41

Жорданова форма и её приложения. Минимальный многочлен

[47/66%]
Показать
LaTeX
Задача 41.1

Найти жорданову форму матрицы:

?
(а)

(1−344−786−77)\left(\begin{array}{ccc}1 & -3 & 4 \\ 4 & -7 & 8 \\ 6 & -7 & 7\end{array}\right);

(б)

(4−571−49−405)\left(\begin{array}{rrr}4 & -5 & 7 \\ 1 & -4 & 9 \\ -4 & 0 & 5\end{array}\right);

(в)

(460−3−50−3−61)\left(\begin{array}{rrr}4 & 6 & 0 \\ -3 & -5 & 0 \\ -3 & -6 & 1\end{array}\right);

(г)

(3083−16−20−5)\left(\begin{array}{rrr}3 & 0 & 8 \\ 3 & -1 & 6 \\ -2 & 0 & -5\end{array}\right);

(д)

(−286−41064−8−4);\left(\begin{array}{rrr}-2 & 8 & 6 \\ -4 & 10 & 6 \\ 4 & -8 & -4\end{array}\right) ; \quad

(е)

(1−303−2−60130−313−1−408)\left(\begin{array}{rrrr}1 & -3 & 0 & 3 \\ -2 & -6 & 0 & 13 \\ 0 & -3 & 1 & 3 \\ -1 & -4 & 0 & 8\end{array}\right);

(ж)

(3−11−79−3−7−1004−8002−4)\left(\begin{array}{rrrr}3 & -1 & 1 & -7 \\ 9 & -3 & -7 & -1 \\ 0 & 0 & 4 & -8 \\ 0 & 0 & 2 & -4\end{array}\right);

(з)

(1−110…0001−10…00001−1…00…………………0000…1−10000…01)\left(\begin{array}{rrrrrrr}1 & -1 & 1 & 0 & \ldots & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 0 & \ldots & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & -1 & \ldots & 0 & 0 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \ldots & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \ldots & 0 & 1\end{array}\right);

(и)

(111…1011…1001…1……………000…1);\left(\begin{array}{ccccc}1 & 1 & 1 & \ldots & 1 \\ 0 & 1 & 1 & \ldots & 1 \\ 0 & 0 & 1 & \ldots & 1 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 0 & 0 & 0 & \ldots & 1\end{array}\right) ; \quad

(к)

(nn−1n−2…10nn−1…200n…3……………);\left(\begin{array}{ccccc}n & n-1 & n-2 & \ldots & 1 \\ 0 & n & n-1 & \ldots & 2 \\ 0 & 0 & n & \ldots & 3 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \end{array}\right) ;

(л)

(100…0120…0123…0……………123…n);\left(\begin{array}{ccccc}1 & 0 & 0 & \ldots & 0 \\ 1 & 2 & 0 & \ldots & 0 \\ 1 & 2 & 3 & \ldots & 0 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 1 & 2 & 3 & \ldots & n\end{array}\right) ; \quad

(м)

(0100…00010…00001…0………………0000…11000…0)\left(\begin{array}{cccccc}0 & 1 & 0 & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & \ldots & 0 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \ldots & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & \ldots & 0\end{array}\right);

(н)

(αa12a13…a1n0αa23…a2n00α…a3n……………000…α)\left(\begin{array}{ccccc}\alpha & a_{12} & a_{13} & \ldots & a_{1 n} \\ 0 & \alpha & a_{23} & \ldots & a_{2 n} \\ 0 & 0 & \alpha & \ldots & a_{3 n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 0 & 0 & 0 & \ldots & \alpha \end{array}\right), где a12,a23,…,an−1,n≠0a_{12}, a_{23}, \ldots , a_{n-1, n} \neq 0.

Задача 41.2

Доказать, что жорданова форма матрицы A+αEA+\alpha E равна Aj+αEA_{j}+\alpha E, где AjA_{j} — жорданова форма матрицы AA.

?
Задача 41.3

Пусть AA — жорданова клетка порядка nn с элементом α\alpha на главной диагонали.

?
(а)

Найти матрицу f(A)f(A), где f(x)f(x) — многочлен.

(б)

Найти жорданову форму матрицы A2A^{2}.

Задача 41.4

Найти жорданову форму матрицы

[α010…000α01…0000α0…00000α…00…………………0000…α00000…0α]. \left[\begin{smallmatrix} \alpha & 0 & 1 & 0 & \ldots & 0 & 0 \\ 0 & \alpha & 0 & 1 & \ldots & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \alpha & 0 & \ldots & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \alpha & \ldots & 0 & 0 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \ldots & \alpha & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \ldots & 0 & \alpha \end{smallmatrix}\right].
?
Задача 41.5

Найти жорданову форму матрицы:

?
(а)

A2A^{2};

(б)

A−1(AA^{-1}(A — невырожденная матрица); если AA имеет жорданову форму AjA_{j}.

