Cayley Hamilton
好了大家都知道内容说的是矩阵A特征多项式p(λ)=∣λI−A∣有p(A)=0
如果F=R,C
或者说,如果F满足F的多项式方程的根也属于F,即我们可以搞特征值那一套.
证明方法会很多.
比如舒尔定理+因式分解,则p(A)=∏i(A−λi),你可以排列这些因式使得A=B1B2…Bn且Bk,k,k=0,于是乘起来显然对任意向量是0.
比如直接考虑广义本征空间G(A,λ)上(T−λI)G(A,λ)是幂零的.
如果任意域
然后大家都知道你不能直接声称p(A)=det(AI−A)带进去做,因为λI是数乘但带入A就成了矩阵乘法.
为了让它们一样,容易想到我们把原来的数a变成aI,因为这样符合数乘规则和数之间的运算.
于是新的AI−A实际上是矩阵
Bi,j={A−ai,jI,i=j−ai,jI,i=j
这里AI是数字A数乘矩阵I,而−A是一个矩阵,其中数字是ai,jI.
而原来我们说AI−A=0,那新的矩阵显然不是一个0矩阵,但是难以注意到,取原来空间的一组基e1…en,考虑
let E=e1e2…enBE=x1x2…xn
(如果觉得在把n×n矩阵当数的情况下引入n×1的向量是坏文明,可以把向量变成n×n的对角矩阵,容易验证性质不变).
则
xk=i=1∑nBk,iei=Aek−i=1∑nak,iei=0
那么考虑在新的域下定义的伴随矩阵仍然是能用的(只用到行列式,即只需要加和乘),乘上伴随矩阵就得到
∣B∣E=∣B∣IE=B∗BE=0
而detB是什么呢,你发现大矩阵求行列式的结构det(AI−A)和求小矩阵的结构detxI−A是完全一样的,只要把AI替换成x,就会得到detB=p(A),而这是个n×n的矩阵,且乘一组基是0,所以p(A)=0
这样你就通过在n×n矩阵的环上定义的矩阵和行列式,以及它们和原本矩阵的结构的相似性证明了这个问题.
这个证法其实和走抽象代数,走张量积的做法本质相同(甚至你把矩阵塞到矩阵里就是张量积的坐标形式).
另一个证法
考虑有理标准型的想法,对任意v,取k使得v,Tv,T2v,…,Tkv线性无关且k是最大的满足无关的.那么它们构成一组基且张成T的一个不变子空间.在这组基下T的矩阵形如:
A=1⋱1c0c1⋮cp−1
然后这个东西的特征多项式是 xp−∑i=0p−1cixi,且它能零化这个矩阵,它又一定是T特征多项式的因子,就结束了.
重要推论
我们还是想带入,或者更广义的说:
现在你有一个矩阵系数多项式f(x)=∑iCixi,和一个标量系数多项式g(x)=detf(x),则我们说若f(A)=0则g(A)=0
注意到
xkI−Ak=(xI−A)(i=0∑k−1xiIAk−i−1)⟹xI−A∣xkI−Ak
于是
f(x)=f(x)−f(A)=i∑Ci(xiI−Ak)⟹xiI−A∣f(x)⟹f(x)=(xiI−A)Q(x)
注意到这里,f是矩阵系数多项式,x是一个标量.而在取行列式后,我们会得到标量多项式:
g(x)=detf(x)=det(xiI−A)detQ(x)
这是两个标量多项式相乘,而第一个根据Cayley-Hamilton在带入A后值为0,所以g(A)=0.
一个核心点就在于,我们往矩阵多项式里带入矩阵的话是很小心的(比如F(B)=(BI−A)Q(B),因为因式分解的时候利用了xI和A的交换律,而替换成任意矩阵就没有这个性质),但是取行列式转化成标量多项式后就没问题了.