Skip to content

谱定理 ​

复谱定理 ​

设 F=C 且 T∈L(V),则以下条件等价成立:

  1. T 是正规的;
  2. V 有一个由 T 的本征向量组成的规范正交基;
  3. T 关于 V 的某个规范正交基具有对角矩阵;

证明:首先条件2和条件3显然等价成立,我们只需证明条件1和条件3等价成立即可。

当假定条件3成立时,则 T 关于 V 的某个规范正交基具有对角矩阵,因为 T∗ 的矩阵是 T 的共轭转置矩阵,所以 T∗ 的矩阵还是一个对角矩阵,两个对角矩阵都是可交换的,所以 T∗ 和 T 也是可以交换的,从而得知条件1成立。

当假定条件1成立时,由舒尔定理可知, V 有一个规范正交基使得 T 关于该基有上三角矩阵,还是因为 T∗ 的矩阵是 T 的共轭转置矩阵,所以 T∗ 的矩阵是一个下三角矩阵,又因为 T 是正规的,所以 T∗T=TT∗ ,所以 T∗ 和 T 的矩阵也要可以交换,故而它们的矩阵只能是个对角矩阵,因此条件3成立。

实谱定理 ​

实谱定理的内容和复谱定理的内容相差无几,但证明方式不同,且需要一些前置定理。所以我们先介绍这些前置定理,将实谱定理及其证明放在最后

可逆的二次式 ​

设 T∈L(V) 是正规的 ,并且设 b,c∈R 且 b2<4c ,则

T2+bT+cI

是可逆的。

证明:设 v∈V 且 v≠0 ,则

⟨(T2+bT+cI)v,v⟩=⟨T2v,v⟩+⟨bTv,v⟩+⟨cIv,v⟩=⟨T(Tv),v⟩+b⟨Tv,v⟩+c⟨v,v⟩=⟨Tv,T∗v⟩+b⟨Tv,v⟩+c⟨v,v⟩=⟨Tv,Tv⟩+b⟨Tv,v⟩+c⟨v,v⟩=‖Tv‖2+b⟨Tv,v⟩+c‖v‖2

由柯西-施瓦茨不等式可知,‖Tv‖‖v‖≥|⟨Tv,v⟩| ,因此可以得到 b⟨Tv,v⟩≤−|b|‖Tv‖‖v‖ ,又因为

‖Tv‖2−|b|‖Tv‖‖v‖+c‖v‖2=(‖Tv‖−|b|‖v‖2)2+(c−b24)‖v‖2>0

因此 ⟨(T2+bT+cI)v,v⟩>0 ,那么 (T2+bT+cI)v≠0 ,故而 T2+bT+cI 是单射的,因为算子的单射性和可逆性等价,故而 T2+bT+cI 也是可逆的。

自伴算子都有本征值 ​

设 V≠{0} 且 T∈L(V) 是自伴算子,那么 T 必然有本征值。

证明:因为复向量空间上的算子必然有本征值,故而我们只需证明本定理在实内积空间成立即可,所以这里设 V 是实内积空间。

设 dimV=n ,取 v∈V 且 v≠0 ,那么我们可以得到一个长度为 n+1 的向量组

{v,Tv,T2v,…,Tnv}

因为该向量组长度超过了向量空间的维数,故而这组向量必然线性相关,所以可以取 a0,…,an∈R 使得

0=a0v+a1Tv+a2T2v+⋯+anTnv

对上述等式使用多项式因式分解可得

0=a0v+a1Tv+a2T2v+⋯+anTnv=(a0I+a1T+a2T2+⋯+anTn)v=c(T2+b1T+c1I)…(T2+bMT+cMT)(T−λ1)…(T−λm)v

上边等式中的 c∈R 且 c≠0 , b1,…,bm,c1,…,cM,λ1,…,λM∈R ,且对于 1≤j≤M 都有 bj2≤4cj ,m+M≥1 。因为 T 是自伴的,所以T 必然是正规的,那么对于每个 T2+bjT+cjT 项都是可逆的,所以对于这类项不会讲非零的 v 映射到 0 ,因此这类项消去后等式依然成立

0=(T−λ1)…(T−λm)v

因此对于 1≤j≤m ,必然存在某个 (T−λj)v=0 ,所以 T 必然有本征值。

自伴算子与不变子空间 ​

设 T∈L(V) 是自伴的,设 U 是 V 的在 T 下的不变子空间,则以下说法均成立

  1. U⊥ 在 T 下不变;
  2. T∣U∈L(U) 仍是自伴的;
  3. T∣U⊥∈L(U⊥) 仍是自伴的;

证明:设 v∈U⊥ 、u∈U ,因为 T 是自伴的,那么

⟨Tv,u⟩=⟨v,T∗u⟩=⟨v,Tu⟩

又因为 U 在 T 下不变,所以 Tu∈U ,故而 ⟨v,Tu⟩ 还是等于 0 ,所以 ⟨Tv,u⟩=0 ,那么 Tv∈U⊥ ,因此证得说法1。

再设 u,v∈U ,则

⟨(T∣U)u,v⟩=⟨Tu,v⟩=⟨u,T∗v⟩=⟨u,Tu⟩=⟨u,(T∣U)v⟩

又因为 ⟨(T∣U)u,v⟩=⟨u,(T∣U)∗v⟩ ,所以 T∣U=(T∣U)∗ , 因此说法2成立。结合说法1,用类似得方式也可得到说法3。

实谱定理 ​

设 F=R 且 T∈L(V) ,则以下条件等价成立

  1. T 是自伴的;
  2. V 有一个由 T 的本征向量组成的规范正交基;
  3. T 关于 V 的某个规范正交基具有对角矩阵;

证明:当条件3成立时,因为 T∗ 的矩阵就是 T 的共轭转置矩阵,因为是实内积空间中,矩阵中的元素也是实数,对角矩阵经过共轭转置后不变,故而 T∗=T ,条件1成立。

当 dimV=1 时,显然条件1成立必然使得条件2成立,因此我们可以假设 dimV>1 ,并且假设在更小维数的实内积空间中,条件1成立会使得条件2成立。

设条件1成立,那么 T 必然有本征值,设 u 是 T 的一个本征向量且 ‖u‖=1 ,设 U=span(u) ,那么显然 U 在 T 下不变,故而 T∣U⊥∈L(U⊥) 也是自伴的。因为之前的假设,U⊥ 有一个由 T∣U⊥ 的本征向量组成的规范正交基,那么将 u 添加到这组规范正交基,即可得到 V 的一个由 T 的本征向量组成的规范正交基。向维度更小的空间归纳使用这段逻辑,直到维数为 2 ,即可证明在有限维下,条件1的成立会使得条件2成立。

显然,条件2会使得条件1成立,因此我们可知条件1、2、3会循环导致彼此成立,故而证得这三个条件等价成立。

本站页面由VitePress驱动,内容基于 CC BY-NC 4.0 许可发布。