高等代数 · 课程学习笔记

第 P105 集 · 二十:Hamilton-Cayley 哈密顿-凯莱定理

Formal Proof of the Cayley-Hamilton Theorem & Root Subspace Decomposition
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P105 / 151 集 核心概念:F[λ] 上矩阵 · 伴随矩阵 · Cayley-Hamilton 定理 · 根子空间
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◎学习目标

  1. 理解 \(F[\lambda]\) 上矩阵的唯一表示:任何 \(F[\lambda]\) 上的 \(n\) 阶矩阵可唯一写成 \(\lambda^m B_m + \cdots + \lambda B_1 + B_0\),其中 \(B_i\) 是 \(F\) 上矩阵;
  2. 掌握特征矩阵 \(\lambda I - A\) 的伴随矩阵性质:\(\operatorname{adj}(\lambda I - A)(\lambda I - A) = f_A(\lambda) I\),其中 \(f_A(\lambda) = \det(\lambda I - A)\);伴随矩阵可唯一写成 \(\lambda^{n-1}B_{n-1} + \cdots + B_0\)(每个 \(B_i\) 是 \(F\) 上矩阵);
  3. 完整证明Cayley-Hamilton 定理:对任意 \(n\) 阶矩阵 \(A\),\(f_A(A) = O\);核心思想是"比较 \(\lambda\) 的各次幂系数";
  4. 理解特征多项式在 \(F[\lambda]\) 中的不可约因式分解:\(f_A(\lambda) = \lambda^{r_0} p_1(\lambda)^{r_1} \cdots p_s(\lambda)^{r_s}\)(\(p_i\) 两两不等的不可约多项式);
  5. 掌握根子空间(Generalized Eigenspace / Root Subspace)定义:\(\ker(\lambda - \lambda_i)^{r_i}(\mathcal{A} - I\lambda_i)\) 以及其直和分解定理:若特征多项式分解为一次因式幂次乘积,则 \(V = \ker(\mathcal{A}-\lambda_1 I)^{r_1} \oplus \cdots \oplus \ker(\mathcal{A}-\lambda_s I)^{r_s}\)。

1\(F[\lambda]\) 上矩阵的唯一表示 ⏱ 00:00

紧接上一集(P104)的铺垫。本集的核心技术准备:

\(F[\lambda]\) 上矩阵的结构 \(F[\lambda]\) 上 \(n\) 阶矩阵 \(M(\lambda)\) 可唯一写成:
\[ M(\lambda) = B_m \lambda^m + B_{m-1}\lambda^{m-1} + \cdots + B_1\lambda + B_0, \]
其中 \(B_0, B_1, \dots, B_m\) 是 \(F\) 上矩阵,且这种表示是唯一的(因为 \(F[\lambda]\) 中多项式的唯一表示定理 + 矩阵加法)。⏱ 00:15
两个关键事实
  1. \(F[\lambda]\) 上矩阵有伴随矩阵(\(\operatorname{adj}\));
  2. 行列式按一行展开定理对 \(F[\lambda]\) 上矩阵照样成立(因为 \(F[\lambda]\) 是交换环,行列式的代数性质与系数域无关)。
这两个事实是证明 Cayley-Hamilton 定理的基础工具。⏱ 01:30

2特征矩阵 \(\lambda I - A\) 的伴随矩阵 ⏱ 02:00

设 \(A = (a_{ij})\) 是 \(F\) 上 \(n\) 阶矩阵,特征矩阵 \(\lambda I - A\) 的形式:

\[ \lambda I - A = \begin{pmatrix} \lambda - a_{11} & -a_{12} & \cdots & -a_{1n} \\ -a_{21} & \lambda - a_{22} & \cdots & -a_{2n} \\ \vdots & & & \vdots \\ -a_{n1} & -a_{n2} & \cdots & \lambda - a_{nn} \end{pmatrix}. \]

