高等代数 · 课程学习笔记

第 P111 集 · 二十六:循环子空间

Cyclic Subspaces & Cyclic Vectors
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P111 / 151 集 核心概念:循环向量 · 循环子空间 C(α) · 强循环子空间 · 伴随多项式(最小多项式)· 循环子空间的基
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◎学习目标

  1. 掌握循环向量(cyclic vector)的定义:向量 \(\alpha \in V\) 使向量组 \(\{\alpha, A\alpha, A^2\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\) 线性无关,且 \(A^T\alpha\) 仍落在该向量组张成的子空间中;
  2. 理解循环子空间 \(C(\alpha)\):由循环向量 \(\alpha\) 及其在 \(A\) 下的一系列像张成的子空间 \(C(\alpha) = \operatorname{span}\{\alpha, A\alpha, A^2\alpha, \dots\}\);
  3. 掌握强循环子空间:若 \(A^L\alpha = 0\)(循环向量"回到了零"),则 \(C(\alpha)\) 为"强循环子空间",其基下矩阵恰为 Jordan 块 \(J_L(0)\);
  4. 理解循环向量的伴随多项式(最小多项式):\(C(\alpha)\) 上 \(A\) 的最小多项式(即"伴随多项式")决定了 \(C(\alpha)\) 的结构;
  5. 通过数学归纳法(第二数学归纳法)证明幂零变换的 Jordan 标准形定理:\(W\) 可分解为幂零变换的强循环子空间的直和,每块为 Jordan 块。

1循环向量的定义 ⏱ 00:25

设 \(A\) 是 \(F\) 上 \(N\) 维线性空间 \(V\) 上的线性变换。先回顾 P110 中幂零变换的循环子空间构造:取 \(\alpha\) 使 \(B^{L-1}\alpha \neq 0\),则 \(C(\alpha) = \operatorname{span}\{B^{L-1}\alpha, \dots, B\alpha, \alpha\}\) 中 \(B^L\alpha = 0\) 又"回到子空间里来"。由此抽象出"循环"概念。⏱ 00:25

定义 · 循环向量(cyclic vector) 设 \(\alpha \in V\),\(T\) 为满足以下两个条件的最小正整数:
  1. 向量组 \(\{\alpha, A\alpha, A^2\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\) 线性无关;
  2. \(A^T\alpha\) 仍属于 \(\operatorname{span}\{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\)(即"循环回来")。
则称 \(\alpha\) 为线性变换 \(A\) 的循环向量。⏱ 01:10
老师提示"如果有一个向量 \(\alpha\),\(A\) 是 \(F\) 上 \(N\) 维线性空间 \(V\) 上的一个线性变换,如果有一个向量 \(\alpha\)……有这几个条件:这个 \(\alpha\) 要是线性无关,到 \(A\) 的 \(T-1\) 次幂把 \(\alpha\) 因过去还线性无关,这是第一个条件;还要求 \(A\) 到了 \(T\) 次幂把 \(\alpha\) 因过去,还得属于这个向量组生成的子空间,还得属于它——它又回来了,又回来了。" ⏱ 01:30

2循环子空间 \(C(\alpha)\) 与强循环子空间 ⏱ 02:00

定义 · 循环子空间(cyclic subspace) 由循环向量 \(\alpha\) 及其在 \(A\) 下的一系列像张成的子空间
\[ C(\alpha) = \operatorname{span}\{\alpha,\ A\alpha,\ A^2\alpha,\ \dots,\ A^{T-1}\alpha\}, \]
称为线性变换 \(A\) 的循环子空间。它是 \(A\) 的不变子空间(\(A\) 把 \(C(\alpha)\) 中每个向量作用后仍在 \(C(\alpha)\) 内)。⏱ 02:20
定义 · 强循环子空间(strongly cyclic subspace) 若更强的条件成立:\(A^T\alpha = 0\)(即"循环到零向量"),则称 \(C(\alpha)\) 为 \(A\) 的强循环子空间。⏱ 03:00
命题 · 强循环子空间上 \(A\) 的矩阵为 Jordan 块 设 \(B\) 是幂零变换,幂零指数为 \(L\)。取 \(\alpha\) 使 \(B^{L-1}\alpha \neq 0\),则 \(C(\alpha) = \operatorname{span}\{B^{L-1}\alpha, B^{L-2}\alpha, \dots, B\alpha, \alpha\}\) 是 \(B\) 的强循环子空间(\(B^L\alpha = 0\)),且 \(B\big|_{C(\alpha)}\) 在该基下的矩阵为 \(L\) 阶 Jordan 块 \(J_L(0)\)(主对角 0、次对角 1)。⏱ 04:00
特殊情形 \(L = R\)(幂零指数 = 维数)

