式分解。 由扩展欧几里得(互素的两个多项式可以组合出 11;讲义幻灯片末尾恰好补充了这一结论),存在多项式 aj,bja_j, b_j 使

aj(z)qj(z)+bj(z)(z−λj)=1.a_j(z)q_j(z) + b_j(z)(z-\lambda_j) = 1.

把所有 jj 的这些分解合起来,可得存在多项式 c1,…,cmc_1,\dots,c_m 使

∑j=1mcj(z)qj(z)=1.\sum_{j=1}^{m} c_j(z)q_j(z) = 1.

(这一步的一般形式是”若 q1,…,qmq_1,\dots,q_m 两两互素,则存在 cjc_j 使 ∑jcjqj=1\sum_j c_jq_j = 1“,由两两情形的归纳得到。)

第二步:把 vv 拆到各特征空间。 把 zz 换成 TT(由 [定理 5.17(a)]),

I=∑j=1mcj(T)qj(T),故v=∑j=1mcj(T)qj(T)v.I = \sum_{j=1}^{m} c_j(T)q_j(T), \qquad\text{故}\qquad v = \sum_{j=1}^{m} c_j(T)q_j(T)v.

令 vj=cj(T)qj(T)vv_j = c_j(T)q_j(T)v。断言 vj∈E(λj,T)v_j \in E(\lambda_j,T):由 q(T)=0q(T) = 0 与 q(z)=(z−λj)qj(z)q(z) = (z-\lambda_j)q_j(z),

(T−λjI)vj=(T−λjI)cj(T)qj(T)v=cj(T)(T−λjI)qj(T)v=cj(T) q(T)v=0,(T - \lambda_jI)v_j = (T-\lambda_jI)c_j(T)q_j(T)v = c_j(T)(T-\lambda_jI)q_j(T)v = c_j(T)\,q(T)v = 0,

中间一步用了 cj(T)c_j(T) 与 T−λjIT - \lambda_jI 可交换([定理 5.17(b)])。故 vj∈null(T−λjI)=E(λj,T)v_j \in \text{null}(T-\lambda_jI) = E(\lambda_j,T)。

由 vv 任意,V=∑jE(λj,T)V = \sum_j E(\lambda_j,T),再由 定理 5.54 它是直和,故由 定理 5.55 TT 可对角化。

(⟹\Longrightarrow)可对角化 ⇒\Rightarrow 极小多项式无重零点。

由 定理 5.55(b),VV 有由特征向量构成的基 v1,…,vnv_1,\dots,v_n,对应特征值 μ1,…,μn\mu_1,\dots,\mu_n(可能有重复)。

第一步:造一个”无重零点”的零化多项式。 设 λ1,…,λm\lambda_1,\dots,\lambda_m 是 TT 的互不相同的特征值,令

p(z)=(z−λ1)⋯(z−λm).p(z) = (z-\lambda_1)\cdots(z-\lambda_m).

对每个基向量 vkv_k,其特征值 μk\mu_k 等于某个 λj\lambda_j,故 (T−μkI)vk=0(T-\mu_kI)v_k = 0,于是

p(T)vk=0,p(T)v_k = 0,

因为乘积 p(T)p(T) 中含因式 T−μkIT - \mu_kI,而由 [定理 5.17(b)] 可把它换到最前面。上式对基中每个 vkv_k 成立,故 p(T)=0p(T) = 0,即 pp 是零化多项式。

第二步:pp 无重零点,故极小多项式也无重零点。 由 定理 5.29,极小多项式整除 pp。而 pp 是互不相同一次因式之积,它的任何因式也必然是互不相同一次因式之积。故极小多项式形如 (z−λj1)⋯(z−λjs)(z-\lambda_{j_1})\cdots(z-\lambda_{j_s}),其中下标互不相同。■\blacksquare

证明的两个方向不对称,值得注意:

  • 正向(无重零点 ⇒\Rightarrow 可对角)用的是部分分式分解,它把恒等算子拆成”各特征空间上的投影”之和。这是构造性的,给出了明确的分解公式。
  • 反向(可对角 ⇒\Rightarrow 无重零点)用的是造零化多项式的技巧:取不同的特征值各一次,乘起来就够了。

为什么要用部分分式? 因为它的作用正是”把 11 拆成互不重叠的部分”。而 11 对应恒等算子 II,qj(T)q_j(T) 又各自落在某个特征空间的”方向”上,于是 v=∑jcj(T)qj(T)vv = \sum_j c_j(T)q_j(T)v 就把任意向量拆成了各特征空间的分量。这与 lecture 9 中”用投影算子做直和分解”是同一件事的技术版。

