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◎学习目标
- 理解零化多项式(annihilating polynomial)的概念:对线性变换 \(\mathcal{A}\),若一元多项式 \(g(\lambda)\) 满足 \(g(\mathcal{A})\) 是零变换,则称 \(g\) 为 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式;
- 掌握最小多项式(minimal polynomial)的定义:首一(首项系数为 1)的、次数最低的零化多项式,记为 \(m_{\mathcal{A}}(\lambda)\);
- 证明最小多项式存在且唯一,并证明其核心性质:最小多项式整除任何零化多项式(命题一);
- 掌握最小多项式与特征多项式的关系(命题二):\(m_{\mathcal{A}} \mid f_{\mathcal{A}}\),且二者在 \(F\) 上有相同的根,但重数可以不同;
- 通过矩阵版本把线性变换最小多项式的概念迁移到 \(F\) 上 \(n\) 阶矩阵的最小多项式。
1研究背景:寻找不变子空间上"最简单"的基 ⏱ 00:01
本集是"线性变换的最简单形式"这一大专题的延续。回顾前几集(P103–P105)建立的成果:给定 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间 \(V\) 及其上的线性变换 \(\mathcal{A}\),我们想研究在 \(V\) 的什么一组基下,\(\mathcal{A}\) 的矩阵具有最简单的形式(最终目标是 Jordan 标准形)。
丘老师反复强调的研究思路 ⏱ 00:30:找到一个零化多项式 \(f(\lambda)\),使得 \(f(\mathcal{A})\) 是零变换(零变换的核就是整个空间 \(V\))。Cayley-Hamilton 定理已经保证:\(\mathcal{A}\) 的特征多项式 \(f_{\mathcal{A}}(\lambda)\) 是一个零化多项式。把特征多项式分解为两两不等的不可约多项式幂次的乘积后,整个空间 \(V\) 就分解成若干个非平凡不变子空间的直和;在每个不变子空间上分别取基再合起来,就能使 \(\mathcal{A}\) 的矩阵成为分块对角矩阵。
2最小多项式的定义与唯一性 ⏱ 02:49
设 \(\mathcal{A}\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间 \(V\) 上的线性变换。由 Cayley-Hamilton 定理,\(\mathcal{A}\) 至少存在一个零化多项式(即其自身的特征多项式)。因此 \(\mathcal{A}\) 的全体非零零化多项式构成一个非空集合。在这个集合中,"次数最低"的多项式可能有很多个(因为把多项式乘以任意非零标量,次数不变,但最高次项系数可以变化),为了唯一确定,再叠加一条"首项系数为 1"(即首一,monic)的限制。
唯一性:若首一零化多项式有次数最低的,则它是唯一的——否则两个不同首一多项式次数相同、首项系数均为 1,二者之差是次数更低的非零零化多项式,矛盾。⏱ 05:06
3命题一:最小多项式整除任何零化多项式 ⏱ 05:21
证明(两个方向分别证明)
方向一(\(\Rightarrow\)):设 \(g(\lambda)\) 是 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式。在 \(F[\lambda]\) 中作带余除法,用 \(m_{\mathcal{A}}\) 除 \(g\):
把不定元 \(\lambda\) 用 \(\mathcal{A}\) 代入(一元多项式保持加法和乘法等式的性质):
左边 \(g(\mathcal{A})\) 是零变换(\(g\) 是零化多项式),右边 \(m_{\mathcal{A}}(\mathcal{A})\) 是零变换(最小多项式本身是零化多项式),故 \(r(\mathcal{A})\) 也是零变换,即 \(r(\lambda)\) 也是 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式。但 \(\deg r < \deg m_{\mathcal{A}}\),与 \(m_{\mathcal{A}}\) 是次数最低的零化多项式矛盾,除非 \(r\) 是零多项式。因此 \(m_{\mathcal{A}} \mid g\)。⏱ 07:48
方向二(\(\Leftarrow\)):若 \(m_{\mathcal{A}} \mid g\),则 \(g(\lambda) = h(\lambda) m_{\mathcal{A}}(\lambda)\)。代入 \(\mathcal{A}\):
即 \(g(\mathcal{A})\) 是零变换,故 \(g\) 是 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式。⏱ 07:36
两个方向都成立,命题一证毕。丘老师原话:"这算明了,反过来也对了……最小多项式是任何一个 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式的因式。" ⏱ 10:41
4命题二:最小多项式与特征多项式的关系 ⏱ 11:26
- \(m_{\mathcal{A}}(\lambda)\) 整除 \(f_{\mathcal{A}}(\lambda)\)(即 \(m_{\mathcal{A}} \mid f_{\mathcal{A}}\));
- \(m_{\mathcal{A}}\) 与 \(f_{\mathcal{A}}\) 在 \(F\) 上有相同的根,但重数可以不同。
证明
