高等代数 · 课程学习笔记

第 P102 集 · 十七:线性变换的多项式与不变子空间、零化多项式

Polynomials of a Linear Operator, Restriction & Annihilating Polynomials
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P102 / 151 集 核心概念:线性变换的多项式 · 交换环 F[A] · 限制 · 零化多项式
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◎学习目标

  1. 理解线性变换的多项式 \(f(A)\) 的含义:把一元多项式 \(f(x)\) 的不定元 \(x\) 代之以线性变换 \(A\)(保持加法、数乘、乘法运算);
  2. 掌握 \(A\) 的所有多项式构成的集合 \(F[A]\) 是一个带单位元的交换环,且通过“数乘变换”子环与数域 \(F\) 有环同构映射;
  3. 理解多项式通用性(通用性原理):对一元多项式环成立的等式,把不定元 \(x\) 代之以 \(A\) 后仍然成立;
  4. 掌握零化多项式(annihilating polynomial)的概念:存在一元多项式 \(g(x)\) 使 \(g(A)=0\)(零变换);
  5. 利用 Cayley–Hamilton 定理说明有限维线性变换必有零化多项式(特征多项式即为一个零化多项式);
  6. 明确限制 \(A\mid_W\) 与不变子空间的关系:\(W\) 是 \(A\) 的不变子空间时,\(A\) 才能限制为 \(W\) 上的线性变换。

1线性变换的多项式 \(f(A)\) ⏱ 21:30

设 \(A\) 是 \(F\) 上线性空间 \(V\) 上的线性变换。由于 \(A\) 有加法、数乘与乘法(复合),可以构造 \(A\) 的幂 \(A^m\)。形如

\[ f(A)=c_mA^m+c_{m-1}A^{m-1}+\cdots+c_1A+c_0I \]

的表达式(其中 \(c_0,\dots,c_m\in F\),\(I\) 为恒等变换),称为线性变换 \(A\) 的多项式。⏱ 22:15

注意区分 \(f(A)\) 是“给定 \(A\)”的表达式,不是“不定元 \(x\) 的多项式”。二者外形相似但本质不同:前者是线性空间 \(V\) 上的一个线性变换,后者是多项式环 \(F[x]\) 中的一个元素。⏱ 22:40

2集合 \(F[A]\) 是一个交换环 ⏱ 23:20

把所有 \(A\) 的多项式(即 \(f(A)\))构成的集合记作 \(F[A]\)。由 \(F[A]\subseteq\mathrm{End}(V)\)(\(V\) 上的线性变换全体)且对加法、减法、乘法封闭,它构成 \(\mathrm{End}(V)\) 的一个子环。关键在于它还有如下性质:

命题 · \(F[A]\) 的结构
  • 有单位元:取 \(c_0=1,\ c_1=\cdots=0\),即恒等变换 \(I\);
  • 交换环:因为所有元素都是“同一个 \(A\)”的多项式,而 \(A^m\cdot A^\ell=A^{m+\ell}=A^\ell\cdot A^m\),故 \(F[A]\) 中任意两个多项式相乘可交换;
  • \(F[A]\) 对减法、乘法封闭,是 \(\mathrm{End}(V)\) 的带单位元的交换子环。
⏱ 24:00

3数乘变换子环与环同构 ⏱ 25:00

\(F[A]\) 中“只有常数项非零”的元素,即 \(cI\)(\(c\in F\)),是数乘(数量)变换。这些构成 \(F[A]\) 的一个子环,记作 \(F\cdot I\)(数乘变换全体)。⏱ 25:20

环同构映射 定义映射 \(\tau:F\to F\cdot I\),\(\tau(c)=cI\)(数乘变换)。显然 \(\tau\) 是双射且保持加法、数乘与乘法,故 \(\tau\) 是环同构:
\[ F \cong F\cdot I \subseteq F[A]. \]
⏱ 26:10
意义 \(F[A]\) 是一个带单位元的交换环,并且存在一个来自数域 \(F\) 的“嵌入子环”(通过环同构 \(\tau\) 映到数乘变换子环)。这正是应用一元多项式通用性的两大前提条件:⏱ 26:40
  1. \(F[A]\) 是带单位元的交换环;
  2. 存在 \(F\to F[A]\)(通过数乘变换)的环同构映射。