5.3 怎么实际判断”有没有重零点”

极小多项式判据的用法是:算出极小多项式,再看它有没有重根。而”有没有重根”是纯代数问题:

p 无重零点  ⟺  gcd⁡(p,p′)=1,p \text{ 无重零点} \iff \gcd(p, p') = 1,

其中 p′p' 是 pp 的导数。理由:pp 有重零点 λ\lambda 当且仅当 p(λ)=p′(λ)=0p(\lambda) = p'(\lambda) = 0,即 pp 与 p′p' 有公共零点。

Example(对角化的三种情形)
设 dim⁡V=3\dim V = 3,TT 的极小多项式分别为:

  1. p(z)=(z−2)(z−3)(z−5)p(z) = (z-2)(z-3)(z-5):三个互不相同的零点,故 TT 可对角化。
  2. p(z)=(z−2)2(z−3)p(z) = (z-2)^2(z-3):有重零点 22,故 TT 不可对角化。此时 VV 只能拆成对应 22 与 33 的两块,而对应 22 的那块虽然有两维,TT 在其上却不是数乘,而是一个 Jordan 块 (2102)\begin{pmatrix} 2 & 1\\ 0 & 2\end{pmatrix}。
  3. p(z)=(z−2)(z2+1)p(z) = (z-2)(z^2+1),F=R\mathbf{F} = \mathbf{R}:z2+1z^2+1 不可约,故连上三角化都做不到(定理 5.44)。若 F=C\mathbf{F} = \mathbf{C},则 p(z)=(z−2)(z−i)(z+i)p(z) = (z-2)(z-i)(z+i),三个互不相同的零点,故 TT 可对角化。

这三种情形把三档”简单程度”排成一条线:

不可上三角化 ⊃ 可上三角化但不可对角化 ⊃ 可对角化.\text{不可上三角化}\ \supset\ \text{可上三角化但不可对角化}\ \supset\ \text{可对角化}.

在 C\mathbf{C} 上第一档是空的(定理 5.47),故只剩后两档。这解释了为什么复算子的理论比实的干净:最坏的情形被消除了。

5.4 一个有用的推论:可对角化在限制下保持

Theorem 5.65
设 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) 可对角化,UU 是 VV 的在 TT 下不变的子空间。则 T∣UT|_U 是 UU 上的可对角化算子。

证明:由 定理 5.62,TT 的极小多项式无重零点。由 定理 5.31(限制算子的极小多项式整除原极小多项式),T∣UT|_U 的极小多项式也整除它,故也无重零点。由 定理 5.62,T∣UT|_U 可对角化。■\blacksquare

这个证明只有三行,但它展示了 定理 5.62 的威力。若改用 定理 5.55(d)(维数判据)来证,就要考察 UU 与各个 E(λ,T)E(\lambda,T) 的交,会麻烦得多。选对判据,证明就短。

6. 本讲概念映射 (Summary)

关心的问题精确形式编号
什么样的矩阵最简单对角矩阵:除对角线外处处为零5.48
什么叫可对角化存在一组基使矩阵对角5.50
对角化可能需要换基标准基下不像对角,换组基之后可以5.51
同一特征值的向量住在哪特征空间 E(λ,T)=null(T−λI)E(\lambda,T) = \text{null}(T-\lambda I)5.52
特征空间会重叠吗不会:互不相同特征值的特征空间之和是直和5.54
可对角化的等价条件(a)   ⟺  \iff (b) 有特征向量基   ⟺  \iff (c) 特征空间直和   ⟺  \iff (d) 维数之和 =dim⁡V=\dim V5.55
最实用的判据(d):只需数维数,不必找基5.55
特征值个数够不够不够:T(z1,z2,z3)=(4z1,4z2,5z3)T(z_1,z_2,z_3)=(4z_1,4z_2,5z_3) 只有两个特征值却可对角化4.2 节
不必求根的判据极小多项式有互不相同的零点5.62
与”能上三角”的差别上三角允许重零点,对角要求无重零点5.44 vs 5.62
限制算子是否保持可对角化是5.65

