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不变子空间

定义

TL(V)UV 的一个子空间,并对任意 uU 都有 TuU ,则称 UT 下的不变子空间(invariant subspace)。

以下是一些不变子空间的示例:

  • TL(V) , 那么零空间 {0}VnullTrangeT 都是 T 下的不变子空间。
  • TL(P(R)) 定义为 T(p)=p ,则 P4(R)T 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。

vVv0 ,并设 Uv 的标量倍向量构成的集合,即 v 的张成空间:

U={λv:λF}=span(v)

于是我们得到了 V 的一维子空间 U,若是 U 在某个算子 TL(V) 下不变,那么此时 U 就是一个不变子空间。这里的 λv 分别称之为本征值和本征向量。

下面给出完整定义:

  • TL(V)λF ,若存在非零向量 vV 使得 Tv=λv ,则称 λT本征值(eigenvalue)。
  • TL(V)vVv0 ,若存在 λF 使得 Tv=λv ,则称 vT 的相应于 λ本征向量(eigenvector)。

本征值存在的等价条件

V 是有限维的 、TL(V)λF ,那么以下情况等价成立:

  • (a) λT 的本征值;
  • (b) TλI 不是单射的;
  • (c) TλI 不是满射的;
  • (d) TλI 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 Tv=λv ,可得 Tvλv=0 , 那么本征向量 v 便属于 TλI 的零空间,故而情况 (a) 和 (b) 也等价成立。

不同本征值的本征向量线性无关

TL(V) ,设 λ1,λm 都是 T 互不相同的本征值,那么这些本征值对应的本征向量 v1,,vm 线性无关。

证明:

v1,,vm 线性相关,且设 k 是使得下式成立的最小下标:

vkspan(v1,,vk1)

于是有 a1,,ak1F 使得:

vk=a1v1,,ak1vk1

由本征值和本征向量的定义可得:

T(vk)=λkvkT(a1v1,,ak1vk1)=a1T(v1),,ak1T(vk1)=a1λ1v1,,ak1λk1vk1λkvk=a1λ1v1,,ak1λk1vk1

将第一个等式乘以 λk 后再与第二个等式相减可得:

0=a1(λkλ1)v1,,ak1(λkλk1)vk1

因为每个 λ 不相等,且 v1,,vk1 又是非零向量,所以只能是 a1,,ak1 全为零,但如果反代回第一个等式,会使得 vk=0 ,此时会与本征向量的定义相悖,故而 v1,,vm 线性相关的假设不成立。

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:

V 是有限维向量空间,那么 V 上的每个算子最多有 dimV 个不同的本征值。

限制算子和商算子

TL(V) , 且 UV 的在 T 下的不变子空间。

  • 限制算子(restriction operator) TUL(U) 的定义为:
TU(u)=Tu

此处 uU

  • 商算子(quotien operator) T/UL(V/U) 的定义为:
(T/U)(v+U)=Tv+U

此处 vV

算子代入多项式

算子的幂

TL(V) ,且 m 是正整数,那么:

  • 定义 TmmT 相乘的结果,即 Tm=TTm ;
  • 定义 T0V 上的恒等算子 I
  • T 可逆,则定义 Tm 为其逆的 m 次幂,即 Tm=(T1)m

多项式算子

TL(V)pP(F) ,对任意 zF 都有 p(z)=a0+a1z+a2z2++amzm ,则 p(T) 是定义为 p(T)=a0I+a1T+a2T2++amTm 的算子。

此外,还有两个关于多项式乘积算子的性质,设 p,qP(F) ,对于任意算子 TL(V) 都有:

  • (pq)(T)=p(T)q(T)
  • p(T)q(T)=q(T)p(T)

证明:

首先我们证明第一条性质, 设对于任意 zFp(z)=j=0majzjq(z)=k=0nbkzk ,那么:

(pq)(z)=j=0mk=0najbkzj+k

那么扩展代入到算子中,则:

(pq)(T)=j=0mk=0najbkTj+k=(j=0majTj)(k=0nbkTk)=p(T)q(T)

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:

p(T)q(T)=(pq)(T)=(qp)(T)=q(T)p(T)

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 dimV=nn>0 ,取一个非零向量 vV ,因为有限维向量空间不同的本征值数量不超过维数,那么长度为 n+1 的向量组 v,Tv,T2v,,Tnv 必然是线性相关的,于是必然有 n+1 个不全为 0 的实数组使得:

0=a0v+a1Tv++anTnv

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:

0=a0v+a1Tv++anTnv=(a0+a1T++anTn)v=c(Tλ1I)(TλmI)v

此处 c,λ1,,λmC

上式说明,必然有一项 (TλI)v 等于 0 ,设该等式成立的 λ 的下标是 k ,那么:

(TλkI)v=0TvλkIv=0Tv=λkIvTv=λkv

T 必然存在本征值。

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