若幂零指数 \(L\) 正好等于空间维数 \(R\),则 \(C(\alpha)\) 的维数 = \(L = R\),即 \(C(\alpha) = W\)(整个空间)。此时 \(\{B^{R-1}\alpha, \dots, B\alpha, \alpha\}\) 就是 \(W\) 的基,\(B\) 在该基下的矩阵恰为一个 Jordan 块 \(J_R(0)\)。⏱ 05:00

老师提示"但是天下没那么多好事都让你得,很可能 \(L\) 是小于 \(R\),小于 \(R\),不够,你这样就不够。你这一个子空间得到这么一个 Jordan 块不够,所以就是要继续探索。" ⏱ 05:30

3循环向量的伴随多项式(最小多项式) ⏱ 06:00

循环子空间 \(C(\alpha)\) 上 \(A\) 的"最小多项式"有一个专门的名称——循环向量的伴随多项式(companion polynomial)。

定义 · 循环向量的伴随多项式 设 \(\alpha\) 是 \(A\) 的循环向量,\(T\) 为满足 \(\{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\) 线性无关且 \(A^T\alpha \in C(\alpha)\) 的最小正整数。则存在唯一的 \(T\) 次首一多项式
\[ \mu_\alpha(\lambda) = \lambda^T + c_{T-1}\lambda^{T-1} + c_{T-2}\lambda^{T-2} + \cdots + c_1\lambda + c_0, \]
使 \(\mu_\alpha(A)\alpha = 0\)(即 \(A^T\alpha + c_{T-1}A^{T-1}\alpha + \cdots + c_0\alpha = 0\))。这个多项式 \(\mu_\alpha(\lambda)\) 称为 \(\alpha\) 的伴随多项式(companion polynomial),它等于 \(A\big|_{C(\alpha)}\) 的最小多项式。⏱ 06:30
强循环子空间情形(幂零) 若 \(\alpha\) 是 \(A\) 的强循环向量(\(A^T\alpha = 0\)),则伴随多项式简化为
\[ \mu_\alpha(\lambda) = \lambda^T, \]
即"零的 \(T\) 次幂"(幂零情形下无其他系数)。此时 \(A\big|_{C(\alpha)}\) 的 Jordan 块为 \(J_T(0)\)。⏱ 07:30
伴随多项式与"特征子空间限制的最小多项式"的关系

回顾 P109:\(A\) 在特征子空间 \(V_\lambda\) 上限制的最小多项式为 \(\lambda - \lambda\)。循环子空间 \(C(\alpha)\) 是"更小"的不变子空间(通常 \(C(\alpha) \subseteq V_\lambda\) 当 \(\alpha \in V_\lambda\)),其上的最小多项式(伴随多项式)整除 \(V_\lambda\) 上限制的最小多项式 \(\lambda - \lambda\)。⏱ 08:00

在"不可对角化"情形(\(m_A\) 含幂次 \((\lambda-\lambda_i)^{L_i}\)),循环子空间上的最小多项式可能为 \((\lambda-\lambda_i)^{t_i}\)(\(t_i \le L_i\)),这正是 P110 中各 Jordan 块阶数的来源。⏱ 08:30

4循环子空间的基 ⏱ 09:00

定理 · 循环子空间的基 设 \(\alpha\) 是 \(A\) 的循环向量,\(T\) 为相应的最小正整数。则
\[ \mathcal{B} = \{\alpha,\ A\alpha,\ A^2\alpha,\ \dots,\ A^{T-1}\alpha\} \]
是 \(C(\alpha)\) 的一组基,且 \(\dim C(\alpha) = T\)。⏱ 09:20
证明思路

线性无关:由循环向量定义的第 1 条,\(\{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\) 线性无关,故为 \(C(\alpha)\) 的生成组中无冗余,\(\dim C(\alpha) \ge T\)。⏱ 09:50

维数上界:由循环向量定义的第 2 条,\(A^T\alpha\) 属于 \(\operatorname{span}\{\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\),故 \(C(\alpha)\) 中任意更高次项 \(A^k\alpha\)(\(k \ge T\))都可被前 \(T\) 个线性表示(递推降次)。故 \(\dim C(\alpha) = T\),且该组为 \(C(\alpha)\) 的基。证毕。⏱ 10:20