一条主线

本讲围绕一个判断展开,即能不能让矩阵变成对角矩阵。为此引入特征空间,把对应同一特征值的向量打包,于是问题变成”这些特征空间的直和是否等于整个 VV“。而 定理 5.54 保证它们自动构成直和,所以问题进一步简化为”维数之和是否等于 dim⁡V\dim V“(定理 5.55(d))。

但这个判据需要先算特征值,而特征值一般算不出来。于是需要不求根的判据,那就是 定理 5.62:可对角化   ⟺  \iff 极小多项式有互不相同的零点。它与 lecture 13 的 定理 5.44 只差”互不相同”四个字,而这四个字正是三档简单程度的最后一道门槛。

一句话概括:可对角化的本质是**”TT 能被拆成一组互不干扰的数乘”,而判断这件事最省力的办法是看它的极小多项式有没有重根**。

7. Questions to Carry Forward (下节课前瞻)

  • 三档简单程度与空白:本章建立了三档结论,即 C\mathbf{C} 上任何算子都能上三角化(定理 5.47)、极小多项式无重零点时可对角化(定理 5.62)、一般情形不可对角化。这中间的空白(可上三角但不可对角)在 Chapter 8 由 Jordan 形填补,它把矩阵化到”对角块加 11“的形状。
  • 特征多项式:Chapter 8 会定义 det⁡(zI−T)\det(zI - T),并证明它的根(带重数)与极小多项式的零点集合相同。届时”重数”有了精确含义(代数重数),而 dim⁡E(λ,T)\dim E(\lambda,T) 称为几何重数,两者之差正好度量”不可对角化的程度”。
  • 限制与商:定理 5.65 说明可对角化在限制下保持;商算子也保持(习题 5.D 的内容)。
  • 同时对角化:若两个算子可交换且各自可对角化,则它们可以同时对角化。这条结论的证明依赖本讲的 定理 5.62,因为”限制到特征空间”这一操作在极小多项式判据下非常好用。
  • 理论给出”是否可能”,数值给出”具体是多少”:本讲的判据都是结构性的,而实际计算仍要靠数值方法(例子 5.26 的教训)。

8. Exercises (Homework Assignment 14: LADR 5.C: 3, 10, 13, 16)

编号说明:正文定理编号一律用第四版;作业题号来自第三版。第三版把对角化放在 5.C,第四版把它移到 5.D(第四版 5.C 是上三角矩阵)。因此作业中的 “5.C: 3, 10, 13, 16” 对应第四版 5.D 一带的题目。

第三版题号(作业)第四版对应题考查内容
5.C.35.D.3V=null T⊕range TV = \text{null } T \oplus \text{range } T 的三个等价条件
5.C.10无完全对应非零特征值的特征空间维数之和 ≤dim⁡range T\le \dim \text{range } T
5.C.135.D.10构造特征值相同但不相似的两个算子
5.C.165.D.21Fibonacci:TT 的幂、特征值、特征向量基、Binet 公式

关于 5.C.10 的说明:第四版没有与之逐字对应的题(第四版 5.D 的相关练习是别的内容),故下面按第三版原题作答。

5.C.3

Suppose VV is finite-dimensional and T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V). Prove that the following are equivalent: (a) V=null T⊕range TV = \text{null } T \oplus \text{range } T.

(b) V=null T+range TV = \text{null } T + \text{range } T.

(c) null T∩range T={0}\text{null } T \cap \text{range } T = \{0\}.

(第三版 5.C.3;第四版 5.D.3 是它的特例,即”若 TT 可对角化则 V=null T⊕range TV = \text{null } T \oplus \text{range } T”。)

solution:

记 N=null TN = \text{null } T,R=range TR = \text{range } T。由基本定理(定理 3.21),

dim⁡V=dim⁡N+dim⁡R.(∗)\dim V = \dim N + \dim R. \tag{$\ast$}

(a) ⇒\Rightarrow (b):直和当然是和。

(b) ⇒\Rightarrow (c):设 V=N+RV = N + R。由和空间的维数公式(lecture 2 的 2.43),

dim⁡V=dim⁡(N+R)=dim⁡N+dim⁡R−dim⁡(N∩R).\dim V = \dim(N+R) = \dim N + \dim R - \dim(N\cap R).