其伴随矩阵 \(\operatorname{adj}(\lambda I - A)\) 的每个元素是 \((n-1)\) 阶行列式(\(\lambda I - A\) 的某个 \((n-1)\) 阶子式),因此每个元素是 \(\lambda\) 的至多 \(n-1\) 次多项式(因为每行每列只有一个 \(\lambda\) 项)。⏱ 03:00

伴随矩阵的结构 \(\operatorname{adj}(\lambda I - A)\) 可唯一写成
\[ \operatorname{adj}(\lambda I - A) = B_{n-1}\lambda^{n-1} + B_{n-2}\lambda^{n-2} + \cdots + B_1\lambda + B_0, \]
其中 \(B_0, B_1, \dots, B_{n-1}\) 是 \(F\) 上矩阵(至多 \(n-1\) 次),表示唯一。⏱ 04:00
为什么每个元素至多 \(n-1\) 次?

\(\operatorname{adj}(\lambda I - A)_{ij} = (-1)^{i+j}M_{ji}(\lambda)\),其中 \(M_{ji}(\lambda)\) 是 \(\lambda I - A\) 划去第 \(j\) 行第 \(i\) 列后的 \((n-1)\) 阶行列式。该行列式的每个元素含 \(\lambda\) 的项至多一个(因为划掉一行后,每行每列仍只有一个对角位置含 \(\lambda\)),展开后最高次项至多 \(n-1\) 次。故每个伴随元素是至多 \(n-1\) 次多项式。⏱ 05:00

基本关系(P15 行列式按行展开的推广) 对 \(F[\lambda]\) 上矩阵同样成立:
\[ \operatorname{adj}(\lambda I - A) \cdot (\lambda I - A) = \det(\lambda I - A) \cdot I = f_A(\lambda) \cdot I. \]
其中 \(f_A(\lambda) = \det(\lambda I - A) = \lambda^n + a_1\lambda^{n-1} + \cdots + a_{n-1}\lambda + a_n\) 是首一(首项系数为 1)的 \(n\) 次多项式。⏱ 06:00

3Cayley-Hamilton 定理的完整证明 ⏱ 06:30

定理 · Cayley-Hamilton(Hamilton-Cayley) 设 \(A\) 是 \(F\) 上 \(n\) 阶矩阵,\(f_A(\lambda) = \det(\lambda I - A) = \lambda^n + a_1\lambda^{n-1} + \cdots + a_n\)。则
\[ f_A(A) = A^n + a_1 A^{n-1} + \cdots + a_n I = O. \]
即:矩阵 \(A\) 满足其特征多项式。⏱ 06:30
证明(比较 \(\lambda\) 的各次幂系数)

第一步:写出伴随矩阵的表示:

\[ \operatorname{adj}(\lambda I - A) = B_{n-1}\lambda^{n-1} + B_{n-2}\lambda^{n-2} + \cdots + B_1\lambda + B_0. \]

第二步:两边乘以 \(\lambda I - A\):

\[ (B_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + B_0)(\lambda I - A) = f_A(\lambda) \cdot I. \]

展开左边:每个 \(B_k\lambda^k\) 乘以 \(\lambda I\) 得 \(B_k\lambda^{k+1}\),乘以 \(-A\) 得 \(-B_k A \lambda^k\)(注意 \(B_k\) 是 \(F\) 上矩阵,与 \(A\) 可交换的只是系数,但 \(B_k\) 和 \(A\) 是右乘关系,\(B_k A\) 是普通矩阵乘积)。整理按 \(\lambda\) 的幂次:

\[ \lambda^n B_{n-1} + \lambda^{n-1}(B_{n-2} - B_{n-1}A) + \lambda^2(B_1 - B_2 A) + \cdots + \lambda(B_0 - B_1 A) - B_0 A. \]