\(A\) 在循环子空间 \(C(\alpha)\) 基 \(\mathcal{B}\) 下的矩阵 取基 \(\mathcal{B} = \{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\)(正序,从 0 次到 \(T-1\) 次),则 \(A\big|_{C(\alpha)}\) 在该基下的矩阵为
\[ \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & \cdots & -c_0 \\ 1 & 0 & 0 & \cdots & -c_1 \\ 0 & 1 & 0 & \cdots & -c_2 \\ \vdots & & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & -c_{T-1} \end{pmatrix}, \]
即"伴随矩阵(companion matrix)"形式。若 \(C(\alpha)\) 为强循环子空间(\(A^T\alpha=0\)),则 \(c_0 = c_1 = \cdots = c_{T-1} = 0\),矩阵退化为 Jordan 块 \(J_T(0)\)(主对角 0、次对角 1)。⏱ 11:00
基的顺序注意 若取倒序基 \(\{A^{T-1}\alpha, A^{T-2}\alpha, \dots, A\alpha, \alpha\}\),则 1 出现在主对角上方("次对角"为 1 在上方),即标准 Jordan 块 \(J_T(\lambda)\) 形式。若取正序基 \(\{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\),则 1 出现在主对角下方("次对角"为 1 在下方),即转置的 Jordan 块形式。本集采用"倒序"写法与 P110 一致(1 在上方)。⏱ 11:30

5幂零变换的 Jordan 标准形定理(证明) ⏱ 12:00

定理 · 幂零变换的 Jordan 标准形 设 \(B\) 是 \(F\) 上 \(R\) 维线性空间 \(W\) 上的幂零变换,幂零指数为 \(L\)。则 \(W\) 可分解为 \(B\) 的强循环子空间的直和:
\[ W = W_1 \oplus W_2 \oplus \cdots \oplus W_k, \]
其中每个 \(W_i\) 是 \(B\) 的强循环子空间,\(B\big|_{W_i}\) 的矩阵为 Jordan 块 \(J_{m_i}(0)\)(主对角 0、次对角 1),\(\sum m_i = R\)。⏱ 12:00
证明(第二数学归纳法)

归纳基础 \(R = 1\):\(W\) 是 1 维空间,由非零向量 \(\alpha\) 生成。幂零指数 \(L\) 满足 \(L \le 1\)(由 P110 命题"幂零指数不超过维数"),故 \(L = 1\),即 \(B\alpha = 0\)。此时 \(C(\alpha) = W\) 是强循环子空间(\(B\alpha = 0\)),命题成立。⏱ 12:30

归纳假设:假设对所有维数 \(< R\) 的线性空间上,命题成立(即"幂零变换的空间可分解为强循环子空间直和")。⏱ 13:00

归纳步(\(R\) 维空间 \(W\) 上的幂零变换 \(B\),幂零指数 \(L\)):

情况 1:\(L = 1\)(即 \(B = 0\),零变换)。取 \(W\) 的基 \(\{\alpha_1, \dots, \alpha_R\}\)。因为 \(B\) 是零变换,每个 \(\alpha_i\) 生成的子空间 \(\operatorname{span}\{\alpha_i\}\) 都是 \(B\) 的强循环子空间(\(B\alpha_i = 0\)),且

\[ W = \operatorname{span}\{\alpha_1\} \oplus \operatorname{span}\{\alpha_2\} \oplus \cdots \oplus \operatorname{span}\{\alpha_R\}. \]
故 \(W\) 分解为 \(R\) 个强循环子空间的直和。证毕。⏱ 13:30

情况 2:\(L > 1\)(\(B \neq 0\))。因为 \(B\) 是幂零变换,它有特征值 0,故存在非零特征向量 \(\beta\)(\(B\beta = 0\))。令

\[ W_0 = \ker B = \{\beta \in W : B\beta = 0\} \]
为特征值 0 的特征子空间(即 \(B\) 的核)。注意:
  • \(W_0 \neq \{0\}\)(含非零特征向量);
  • \(\dim W_0 < R\)(因 \(B \neq 0\),若 \(W_0 = W\) 则 \(B = 0\),与 \(L > 1\) 矛盾);
  • \(\dim W_0 \ge 1\)。
故 \(1 \le \dim W_0 < R\),满足归纳假设条件。⏱ 14:00