与 (∗)(\ast) 比较得 dim⁡(N∩R)=0\dim(N\cap R) = 0,即 N∩R={0}N \cap R = \{0\}。

(c) ⇒\Rightarrow (a):设 N∩R={0}N \cap R = \{0\},这正是”N+RN + R 是直和”的条件。还需 N+R=VN + R = V。由和空间维数公式与 (∗)(\ast),

dim⁡(N+R)=dim⁡N+dim⁡R−0=dim⁡V,\dim(N+R) = \dim N + \dim R - 0 = \dim V,

而 N+R⊆VN + R \subseteq V,故由 lecture 4 的 定理 2.39 得 N+R=VN+R = V。结合直和性,V=N⊕RV = N \oplus R。■\blacksquare

要点:三个条件的等价其实是”一个维数恒等式把三个条件串起来”。核心是 (∗)(\ast),它让"dim⁡(N∩R)=0\dim(N\cap R)=0"与"dim⁡(N+R)=dim⁡V\dim(N+R)=\dim V"成为同一件事,而前者对应 N∩R={0}N\cap R=\{0\}(直和),后者对应 N+R=VN+R = V。

与对角化的联系:若 TT 可对角化,则

V=E(0,T)⊕⨁λ≠0E(λ,T),V = E(0,T) \oplus \bigoplus_{\lambda \neq 0}E(\lambda,T),

而 E(0,T)=null TE(0,T) = \text{null } T,且所有非零特征值的特征空间之直和恰好是 range T\text{range } T(因为 TT 在那个直和上的限制可逆)。于是 TT 可对角化 ⇒\Rightarrow V=null T⊕range TV = \text{null } T \oplus \text{range } T,这就是第四版 5.D.3 的内容。

5.C.10

Suppose that VV is finite-dimensional and T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V). Let λ1,…,λm\lambda_1, \dots, \lambda_m denote the distinct nonzero eigenvalues of TT. Prove that

dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)≤dim⁡range T.\dim E(\lambda_1,T) + \dots + \dim E(\lambda_m,T) \le \dim \text{range } T.

solution:

第一步:非零特征值的特征空间都落在值域里。 设 λ≠0\lambda \neq 0 是特征值,v∈E(λ,T)v \in E(\lambda,T)。则 Tv=λvTv = \lambda v,故

v=1λ Tv∈range T.v = \frac{1}{\lambda}\,Tv \in \text{range } T.

所以

E(λ,T)⊆range T(λ≠0).E(\lambda,T) \subseteq \text{range } T \qquad (\lambda \neq 0).

这一步是本题的要害,它用到了 λ≠0\lambda \neq 0:若 λ=0\lambda = 0,则 E(0,T)=null TE(0,T) = \text{null } T 一般不在值域里。这正是题目要求”非零特征值”的原因。

第二步:和是直和,且落在值域里。 由 定理 5.54,因为 λ1,…,λm\lambda_1,\dots,\lambda_m 互不相同,

U:=E(λ1,T)⊕⋯⊕E(λm,T)U := E(\lambda_1,T) \oplus \dots \oplus E(\lambda_m,T)

是直和。而由第一步每个 E(λj,T)⊆range TE(\lambda_j,T) \subseteq \text{range } T,故(值域是子空间)

U⊆range T.U \subseteq \text{range } T.

第三步:取维数。 由 定理 3.94 与第二步,

dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)=dim⁡U≤dim⁡range T.■\dim E(\lambda_1,T) + \dots + \dim E(\lambda_m,T) = \dim U \le \dim \text{range } T. \qquad\blacksquare

要点:这道题给出了 定理 5.54 中不等式的改进版。原来的是

∑j=1mdim⁡E(λj,T)≤dim⁡V,\sum_{j=1}^{m}\dim E(\lambda_j,T) \le \dim V,

而本题把非零特征值挑出来,得到更强的估计

∑λj≠0dim⁡E(λj,T)≤dim⁡range T.\sum_{\lambda_j \neq 0}\dim E(\lambda_j,T) \le \dim \text{range } T.

两者之差恰好是 dim⁡E(0,T)=dim⁡null T\dim E(0,T) = \dim \text{null } T,与基本定理 dim⁡V=dim⁡null T+dim⁡range T\dim V = \dim\text{null } T + \dim\text{range } T 完全吻合。

它也顺带给出了可对角化的一个必要条件:若 TT 可对角化,则

dim⁡V=dim⁡null T+∑λj≠0dim⁡E(λj,T)≤dim⁡null T+dim⁡range T=dim⁡V,\dim V = \dim\text{null } T + \sum_{\lambda_j \neq 0}\dim E(\lambda_j,T) \le \dim\text{null } T + \dim\text{range } T = \dim V,

故所有不等式取等号。这正是 5.C.3 与本题合起来说明的:可对角化蕴含 V=null T⊕range TV = \text{null } T \oplus \text{range } T。

5.C.13

Find R,T∈L(F4)R, T \in \mathcal{L}(\mathbf{F}^4) such that RR and TT each have 2,6,72, 6, 7 as eigenvalues, RR and TT have no other eigenvalues, and there does not exist an invertible operator S∈L(F4)S \in \mathcal{L}(\mathbf{F}^4) such that R=S−1TSR = S^{-1}TS.