4多项式通用性:把线性变换代入多项式 ⏱ 27:00

由一元多项式环 \(F[x]\) 的通用性(universal property),结合上一条的两个条件,可得:

通用性原理 对一元多项式环 \(F[x]\) 中成立的任何等式(关于加法、乘法),把不定元 \(x\) 代之以 \(F[A]\) 中任意元素(特别是线性变换 \(A\))后,所得的等式仍然成立。 ⏱ 27:30
举例 取 \(f(x)=c_mx^m+\cdots+c_0\),把 \(x\) 代之以 \(A\),得 \(f(A)=c_mA^m+\cdots+c_0I\)。例如若 \(f(x)=g(x)h(x)\),则 \(f(A)=g(A)h(A)\)(保持乘法);若 \(f(x)=g(x)+h(x)\),则 \(f(A)=g(A)+h(A)\)(保持加法)。这再次印证了“不定元 \(x\) 的通用性”——它以前可代入矩阵,现在可代入线性变换。⏱ 28:00

5不变子空间与限制 \(A\mid_W\) ⏱ 29:00

承上集,设 \(W\) 是 \(A\) 的不变子空间,则 \(A\) 可限制到 \(W\) 上:

限制(restriction) \(A\mid_W\) 是 \(W\) 上的线性变换,定义域由 \(V\) 缩小为 \(W\):对 \(\alpha\in W\),\((A\mid_W)\alpha=A\alpha\)。由于 \(W\) 不变,\(A\alpha\in W\),故 \(A\mid_W\) 是 \(W\to W\) 的线性变换。⏱ 29:30

丘老师强调:限制与不变子空间是“一对”的概念——有不变子空间 \(W\),才有 \(A\) 在 \(W\) 上的限制 \(A\mid_W\);反之 \(A\) 能限制到 \(W\) 上(作为 \(W\) 的自映射),等价于 \(W\) 是 \(A\) 的不变子空间。本集及后续研究“可对角化失败”时,将反复利用这一关系,在每个不变子空间上“限制 \(A\)”并寻找更简单的矩阵形式。⏱ 30:10

主线衔接 上一集(P101)给出不变子空间、限制与分块对角阵的关系;本集引入 \(A\) 的多项式 \(f(A)\) 与通用性,用以把 \(A\) 的不变子空间分解为若干互不相交的子空间(借助 Bézout 恒等式),并为“零化多项式 / 最小多项式”(P103)做准备。

6零化多项式的存在性 ⏱ 31:00

定义 · 零化多项式(annihilating polynomial) 设 \(A\) 是 \(V\) 上的线性变换。若存在一元多项式 \(g(x)\in F[x]\),使得 \(g(A)=\mathbf{0}\)(即 \(g(A)\) 为零变换),则称 \(g(x)\) 为线性变换 \(A\) 的一个零化多项式。

存在性:用 Cayley–Hamilton 定理

设 \(V\) 为 \(n\) 维,\(A\) 的特征多项式为 \(\chi_A(x)=\det(xI-A)\in F[x]\)。由 Cayley–Hamilton 定理(P105 集):

\[ \chi_A(A)=\det(A I-A)\,\big|_{\text{CH}} = \mathbf{0}. \]

即特征多项式 \(\chi_A(x)\) 本身就是一个零化多项式。因此有限维线性变换必有零化多项式。⏱ 32:00

说明 零化多项式不唯一(例如 \(\chi_A\)、\(x\chi_A\)、\((x-1)\chi_A\) 等都是零化多项式)。后续 P103 集将引出“次数最低(首一)的零化多项式”,即最小多项式,并给出其性质 1、2。本集仅先建立“零化多项式存在”这一事实。⏱ 33:00