(i) 整除性:由 Cayley-Hamilton 定理,\(f_{\mathcal{A}}(\mathcal{A}) = 0\),即 \(f_{\mathcal{A}}\) 是 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式。由命题一,\(m_{\mathcal{A}}\) 整除任何零化多项式,故 \(m_{\mathcal{A}} \mid f_{\mathcal{A}}\)。⏱ 11:57
(ii) 相同根、不同重数:由 \(m_{\mathcal{A}} \mid f_{\mathcal{A}}\),若 \(c \in F\)(或在比 \(F\) 更大的某个域 \(E\) 中)是 \(m_{\mathcal{A}}\) 的根,则 \(m_{\mathcal{A}}(c) = 0\)。由于 \(f_{\mathcal{A}}(\lambda) = h(\lambda) m_{\mathcal{A}}(\lambda)\),有 \(f_{\mathcal{A}}(c) = h(c) m_{\mathcal{A}}(c) = 0\),即 \(c\) 也是 \(f_{\mathcal{A}}\) 的根。
反过来,设 \(c_0 \in F\) 是 \(f_{\mathcal{A}}\) 的一个根。则 \(c_0\) 是 \(\mathcal{A}\) 的特征值,故存在非零向量 \(\xi \in V\) 使得 \(\mathcal{A}(\xi) = c_0 \xi\)。由于 \(m_{\mathcal{A}}(\lambda) = \lambda^r + c_{r-1}\lambda^{r-1} + \cdots + c_1\lambda + c_0\)(首一),有
两边作用在 \(\xi\) 上:
由于 \(\mathcal{A}(\xi) = c_0\xi\),递推得 \(\mathcal{A}^k(\xi) = c_0^k \xi\),于是上式化为
因 \(\xi \neq 0\),故 \(m_{\mathcal{A}}(c_0) = 0\),即 \(c_0\) 也是 \(m_{\mathcal{A}}\) 的根。⏱ 13:26
5矩阵最小多项式的引入 ⏱ 21:15
为了把"相同根"的讨论推广到更大的域(或后续矩阵的相似、Jordan 标准形等),需要引入矩阵的最小多项式概念。回顾前几集已建立的事实:线性变换 \(\mathcal{A}\) 与其在某组基下的矩阵 \(A\) 有相同的零化多项式(因为 \(g(\mathcal{A})\) 是零变换当且仅当 \(g(A)\) 是零矩阵)。
- \(m_A \mid f_A\)(矩阵版命题一);
- \(m_A\) 与 \(f_A\) 在 \(F\) 中有相同的根,但重数可以不同(矩阵版命题二)。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 忘记"首一"限制:只说"次数最低的零化多项式"不能唯一确定多项式(可以乘任意非零标量)。定义必须加上"首项系数为 1"才能保证唯一。
- 最小多项式的次数不一定等于 \(n\):\(\deg m_{\mathcal{A}} \le n\),但经常小于 \(n\)(例如对角矩阵、幂零矩阵都可能小于 \(n\))。证明时不要把 \(\deg m_{\mathcal{A}}\) 写成 \(n\)。
- "相同根" ≠ "相同重数":命题二只保证根集合相同,不保证各根的重数相同。幂零矩阵的最小多项式是 \(\lambda^L\)(\(L\) 是幂零指数),而特征多项式是 \(\lambda^n\),重数可以不同。
- 代入多项式时"保持加法与乘法"是核心:一元多项式把不定元用矩阵(或线性变换)代入后,加法和乘法等式保持成立。这是整个证明反复使用的工具。
- 不要混淆"零化多项式"与"最小多项式"整除方向:\(m_{\mathcal{A}}\) 整除 任何零化多项式(\(m_{\mathcal{A}} \mid g\)),不是反过来。
✎自测与作业
- 设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\)(对角矩阵),求 \(A\) 的特征多项式 \(f_A(\lambda)\) 和最小多项式 \(m_A(\lambda)\),验证 \(m_A \mid f_A\) 且二者根相同(重数也相同)。
- 设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\)(Jordan 块),求 \(f_A\) 和 \(m_A\),并说明为什么 \(m_A = (\lambda-1)^2\)(利用 \((A-I) \neq O\) 但 \((A-I)^2 = O\))。
- 设 \(\mathcal{A}\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维空间 \(V\) 上的线性变换,证明:若 \(\mathcal{A}\) 的最小多项式是 \(\lambda\)(即 \(m_{\mathcal{A}} = \lambda\)),则 \(\mathcal{A}\) 是零变换。
- 设 \(m_{\mathcal{A}}(\lambda) = \lambda^2 + 1\)(在 \(F = \mathbb{R}\) 上),说明 \(m_{\mathcal{A}}\) 在 \(\mathbb{R}\) 中无根,但在 \(\mathbb{C}\) 中根为 \(\pm i\);\(f_{\mathcal{A}}\) 必须含有 \(\lambda^2 + 1\) 作为因式。
- (思考)为什么"矩阵 \(A\) 的特征多项式 \(f_A\) 是 \(A\) 的零化多项式"(Cayley-Hamilton)是本集所有结论的起点?如果去掉这一前提,最小多项式理论会失去什么?
- (选做)验证命题一的方向二:若 \(m_{\mathcal{A}} \mid g\),则 \(g\) 是 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式,并给出完整的代数推理(用 \(g = h \cdot m_{\mathcal{A}}\) 与"线性变换保持乘法"的性质)。