Задача 41.6

Найти жорданову форму матрицы AA и выяснить геометрический смысл соответствующего линейного оператора A\mathcal{A}, если:

?
(а)

A2=EA^{2}=E;

(б)

A2=AA^{2}=A.

Задача 41.7

Доказать, что всякая периодическая комплексная матрица подобна диагональной матрице, и найти вид этой диагональной матрицы.

?
Задача 41.8

Доказать, что матрица нильпотентна тогда и только тогда, когда все ее характеристические числа равны нулю.

?
Задача 41.9

Доказать, что для всякого линейного оператора A\mathcal{A} ранга 1 в комплексном векторном пространстве существует такое число kk, что A2=kA\mathcal{A}^{2}=k \mathcal{A}.

?
Задача 41.10

Найти жорданову форму матрицы линейного оператора A\mathcal{A} и базис (f1,…,fn)(f_{1}, \ldots , f_{n}), в котором A\mathcal{A} имеет эту матрицу, если в базисе (e1,…,en)\left(e_{1}, \ldots , e_{n}\right) оператор A\mathcal{A} задается матрицей:

?
(а)

(32−3410−1236−7)\left(\begin{array}{ccc}3 & 2 & -3 \\ 4 & 10 & -12 \\ 3 & 6 & -7\end{array}\right);

(б)

(11−1−3−33−2−22)\left(\begin{array}{rrr}1 & 1 & -1 \\ -3 & -3 & 3 \\ -2 & -2 & 2\end{array}\right);

(в)

(01−11−12−11−1110−1101)\left(\begin{array}{rrrr}0 & 1 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & -1 & 1 \\ -1 & 1 & 1 & 0 \\ -1 & 1 & 0 & 1\end{array}\right);

(г)

(6−9547−13878−171181−213)\left(\begin{array}{cccc}6 & -9 & 5 & 4 \\ 7 & -13 & 8 & 7 \\ 8 & -17 & 11 & 8 \\ 1 & -2 & 1 & 3\end{array}\right).

Задача 41.11

Найти жорданову форму матрицы линейного оператора в комплексном векторном пространстве, имеющем только одну инвариантную прямую.

?
Задача 41.12

Доказать, что максимальное число линейно независимых собственных векторов линейного оператора A\mathcal{A} с собственным значением λ\lambda равно числу клеток с диагональным элементом λ\lambda в жордановой форме матрицы оператора A\mathcal{A}.

?
Задача 41.13

Доказать, что множество линейных операторов в nn-мерном комплексном векторном пространстве, перестановочных с данным оператором A\mathcal{A}, является векторным пространством размерности ⩾n\geqslant n.

?
Задача 41.14

Доказать, что если линейный оператор B\mathcal{B} в комплексном векторном пространстве перестановочен с любым линейным оператором, перестановочным с оператором A\mathcal{A}, то B\mathcal{B} — многочлен от A\mathcal{A}.

?
Задача 41.15

Доказать, что если матрицы AA и BB удовлетворяют соотношению AB−BA=BA B-B A=B, то матрица BB нильпотентна.

?
Задача 41.16

В пространстве комплексных многочленов степени не выше 2 по xx и yy действует оператор A:f(x,y)→f(x+1,y+1)\mathcal{A}: f(x, y) \rightarrow f(x+1, y+1). Найти жорданову форму оператора A\mathcal{A}.

?
Задача 41.17

В пространстве комплексных полиномов от x,yx, y степени не выше nn действует оператор A=∂∂x+∂∂y\mathcal{A}=\frac{\partial }{\partial x}+\frac{\partial }{\partial y}. Найти жорданову форму A\mathcal{A}.

?
Задача 41.18

Доказать, что любая матрица подобна своей транспонированной.

?
Задача 41.19

В пространстве M2(C)\mathbf{M}_{2}(\mathbb {C}) рассмотрим линейный оператор LA(X)=AXL_{A}(X)=A X, где X∈M2(C)X \in \mathbf{M}_{2}(\mathbb {C}) и AA — фиксированная матрица из M2(C)\mathbf{M}_{2}(\mathbb {C}). Найти жорданову форму оператора LAL_{A}, зная жорданову форmy AA.

?
Задача 41.20

Доказать, что для любой невырожденной квадратной комплексной матрицы AA и любого натурального числа kk уравнение Xk=AX^{k}=A имеет решение.