在商空间 \(W/W_0\) 上构造一个新的线性变换 \(\bar{B}\)(由 \(B\) 诱导):对任意陪集 \(\alpha + W_0 \in W/W_0\),规定

\[ \bar{B}(\alpha + W_0) = B\alpha + W_0. \]
⏱ 14:30

良定性验证(well-defined):陪集代表不唯一,需验证"换代表不影响结果"。设 \(\alpha + W_0 = \beta + W_0\),即 \(\alpha - \beta \in W_0\),则

\[ B(\alpha - \beta) = 0 \quad \text{(因 } \alpha-\beta \in \ker B = W_0\text{)}, \]
即 \(B\alpha - B\beta = 0\),故 \(B\alpha + W_0 = B\beta + W_0\)。因此 \(\bar{B}\) 的映射良定。⏱ 15:00

\(\bar{B}\) 是商空间上的线性变换(保持加法与标量乘法,这是 P111 中"映射"概念的应用):

\bar{B}((\alpha+W_0)+(\beta+W_0)) = B(\alpha+\beta)+W_0 = (B\alpha+B\beta)+W_0 = \bar{B}(\alpha+W_0)+\bar{B}(\beta+W_0), \] \[ \bar{B}(c(\alpha+W_0)) = B(c\alpha)+W_0 = cB\alpha+W_0 = c\bar{B}(\alpha+W_0). \]
故 \(\bar{B}\) 是 \(W/W_0\) 上的线性变换。⏱ 15:30

\(\bar{B}\) 是幂零变换:若 \(\bar{B}^k(\alpha+W_0) = B^k\alpha + W_0\)。因 \(B\) 幂零指数 \(L\),\(\bar{B}\) 的幂零指数 \(L' \le L\)(且一般 \(L' < L\),因 \(\bar{B}\) 在"商掉"了核之后"降幂")。商空间 \(W/W_0\) 的维数 \(= R - \dim W_0 < R\),故由归纳假设,\(W/W_0\) 可分解为 \(\bar{B}\) 的强循环子空间的直和。

老师提示"我们这个搞映射,就多了点映射的概念,比高中简直就是理解深刻多了——每一个元素要有唯一确定的象。" ⏱ 16:00
归纳步的收尾(本笔记省略) 由归纳假设,商空间 \(W/W_0\) 可分解为 \(\bar{B}\) 的强循环子空间的直和。把这些强循环子空间的"原像"拉回 \(W\),与 \(W_0\) 上的 \(B\) 的强循环子空间拼合,得到 \(W\) 分解为 \(B\) 的强循环子空间的直和。每个子空间上 \(B\) 的矩阵为 Jordan 块 \(J_{m_i}(0)\),合起来为约当形矩阵。证毕。⏱ 17:00