第三步:右边 \(f_A(\lambda) \cdot I = (\lambda^n + a_1\lambda^{n-1} + \cdots + a_n) I\)

\[ = \lambda^n \cdot I + a_1\lambda^{n-1} I + a_2\lambda^{n-2} I + \cdots + a_{n-1}\lambda I + a_n I. \]

第四步(关键):由于 \(F[\lambda]\) 上矩阵表示的唯一性,比较各次幂系数:

\[ B_{n-1} = I \] \[ B_{n-2} - B_{n-1}A = a_1 I \Rightarrow B_{n-2} - A = a_1 I \] \[ B_{k-1} - B_k A = a_k I, \quad k = 2, 3, \dots, n-1 \] \[ -B_0 A = a_n I \Rightarrow B_0 A = -a_n I. \]

第五步("斜着消掉"技巧):丘老师强调从下往上消。对倒数第二式右乘 \(A\):

\[ B_1 A - B_0 A^2 = a_{n-1} A \Rightarrow B_1 A = a_{n-1}A + a_n I \]

对倒数第三式右乘 \(A^2\):

\[ B_2 A^2 = a_{n-2}A^2 + B_1 A^2 = a_{n-2}A^2 + a_{n-1}A^2 + a_n A = (a_{n-2}+a_{n-1})A^2 \ldots \]

(实际上,归纳得到:对每个 \(k\),\(B_k A^{n-k} = a_k A^{n-k} + a_{k+1} A^{n-k-1} + \cdots + a_n I\)。)⏱ 10:00

把 \(k=0\)(即 \(B_0 A^n = a_0 A^n + a_1 A^{n-1} + \cdots + a_n I\),其中 \(a_0=1\))代入,得:

\[ A^n + a_1 A^{n-1} + \cdots + a_n I = O, \]

即 \(f_A(A) = O\)。证毕。⏱ 12:00

"斜着消掉"的直观解释 丘老师原话:"这个怎么想到要右乘这个?你看,我再倒来看……这个右乘了 \(A\) 的 \(n-1\) 次方,这个就变成了 \(B\) 的 \(n-1\) 就是 \(A\) 的 \(n\) 次方……斜着这么消掉,斜着这么消掉……肯定得算。"——这是从最低次幂往上逐步右乘 \(A\),每次消去一个 \(B_k\) 项,最终得到 \(f_A(A)=O\)。
线性变换版本的 Cayley-Hamilton 定理

设 \(\mathcal{A}\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维空间 \(V\) 上的线性变换,\(\mathcal{A}\) 在某组基下的矩阵为 \(A\),\(f_A(\lambda) = \det(\lambda I - A)\) 是 \(\mathcal{A}\) 的特征多项式(与基无关,因为相似矩阵特征多项式相同)。由矩阵版 Cayley-Hamilton,\(f_A(A) = O\)。由矩阵与线性变换的环同态关系,\(f_A(\mathcal{A}) = 0\)(零变换)。故:

定理(线性变换版)\(f_A(\mathcal{A}) = 0\),即线性变换的特征多项式是它的零化多项式。⏱ 14:00

4特征多项式在 \(F[\lambda]\) 中的不可约因式分解 ⏱ 14:30

由多项式因式唯一分解定理,特征多项式(首一)在 \(F[\lambda]\) 中可唯一分解为:

\[ f_A(\lambda) = \lambda^{r_0} \, p_1(\lambda)^{r_1} \, p_2(\lambda)^{r_2} \, \cdots \, p_s(\lambda)^{r_s}, \]

其中 \(p_1, p_2, \dots, p_s\) 是 \(F\) 上两两不等的不可约多项式(首一),\(r_0, r_1, \dots, r_s \geq 0\)。由于 \(f_A\) 首一,各 \(p_i\) 也首一。⏱ 15:00