(第三版 5.C.13;第四版 5.D.10。两版同题。)

solution:

思路:44 维空间里只有 33 个特征值,故必有一个特征值”占两维”。让一个算子在那两维上可对角化(两个独立方向),另一个不可(一个方向加一个 Jordan 块),它们就不可能相似。

构造:关于标准基 e1,e2,e3,e4e_1,e_2,e_3,e_4,令

M(T)=(2000020000600007),M(R)=(2100020000600007).\mathcal{M}(T) = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 2 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 6 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 7\end{pmatrix}, \qquad \mathcal{M}(R) = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 2 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 6 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 7\end{pmatrix}.

第一步:特征值都是 2,6,72, 6, 7,无其他。 两个矩阵都上三角,对角元都是 2,2,6,72,2,6,7。由 定理 5.41,特征值恰为对角元,故两者特征值集合都是 {2,6,7}\{2,6,7\}。

第二步:两者的极小多项式不同。

  • TT:TT 是对角矩阵,故 T−2IT - 2I、T−6IT-6I、T−7IT-7I 都不为零,但 (T−2I)(T−6I)(T−7I)=0,(T-2I)(T-6I)(T-7I) = 0, 因为在对角元上,因式 z−2z-2 杀掉前两个坐标,其余因式杀掉后两个。故 pT(z)=(z−2)(z−6)(z−7)p_T(z) = (z-2)(z-6)(z-7),零点互不相同。
  • RR:R−2IR - 2I 把 e2e_2 送到 e1≠0e_1 \neq 0,故 R−2I≠0R - 2I \neq 0。而 (R−2I)2=0(R-2I)^2 = 0(它只把 e2e_2 送到 e1e_1、把 e1e_1 送到 00)。于是 (R−2I)2(R−6I)(R−7I)=0.(R-2I)^2(R-6I)(R-7I) = 0. 但 (R−2I)(R−6I)(R−7I)≠0(R-2I)(R-6I)(R-7I) \neq 0:它把 e2e_2 送到 (R−6I)(R−7I)e1=(2−6)(2−7)e1=20e1≠0(R-6I)(R-7I)e_1 = (2-6)(2-7)e_1 = 20e_1 \neq 0。故 pR(z)=(z−2)2(z−6)(z−7)p_R(z) = (z-2)^2(z-6)(z-7),有重零点 22。

第三步:极小多项式不同,故不相似。 设存在可逆 SS 使 R=S−1TSR = S^{-1}TS。则对任意多项式 pp,

p(R)=p(T) 的相似变换=S−1p(T)S,p(R) = p(T)\ \text{的相似变换} = S^{-1}p(T)S,

故 p(R)=0  ⟺  p(T)=0p(R) = 0 \iff p(T) = 0。特别地,pTp_T 零化 TT 因而零化 RR:pT(R)=S−1pT(T)S=0p_T(R) = S^{-1}p_T(T)S = 0。而 pRp_R 是 RR 的极小多项式,由 定理 5.29,pRp_R 整除 pTp_T。但 pRp_R 含 (z−2)2(z-2)^2 而 pTp_T 只含一次 (z−2)(z-2),不能整除,矛盾。

等价地:极小多项式在相似变换下不变(因为零化多项式的集合相同),而 pR≠pTp_R \neq p_T,故不存在这样的 SS。■\blacksquare

要点:核心是用极小多项式(等价地”是否有重零点”)区分相似类。两个算子可以拥有相同的特征值集合、甚至相同的重数,但只要极小多项式的重数不同,它们就不相似。

结构性含义:44 维、33 个特征值,故有一个特征值占两维。那两维的部分只有两种可能:

(2002)或(2102).\begin{pmatrix} 2 & 0\\ 0 & 2\end{pmatrix} \quad\text{或}\quad \begin{pmatrix} 2 & 1\\ 0 & 2\end{pmatrix}.