★重点回顾

1
循环向量:\(\{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\) 线性无关且 \(A^T\alpha \in C(\alpha)\) 的向量 \(\alpha\)。"循环"指 \(A^T\alpha\) "回到子空间里来"。
2
循环子空间 \(C(\alpha) = \operatorname{span}\{\alpha, A\alpha, A^2\alpha, \dots\}\):由循环向量及其一切 \(A\) 像张成。\(A\) 的不变子空间。
3
强循环子空间:\(A^T\alpha = 0\)(循环到零)的循环子空间。其上 \(A\) 的矩阵为 Jordan 块 \(J_T(\lambda)\)(一般)或 \(J_T(0)\)(幂零)。
4
伴随多项式 \(\mu_\alpha(\lambda)\):循环向量 \(\alpha\) 在 \(A\) 下"循环"的首一多项式,等于 \(A\big|_{C(\alpha)}\) 的最小多项式。强循环(幂零)时 \(\mu_\alpha = \lambda^T\)。
5
幂零变换的 Jordan 标准形定理(用第二数学归纳法证明):\(W\) 可分解为 \(B\) 的强循环子空间直和,每块为 Jordan 块 \(J_{m_i}(0)\)。归纳核心:商空间 \(W/\ker B\) 上的诱导变换 \(\bar{B}\) 是幂零的,维数下降。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. "循环向量" \(T\) 是最小正整数:\(T\) 是"使 \(\{\alpha, A\alpha, \dots, A^{T-1}\alpha\}\) 线性无关且 \(A^T\alpha\) 落回子空间"的最小正整数。若取更大的 \(T'\),则多出的向量 \(A^T'\alpha\) 可由前 \(T\) 个线性表示(非基)。
  2. "强循环"与"循环"的区别:强循环要求 \(A^T\alpha = 0\)("循环到零向量"),是循环的更强条件。幂零变换的循环子空间自动是强循环的(因 \(B^L\alpha=0\))。
  3. 循环子空间的维数 = \(T\),不是 \(N\)(全空间维数):\(C(\alpha)\) 通常比全空间 \(V\) 小(是 \(V\) 的不变子空间),\(\dim C(\alpha) = T\)。只有当 \(T = N\) 时 \(C(\alpha) = V\)("循环向量生成全空间")。
  4. 商空间 \(W/W_0\) 上诱导变换 \(\bar{B}\) 的良定性:必须验证"换陪集代表不影响 \(\bar{B}\) 的值"。关键是 \(W_0 = \ker B\) 是 \(B\) 的不变子空间(特征子空间必为不变子空间),故 \(B(\alpha-\beta) = 0\) 当 \(\alpha-\beta \in W_0\)。若 \(W_0\) 不是 \(B\) 的不变子空间,则 \(\bar{B}\) 不可良定。
  5. 第二数学归纳法 vs 第一数学归纳法:本定理用"第二数学归纳法"——归纳假设是"所有维数 \(< R\) 的空间命题成立"(而非仅"维数 \(= R-1\) 的")。这是因为归纳步中商空间的维数 \(R - \dim W_0\) 可能不等于 \(R-1\)(\(\dim W_0\) 可任意大于 1)。
  6. \(\dim W_0\) 的下界 1 与上界 \(R-1\):\(\dim W_0 \ge 1\) 由"特征向量非零"保证;\(\dim W_0 < R\) 由"若 \(\dim W_0 = R\) 则 \(B = 0\)(\(L=1\)),与 \(L>1\) 矛盾"保证。这两个界限必须都满足,归纳假设才可用。

✎自测与作业

  1. 设 \(A\) 为 3 维空间 \(V\) 上的线性变换,\(\alpha\) 为循环向量,\(T=3\)。写出 \(C(\alpha)\) 的基,并验证 \(\dim C(\alpha) = 3 = \dim V\)(即 \(C(\alpha) = V\))。
  2. 设 \(B\) 为幂零变换,幂零指数 \(L=2\),空间维数 \(R=5\)。说明 \(B\) 的 Jordan 标准形可能包含的 Jordan 块结构(提示:最大块阶数 = 2,各块阶数之和 = 5,如 \(J_2(0) \oplus J_2(0) \oplus J_1(0)\) 或 \(J_2(0) \oplus J_3(0)\)?说明哪个合法。)
  3. 设 \(\alpha\) 是 \(A\) 的循环向量,\(T=4\),伴随多项式 \(\mu_\alpha(\lambda) = \lambda^4 - 3\lambda + 1\)。写出 \(A\big|_{C(\alpha)}\) 在基 \(\{\alpha, A\alpha, A^2\alpha, A^3\alpha\}\) 下的矩阵("伴随矩阵"形式)。
  4. 设 \(W\) 为 3 维空间,\(B\) 为幂零变换,\(B^3 = 0\) 且 \(B^2 \neq 0\)。求 \(B\) 的 Jordan 标准形(含哪些 Jordan 块),并验证。\n
  5. (思考)设 \(W_0 = \ker B\),\(\bar{B}\) 为 \(W/W_0\) 上的诱导变换。若 \(\dim W_0 = 2\),\(R = 4\),则 \(\dim(W/W_0) = 2\)。用归纳假设,\(W/W_0\) 上 \(\bar{B}\) 可分解为几个强循环子空间?说明 \(\bar{B}\) 的幂零指数。\n
  6. (选做)设 \(B\) 为 5 维空间上的幂零变换,\(\dim\ker B = 2\),幂零指数 \(L = 3\)。写出 \(B\) 的 Jordan 标准形(含 3 阶和 2 阶块),并验证 \(\sum m_i = 5\)。
下一集预告 第 P112 集(继续 Jordan 标准形):处理"不可对角化"情形下含 \(\lambda\) 的 Jordan 块 \(J_m(\lambda) = \lambda I_m + J_m(0)\),以及一般线性变换的 Jordan 标准形定理(不可对角化情形的完整处理)。