?
Задача 41.21

Решить уравнения:

?
(а)

X2=(31−15)X^{2}=\left(\begin{array}{rr}3 & 1 \\ -1 & 5\end{array}\right);

(б)

X2=(6237)X^{2}=\left(\begin{array}{ll}6 & 2 \\ 3 & 7\end{array}\right).

Задача 41.22

Используя жорданову форму и задачи 17.7-17.9, вычислить:

?
(а)

(11−13)50\left(\begin{array}{rr}1 & 1 \\ -1 & 3\end{array}\right)^{50};

(б)

(7−414−8)64\left(\begin{array}{rr}7 & -4 \\ 14 & -8\end{array}\right)^{64}.

Задача 41.23

Найти минимальный многочлен диагональной матрицы с различными элементами на главной диагонали.

?
Задача 41.24

Найти минимальный многочлен жордановой клетки порядка nn с числом α\alpha на главной диагонали.

?
Задача 41.25

Доказать, что минимальный многочлен клеточно-диагональной матрицы равен наименьшему общему кратному минимальных многочленов её клеток.

?
Задача 41.26

Найти минимальный многочлен:

?
(а)

тождественного оператора;

(б)

нулевого оператора;

(в)

оператора проектирования nn-мерного пространства VV на kk-мерное подпространство L(0<k<n)L(0<k<n);

(г)

оператора отражения;

(д)

нильпотентного оператора индекса kk;

(е)

оператора A\mathcal{A} из 40.31, а);

(ж)

оператора A\mathcal{A} из 40.31, б);

(з)

оператора A\mathcal{A} из 40.32, а);

(и)

оператора A\mathcal{A} из 40.32, б);

(к)

оператора LAL_{A} из 40.40;

(л)

оператора A\mathcal{A} из 41.16.

Задача 41.27

Найти минимальный многочлен матрицы:

?
(а)

(3−1−1020111)\left(\begin{array}{rrr}3 & -1 & -1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & 1 & 1\end{array}\right);

(б)

(4−22−57−5−66−4)\left(\begin{array}{rrr}4 & -2 & 2 \\ -5 & 7 & -5 \\ -6 & 6 & -4\end{array}\right).

Задача 41.28

Пусть линейный оператор A\mathcal{A} в базисе (e1,e2,e3)(e_{1}, e_{2}, e_{3}) пространства VV имеет матрицу

[100121−101] \left[\begin{smallmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ -1 & 0 & 1 \end{smallmatrix}\right]

Найти минимальный многочлен g(t)g(t) оператора A\mathcal{A} и разложить пространство VV в прямую сумму инвариантных подпространств в соответствии с разложением минимального многочлена на взаимно простые множители.

?
Задача 41.29

Доказать, что минимальный многочлен матрицы порядка ⩾2\geqslant 2 и ранга 1 имеет степень 2.

?
Задача 41.30

Что можно сказать о жордановой форме матрицы линейного оператора A\mathcal{A} в комплексном пространстве, если A3=A2\mathcal{A}^{3}=\mathcal{A}^{2}?

?
Задача 41.31

Доказать, что некоторая степень минимального многочлена матрицы делится на её характеристический многочлен.

?
Задача 41.32

Доказать, что для подобия двух матриц необходимо, но не достаточно, чтобы они имели одинаковые характеристический и минимальный многочлены.

?
Задача 41.33

Доказать, что если степень минимального многочлена линейного оператора A\mathcal{A} равна размерности пространства, то всякий оператор, перестановочный с A\mathcal{A}, является многочленом от A\mathcal{A}.

?
Задача 41.34

Линейный оператор называется полупростым, если для любого инвариантного подпространства имеется инвариантное дополнительное подпространство.

Доказать, что:

?
(а)

ограничение полупростого оператора на инвариантное подпространство также является полупростым оператором;

(б)

линейный оператор полупрост тогда и только тогда, когда пространство является прямой суммой минимальных инвариантных подпространств;

(в)

если для линейного оператора A\mathcal{A} существует разложение пространства в прямую сумму инвариантных подпространств, на каждом из которых ограничение оператора A\mathcal{A} полупросто, то A\mathcal{A} полупрост на всем пространстве.

Задача 41.35

Доказать, что если минимальный многочлен линейного оператора A\mathcal{A} в пространстве VV является произведением взаимно простых многочленов g1(x)g_{1}(x) и g2(x)g_{2}(x), то VV может быть разложено в прямую сумму двух инвариантных подпространств таких, что ограничения оператора A\mathcal{A} на эти подпространства имеют минимальные многочлены g1(x)g_{1}(x) и g2(x)g_{2}(x) соответственно.

?
Задача 41.36

Доказать, что для любого линейного оператора существует такое разложение пространства в прямую сумму инвариантных подпространств, что минимальные многочлены его ограничений на эти подпространства являются степенями различных неприводимых многочленов.