前者可对角化,后者不可。这两种块正是 Jordan 形里最简单的两种基本块,而 Chapter 8 会证明:任何复矩阵都能唯一地(除块次序外)分解成这种块的直和,这就是 Jordan 形,是矩阵相似分类的完整答案。

这也解释了为什么本讲只能给出”可对角/不可对角”的二值判断:更细的分类需要 Jordan 形,而它要等 Chapter 8 的工具。

5.C.16

The Fibonacci sequence F1,F2,…F_1, F_2, \dots is defined by

F1=1,F2=1,Fn=Fn−2+Fn−1  (n≥3).F_1 = 1, \quad F_2 = 1, \quad F_n = F_{n-2} + F_{n-1}\ \ (n \ge 3).

Define T∈L(R2)T \in \mathcal{L}(\mathbf{R}^2) by T(x,y)=(y,x+y)T(x,y) = (y, x+y). (a) Show that Tn(0,1)=(Fn,Fn+1)T^n(0,1) = (F_n, F_{n+1}) for each positive integer nn.

(b) Find the eigenvalues of TT.

(c) Find a basis of R2\mathbf{R}^2 consisting of eigenvectors of TT.

(d) Use the solution to (c) to compute Tn(0,1)T^n(0,1). Conclude that

Fn=15[(1+52)n−(1−52)n]F_n = \frac{1}{\sqrt5}\left[\left(\frac{1+\sqrt5}{2}\right)^n - \left(\frac{1-\sqrt5}{2}\right)^n\right]

for each positive integer nn.

(e) Use (d) to conclude that for each positive integer nn, FnF_n is the integer closest to

15(1+52)n.\frac{1}{\sqrt5}\left(\frac{1+\sqrt5}{2}\right)^n.

(第三版 5.C.16;第四版 5.D.21。这是全课程中”用线性代数解决一个看似无关的问题”的最经典例子。)

solution:

(a) 归纳。 记 Tn(0,1)=(an,bn)T^n(0,1) = (a_n, b_n)。

n=1n = 1:T(0,1)=(1,1)=(F1,F2)T(0,1) = (1,1) = (F_1, F_2),因为 F1=F2=1F_1 = F_2 = 1。✓\checkmark

设 Tn(0,1)=(Fn,Fn+1)T^n(0,1) = (F_n, F_{n+1})。则

Tn+1(0,1)=T(Fn,Fn+1)=(Fn+1, Fn+Fn+1)=(Fn+1, Fn+2),T^{n+1}(0,1) = T(F_n, F_{n+1}) = \big(F_{n+1},\ F_n + F_{n+1}\big) = \big(F_{n+1},\ F_{n+2}\big),

最后一步用了 Fn+2=Fn+Fn+1F_{n+2} = F_n + F_{n+1}。由归纳原理,结论对一切正整数 nn 成立。✓\checkmark

(b) 特征值。 TT 关于标准基的矩阵是

M(T)=(0111).\mathcal{M}(T) = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 1 & 1\end{pmatrix}.

求特征值即求 λ\lambda 使 T(x,y)=λ(x,y)T(x,y) = \lambda(x,y) 有非零解:

y=λx,x+y=λy.y = \lambda x, \qquad x + y = \lambda y.

把第一式代入第二式得 x+λx=λ2xx + \lambda x = \lambda^2x。因 x≠0x \neq 0(否则 y=0y = 0),故

λ2−λ−1=0,\lambda^2 - \lambda - 1 = 0,

即

λ1=1+52,λ2=1−52.\lambda_1 = \frac{1+\sqrt5}{2}, \qquad \lambda_2 = \frac{1-\sqrt5}{2}.

(λ1\lambda_1 即黄金比 φ\varphi;且 λ1+λ2=1\lambda_1 + \lambda_2 = 1,λ1λ2=−1\lambda_1\lambda_2 = -1。)

(c) 特征向量与基。 由 y=λxy = \lambda x,对应 λj\lambda_j 的特征向量是

v1=(1,1+52),v2=(1,1−52).v_1 = \left(1, \frac{1+\sqrt5}{2}\right), \qquad v_2 = \left(1, \frac{1-\sqrt5}{2}\right).