★重点回顾

1
线性变换的多项式 \(f(A)=c_mA^m+\cdots+c_0I\),是把 \(f(x)\) 的不定元代之以 \(A\);\(f(A)\) 本身是 \(V\) 上的线性变换,而非 \(F[x]\) 中元素。
2
\(F[A]\) 是带单位元的交换环,其中 \(cI\)(数乘变换)构成子环 \(F\cdot I\),且 \(F\to F\cdot I\),\(c\mapsto cI\) 是环同构。
3
多项式通用性:\(F[x]\) 中成立的等式,代入 \(A\)(任意 \(F[A]\) 元素)后仍成立(保持加、乘)。
4
限制与不变子空间:\(W\) 是 \(A\) 的不变子空间 \(\iff A\) 可限制为 \(W\) 上的线性变换 \(A\mid_W\)。
5
零化多项式:存在 \(g(x)\in F[x]\) 使 \(g(A)=\mathbf{0}\);有限维情形由 Cayley–Hamilton 定理保证特征多项式 \(\chi_A\) 即是一个零化多项式。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 把 \(f(A)\) 当作 \(F[x]\) 中多项式:\(f(A)\) 是线性变换(\(V\) 上),不是多项式。只有“代之前”的 \(f(x)\) 才在 \(F[x]\) 中。
  2. 误以为 \(F[A]\) 可交换是“一般”性质:\(F[A]\) 交换是因为所有元素都由同一个 \(A\) 生成;而一般的两个线性变换 \(A,B\) 不一定可交换(\(AB\ne BA\))。
  3. “限制到 \(W\)”的前提:必须 \(W\) 是 \(A\) 的不变子空间(\(A(W)\subseteq W\)),否则 \(A\mid_W\) 不是 \(W\) 上的线性变换(\(W\) 上自映射不封闭)。
  4. 零化多项式不唯一:若 \(g(A)=0\),则 \(m(x)g(A)=0\) 对任意 \(m(x)\in F[x]\) 也成立,故零化多项式有无穷多个;需“次数最低(首一)”的才谈得上最小多项式。
  5. Cayley–Hamilton 适用条件:\(\chi_A(A)=0\) 只适用于有限维线性空间;无限维情形不能直接由特征多项式得到零化多项式(需另证)。
  6. 通用性代入时保持运算:代入 \(A\) 后,加法、数乘、乘法分别对应线性变换的加、数乘、复合运算;切勿把“多项式乘法”误用为“点乘”。

✎自测与作业

  1. 设 \(A\) 为 \(V\) 上线性变换,\(f(x)=x^3-2x+1\)。写出 \(f(A)\),并说明它为何是 \(V\) 上的线性变换。
  2. 证明 \(F[A]\) 对减法封闭:若 \(f(A),g(A)\in F[A]\),则 \(f(A)-g(A)\in F[A]\)。
  3. 设 \(I\) 为恒等变换。验证 \(F\to F\cdot I\),\(c\mapsto cI\) 保持加法与乘法(即环同构)。
  4. 设 \(A\) 为 \(\mathbb{R}^2\) 上的变换,\(A(x,y)=(y,x)\)(换轴)。求一个一元多项式 \(g(x)\) 使 \(g(A)=0\),并说明 \(A\) 的零化多项式与特征多项式的关系。
  5. 设 \(W\) 是 \(A\) 的不变子空间,\(\alpha\in W\)。说明 \((A\mid_W)\alpha=A\alpha\),并验证 \(A\mid_W\) 是 \(W\) 上的线性变换。
  6. (思考)设 \(g(x)\) 是 \(A\) 的零化多项式(\(g(A)=0\)),\(m(x)\in F[x]\) 任意。证明 \(m(x)g(x)\) 也是 \(A\) 的零化多项式。由此说明零化多项式不唯一。
  7. (选做)设 \(V\) 是 \(n\) 维,\(A\) 的特征多项式为 \(\chi_A(x)\)。由 Cayley–Hamilton 定理验证 \(\chi_A(A)=0\),即 \(\chi_A\) 是 \(A\) 的一个零化多项式(提示:结合 P105 集)。
下一集预告 第 P103 集 · 十八:最小多项式性质 1、性质 2。引入最小多项式(次数最低的零化多项式)概念,并证明:性质 1——最小多项式整除每个零化多项式;性质 2——\(A\) 可对角化等价于最小多项式为若干互异一次因式之积。