?
Задача 41.37

Доказать, что если минимальный многочлен линейного оператора A\mathcal{A} является неприводимым многочленом степени kk, то для любого x≠0x \neq 0 векторы x,Ax,…,Ak−1xx, \mathcal{A} x, \ldots , \mathcal{A}^{k-1} x составляют базис минимального инвариантного подпространства.

?
Задача 41.38

Доказать, что линейный оператор полупрост тогда и только тогда, когда его минимальный многочлен не имеет кратных неприводимых множителей.

?
Задача 41.39

Доказать, что линейный оператор в векторном пространстве над полем KK характеристики 0 полупрост тогда и только тогда, когда он обладает собственным базисом над некоторым расширением поля KK.

?
Задача 41.40

Доказать, что сумма двух перестановочных полупростых линейных операторов над полем характеристики 0 является полупростым оператором.

?
Задача 41.41

Пусть A\mathcal{A} — линейный оператор в векторном пространстве над полем KK характеристики 0 и K[A]K[\mathcal{A}] — кольцо линейных операторов, представимых в виде многочленов от A\mathcal{A}. Доказать, что если минимальный многочлен оператора A\mathcal{A} является степенью неприводимого многочлена p(x)p(x), то:

?
(а)

элементы кольца K[A]K[\mathcal{A}], делящиеся в этом кольце на элемент p(A)p(\mathcal{A}), образуют идеал II, отличный от K[A]K[\mathcal{A}];

(б)

для всякого оператора B∈I\mathcal{B} \in I минимальный многочлен оператора A+B\mathcal{A}+\mathcal{B} делится на p(x);p(x) ;

(в)

существует оператор B∈I\mathcal{B} \in I такой, что минимальный многочлен оператора A+B\mathcal{A}+\mathcal{B} равен p(x)p(x).

Задача 41.42

Доказать, что всякий линейный оператор A\mathcal{A} в векторном пространстве над полем характеристики 0 может быть представлен в виде суммы полупростого и нильпотентного операторов, являющихся многочленами от A\mathcal{A}.

?
Задача 41.43

Доказать, что всякий линейный оператор A\mathcal{A} можно единственным образом представить в виде суммы перестановочных полупростого и нильпотентного операторов.

?
Задача 41.44

Доказать, что если степень минимального многочлена g(x)g(x) линейного оператора A\mathcal{A} в векторном пространстве VV над полем KK равна размерности пространства и g(t)g(t) является степенью многочлена, неприводимого над KK, то:

?
(а)

VV нельзя разложить в прямую сумму двух инвариантных подпространств;

(б)

VV является циклическим относительно A\mathcal{A}.

Задача 41.45

Пусть λ1,…,λn\lambda_{1}, \ldots , \lambda_{n} — собственные значения матрицы A∈Mn(C)A \in \mathbf{M}_{n}(\mathbb {C}).

Доказать, что:

?
(а)

для любого натурального числа kk

tr⁡Ak=λ1k+…+λnk \operatorname {tr} A^{k}=\lambda _{1}^{k}+\ldots +\lambda _{n}^{k}
(б)

коэффициенты характеристического полинома матрицы AA являются многочленами от tr⁡A,…,tr⁡An\operatorname {tr} A, \ldots , \operatorname {tr} A^{n};

(в)

если tr⁡A=tr⁡A2=…=tr⁡An=0\operatorname {tr} A=\operatorname {tr} A^{2}=\ldots =\operatorname {tr} A^{n}=0, то матрица AA нильпотентна.

Задача 41.46

Пусть

B=[00…0100…10⋮⋮⋱⋮⋮01…0010…00]∈Mn(C) B=\left[\begin{smallmatrix} 0 & 0 & \ldots & 0 & 1 \\ 0 & 0 & \ldots & 1 & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 1 & \ldots & 0 & 0 \\ 1 & 0 & \ldots & 0 & 0 \end{smallmatrix}\right] \in \mathbf{M}_{n}(\mathbb {C})

и S=12(E+iB)S=\frac{1}{\sqrt{2}}(E+i B). Доказать, что для жордановой клетки J(n,λ)∈Mn(C)J(n, \lambda ) \in \mathbf{M}_{n}(\mathbb {C}) справедливо равенство SJ(n,λ)S−1=λE+12∑k=1n−1[Ek,k+1+Ek+1,k+i(En−k+1,k+1−En−k,k)]S J(n, \lambda ) S^{-1}=\lambda E+\frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n-1}\left[E_{k, k+1}+E_{k+1, k}+i\left(E_{n-k+1, k+1}-E_{n-k, k}\right)\right].

?
Задача 41.47

Доказать, что каждая комплексная матрица подобна симметрической.

?