λ1≠λ2\lambda_1 \neq \lambda_2 故两者不成比例,即线性无关。由 dim⁡R2=2\dim \mathbf{R}^2 = 2,{v1,v2}\{v_1,v_2\} 是一组由特征向量构成的基。(也可直接引用 定理 5.11。)

(d) 用这组基算 Tn(0,1)T^n(0,1)。

第一步:把 (0,1)(0,1) 用 v1,v2v_1, v_2 表示。 设 (0,1)=αv1+βv2(0,1) = \alpha v_1 + \beta v_2。比较第一坐标得 0=α+β0 = \alpha + \beta,故 β=−α\beta = -\alpha。比较第二坐标:

1=αλ1+βλ2=α(λ1−λ2)=α5,1 = \alpha\lambda_1 + \beta\lambda_2 = \alpha(\lambda_1 - \lambda_2) = \alpha\sqrt5,

故 α=1/5\alpha = 1/\sqrt5、β=−1/5\beta = -1/\sqrt5。

第二步:用特征向量的性质。 由 Tvj=λjvjTv_j = \lambda_jv_j 得 Tnvj=λjnvjT^nv_j = \lambda_j^nv_j。于是

Tn(0,1)=15λ1nv1−15λ2nv2.T^n(0,1) = \frac{1}{\sqrt5}\lambda_1^nv_1 - \frac{1}{\sqrt5}\lambda_2^nv_2.

第三步:读第一坐标。 因 v1,v2v_1, v_2 的第一坐标都是 11,

(Tn(0,1))1=15(λ1n−λ2n).\big(T^n(0,1)\big)_1 = \frac{1}{\sqrt5}\left(\lambda_1^n - \lambda_2^n\right).

而由 (a) 这个第一坐标就是 FnF_n,故

Fn=15[(1+52)n−(1−52)n](n≥1).✓F_n = \frac{1}{\sqrt5}\left[\left(\frac{1+\sqrt5}{2}\right)^n - \left(\frac{1-\sqrt5}{2}\right)^n\right] \qquad (n \ge 1). \qquad\checkmark

这就是 Binet 公式。

(e) FnF_n 是最接近 λ1n/5\lambda_1^n/\sqrt5 的整数。

由 (d),

∣Fn−λ1n5∣=∣λ2∣n5.\left|F_n - \frac{\lambda_1^n}{\sqrt5}\right| = \frac{|\lambda_2|^n}{\sqrt5}.

而

∣λ2∣=∣1−52∣=5−12≈0.618<1,|\lambda_2| = \left|\frac{1-\sqrt5}{2}\right| = \frac{\sqrt5 - 1}{2} \approx 0.618 < 1,

故对一切 n≥1n \ge 1,

∣λ2∣n5<15≈0.447<12.\frac{|\lambda_2|^n}{\sqrt5} < \frac{1}{\sqrt5} \approx 0.447 < \frac12.

因此 λ1n/5\lambda_1^n/\sqrt5 与整数 FnF_n 的距离小于 1/21/2,即 FnF_n 是距它最近的整数。 ■\blacksquare

要点:这道题是”把递推关系翻译成算子的幂”的典范。论证结构是:

Fibonacci 递推⏟数列的局部规则 ⟶ T(x,y)=(y,x+y)⏟二维算子 ⟶ 特征值是 λ1,2⏟黄金比的来源 ⟶ Binet 公式⏟闭式解.\underbrace{\text{Fibonacci 递推}}_{\text{数列的局部规则}}\ \longrightarrow\ \underbrace{T(x,y)=(y,x+y)}_{\text{二维算子}}\ \longrightarrow\ \underbrace{\text{特征值是 } \lambda_{1,2}}_{\text{黄金比的来源}}\ \longrightarrow\ \underbrace{\text{Binet 公式}}_{\text{闭式解}}.

为什么这能成功? 因为 Fibonacci 递推是线性的、且只依赖前两项,所以它完全由 R2\mathbf{R}^2 上的一个算子决定。而”求通项”就等于”求 TnT^n“,后者在特征向量基下变成”各自取 λn\lambda^n“(这正是可对角化的用处,见 定理 5.55(b))。

这也说明了本章抽象的回报:特征值、特征向量、对角化这些概念,在 R2\mathbf{R}^2 上就是”找一个坐标系使算子变成两个独立的数乘”。一旦找到,TnT^n 就变成两个标量的 nn 次幂。Fibonacci 的增长率之所以是黄金比,正因为那是 TT 的特征值。

(注:第四版把下标改为 F0=0,F1=1F_0 = 0, F_1 = 1,结论相应写成”对非负整数 nn“。两种约定实质相同,只是起点不同。)