根子空间分解
6页根子空间分解定义 设为上维线性空间,为的一个线性变换,为的一个特征值,为的一个非零向量。如果存在正整数,使,则称为线性变换的一个属于特征值的根向量,称子空间为的属于特征值的根子空间。定义 设是线性空间上的一个线性变换,如果的方幂等于零变换,则称是幂零的。1、 设是维线性空间上的一个线性变换,证明:根子空间是子空间,且。证:与可交换,所以是子空间。是显然的;而,若,显然,若,令是使得最小正整数,考虑, (1)将作用(1)式两边,有,进而,再将作用(1)式两边,有,进而,继续下去,可得。因而线性无关,知,从而,于是。综上。 证毕2、设是维线性空间上的一个线性变换,是的互不相同的特征值,证明:,且的代数重数。证:时,取的基,设,知,结论成立。假设对结论成立。考虑时,设为的一个特征值,有。令,显然是子空间。则。进而,因为,知,得。 (1)因为,所以根据归纳假设知, (2)这里是的互不相同的特征值。显然是的互不相同的特征值,且,。将(2)代入(1)有。设,取基,则是的基。令是在基下的矩阵,则是在下的矩阵。有,所以。因为的代数重数,于是的代数重数。 证毕3、设是维线性空间上的幂零线性变换,证明:存在的一个基,使得在这个基下的矩阵是对角线上元素皆为零的上三角方阵。证:因为,先取的基,再扩张成的基,继续下去,最后得到所需的的基,使得在这个基下的矩阵是对角线上的元素皆为零的上三角方阵。 证毕4、设是维线性空间的线性变换的互不相同的特征值,证明:存在的一个基,使得在这个基下的矩阵是上三角方阵。 证:根据第2题。根据第1题是幂零变换。根据第3题存在的一个基,使得在此基下的矩阵是对角线上元素皆为零的上三角方阵,进而在此基下的矩阵是主对角元为的上三角矩阵。合并的基,构成的一个基,在的这个基下的矩阵是。 证毕5、 设矩阵 ,求可逆矩阵,使是上三角方阵。解:是属于1的特征向量,是属于1的根向量,是属于-2的特征向量。定义的线性变换为,有,。而,。故,而,有。注:这里用到课题“特征值与特征向量的求法”的第4题。
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