不变子空间
定义
设
以下是一些不变子空间的示例:
- 设
, 那么零空间 、 、 、 都是 下的不变子空间。 - 设
定义为 ,则 是 下的不变子空间。
本征值与本征向量
定义
本征值和本征向量的概念离不开一个场景——一维不变子空间。
设
于是我们得到了
下面给出完整定义:
- 设
、 ,若存在非零向量 使得 ,则称 为 的本征值(eigenvalue)。 - 设
、 ,若存在 使得 ,则称 为 的相应于 的本征向量(eigenvector)。
本征值存在的等价条件
设
- (a)
是 的本征值; - (b)
不是单射的; - (c)
不是满射的; - (d)
不可逆;
证明:因为算子的单射性、满射性、可逆性等价成立,故而情况 (b)、(c)、(d) 等价成立。若情况 (a) 成立,则
不同本征值的本征向量线性无关
若
证明:
设
于是有
由本征值和本征向量的定义可得:
将第一个等式乘以
因为每个
本征值的个数
由不同本征值对应的本征向量线性无关的结论易得结论:
设
限制算子和商算子
设
- 限制算子(restriction operator)
的定义为:
此处
- 商算子(quotien operator)
的定义为:
此处
算子代入多项式
算子的幂
设
- 定义
为 个 相乘的结果,即 ; - 定义
为 上的恒等算子 ; - 若
可逆,则定义 为其逆的 次幂,即 ;
多项式算子
设
此外,还有两个关于多项式乘积算子的性质,设
; ;
证明:
首先我们证明第一条性质, 设对于任意
那么扩展代入到算子中,则:
故而第一条性质成立。
根据第一条性质,我们可以直接推算出第二条性质:
本征值的存在性
定理:任意有限维非零复向量空间上的所有算子都有其对应的本征值。
证明:设
结合代数学基本定理,上式可以分解成多个一次因式乘积的形式:
此处
上式说明,必然有一项
即