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上三角矩阵 ​

相关定义 ​

这里我们主要讨论有限维向量空间上算子相关的矩阵,故而这些矩阵都是方形矩阵,其列数和行数相等,这里我们给出一些术语定义:

  • 一个方形矩阵的对角线(diagonal)是由从左上角至右下角的直线上的元素组成;
  • 若一个矩阵的对角线以下的元素全部为 0,则称该矩阵为上三角矩阵(upper triangular matrix);

上三角矩阵的形式如下:

(λ1∗⋱0λn)

上三角矩阵的成立条件 ​

设 T∈L(V) ,且 v1,…,vn 是 V 的基,那么以下条件等价:

  • T 关于 v1,…,vn 的矩阵是一个上三角矩阵;
  • 对于任意 1≤j≤n ,都有 Tvj∈span(v1,…,vj) ;
  • 对于任意 1≤j≤n ,都有 span(v1,…,vj) 在 T 下不变;

上三角矩阵的存在性 ​

设 V 是有限维复向量空间,对于任意 T∈L(V) ,则 T 关于 V 上的某个基有上三角矩阵。

证明:

当 dimV=1 时,结论自然成立。故而现在假设 dimV>1 ,且设维数比 V 小的复向量空间结论都成立。

设 λ 是 T 的某个本征值,由之前的“有限维非零复向量空间的算子都有本征值”结论可知,λ 一定存在。此外,设向量空间 U 定义为:

U=range(T−λI)

设 λ 对应的本征向量 ve∈V ,那么 (T−λI)ve=0 ,因此 (T−λI) 必然不满足单射性,由算子的单射性、满射性、可逆性等价成立的结论可知,(T−λI) 不是满的,那么 dimU<dimV 。

此外,对于任意 u∈U 有:

Tu=(T−λI)u+λu

由 U 的定义可知 (T−λI)u∈U ,所以 Tu∈U ,故而 U 在 T 下不变。

所以 T∣u 是 U 上的算子,因为之前的假设,U 存在基 u1,…,um 使得 T∣u 关于该基有上三角矩阵,故而对于任意 1≤j≤m 有:

Tuj=(T∣u)(uj)∈span(u1,...,uj)

在 u1,…,um 扩充到 V 的基 u1,…,um,v1,…,vn , 那么对于任意 1≤k≤n 有:

Tvk=(T−λI)vk+λvk

有 U 的定义可知 (T−λI)vk∈U ,因此:

Tvk∈span(u1,…,um,v1,…,vk)

由上三角矩阵成立的等价条件可知,T 有关于基 u1,…,um,v1,…,vn 的上三角矩阵。

使用归纳法,将以上步骤递归,收敛到 dimU=1 的情况即可证明结论。

上三角矩阵与可逆性 ​

设 T∈L(V) 关于 V 的某个基有上三角矩阵,那么该矩阵对角线上的元素全不为 0 的情况与 T 可逆的情况等价成立。

证明:

设 v1,…,vn 是 V 的基,且 T 关于该基有上三角矩阵:

M(T)=(λ1∗⋱0λn)

首先,设 λ1,…,λn 均不为零。对于 v1 ,我们可以得到:

Tv1=λ1v1⇓T(v1/λ1)=v1⇓v1∈rangeT

对于 v2 ,则存在 a∈F 使得:

T(v2/λ2)=av1+λ2v2⇓v2∈rangeT

对于 v3 , 则存在 a,b∈F 使得:

T(v3/λ3)=av1+bv2+λ3v3⇓v3∈rangeT

依此类推,我们可以知道 v1,…,vn∈rangeT ,因为它们都是 V 的基,故而它们必然线性无关,因此 span(v1,…,vn)=rangeT=V ,故而 T 是满射的,因为算子的满射性和可逆性同时成立,所以当算子的矩阵对角线元素均不为 0 时该算子可逆。

现在设 T 是可逆的,那么 λ1≠0 ,否则的话 Tv1=0 ,这就与 T 可逆矛盾了。所以我们设 1<j≤n 使得 λj=0 ,这说明 T 将 span(v1,…,vj) 映射到 span(v1,…,vj−1) ,明显前者的维数比后者大,那么 T∣span(v1,…,vj) 不是单射的,即存在一个 vx∈span(v1,…,vj)⊂V 会使得 Tvx=0 ,即 T 在 V 上也不是单射的,因为算子的单射性和可逆性等价成立,此时就与我们的假设相悖了,故而当 T 可逆时, λ1,…,λn 均不为 0。至此证毕。

上三角矩阵与本征值 ​

若 T∈L(V) 关于 V 上的某个基有上三角矩阵,那么该矩阵的每个对角线元素都是 T 的本征值。

证明:

设 v1,…,vn 是 V 的基,并且 T 关于该基有上三角矩阵:

M(T)=(λ1∗⋱0λn)

设 λ∈F ,则有:

M(T−λI)=(λ1−λ∗⋱0λn−λ)

显然,当存在非零向量 ve∈V 能使得 (T−λI)ve=0 情况下,T 有本征值,这种情况的存在说明 T 不满足单射性(零空间非零),因为算子的单射性和可逆性等价成立,根据上三角矩阵与可逆性的关系,M(T−λI) 任意对角线元素为 0 时即可,那么λ 作为本征值的取值情况就是 λ=λ1或…或λ=λn ,证明完毕。

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