应用 P104 的直和分解定理 各 \(p_i(\lambda)^{r_i}\)(\(i=1,2,\dots,s\))两两互素(因为 \(p_i\) 两两不等的不可约多项式),由 P104 的推广定理:
\[ V = \ker p_1(\mathcal{A})^{r_1} \oplus \ker p_2(\mathcal{A})^{r_2} \oplus \cdots \oplus \ker p_s(\mathcal{A})^{r_s}. \]
(这里若 \(r_0 > 0\),则还要加上 \(\ker\mathcal{A}^{r_0}\);即 \(\lambda^{r_0}\) 对应的核为 \(\ker\mathcal{A}^{r_0}\)。)⏱ 16:00

每一块 \(\ker p_i(\mathcal{A})^{r_i}\) 都是 \(\mathcal{A}\) 的不变子空间,这为后续"分块对角化"(Jordan 标准形)打下基础。

5根子空间(Root Subspace)的直和分解 ⏱ 16:30

特殊情况:特征多项式分解为一次因式幂次乘积 若 \(F\) 是代数闭域(如 \(\mathbb{C}\)),或 \(f_A\) 在 \(F\) 中可分解为一次因式的幂次乘积:
\[ f_A(\lambda) = (\lambda - \lambda_1)^{r_1} (\lambda - \lambda_2)^{r_2} \, \cdots \, (\lambda - \lambda_s)^{r_s}, \]
其中 \(\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_s \in F\) 两两不等,\(r_i \geq 1\)。

定义 · 根子空间 \(\ker(\mathcal{A} - \lambda_i I)^{r_i}\) 称为线性变换 \(\mathcal{A}\) 的根子空间(Root Subspace,也称广义特征子空间)对应特征值 \(\lambda_i\)。⏱ 17:00
定理 · 根子空间直和分解 若 \(f_A(\lambda)\) 在 \(F\) 中分解为一次因式幂次乘积(如上),则
\[ V = \ker(\mathcal{A} - \lambda_1 I)^{r_1} \oplus \ker(\mathcal{A} - \lambda_2 I)^{r_2} \oplus \cdots \oplus \ker(\mathcal{A} - \lambda_s I)^{r_s}. \]
即整个空间 \(V\) 分解为 \(\mathcal{A}\) 的各根子空间的直和,每个根子空间都是 \(\mathcal{A}\) 的不变子空间。⏱ 18:00
证明思路

各 \((\lambda - \lambda_i)^{r_i}\) 两两互素(因为 \(\lambda_i\) 两两不等),由 P104 的推广定理:

\[ V = \ker f_A(\mathcal{A}) = \ker(\mathcal{A}-\lambda_1 I)^{r_1} \oplus \cdots \oplus \ker(\mathcal{A}-\lambda_s I)^{r_s}. \]
这里用到了 Cayley-Hamilton 定理:\(f_A(\mathcal{A}) = 0\),故 \(\ker f_A(\mathcal{A}) = V\)(整个空间的核)。

丘老师说:"把这些核的直和,而这些核都是 \(\mathcal{A}\) 的不变子空间,我们把这个给它起一个名字,就这个式子……称为这个线性变换 \(\mathcal{A}\) 的根子空间……把整个空间 \(V\) 分解成了这些根子空间的直和,这个为我们研究线性变换在某一组基的矩阵,是个分块对角的矩阵,就打下基础。"⏱ 20:00

与 P104 的联系 本定理是 P104"多个互素多项式对应不变子空间直和"定理的直接推论,只需将 \(f_i = (\lambda - \lambda_i)^{r_i}\) 代入,并利用 Cayley-Hamilton 保证 \(\ker f_A(\mathcal{A}) = V\)。

★重点回顾

1
\(F[\lambda]\) 上矩阵唯一表示:\(M(\lambda) = B_m\lambda^m + \cdots + B_0\),系数矩阵唯一;行列式、按行展开、伴随矩阵基本关系都成立。
2
伴随矩阵性质:\(\operatorname{adj}(\lambda I - A) = B_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + B_0\)(\(B_i \in F^{n\times n}\)),且 \(\operatorname{adj}(\lambda I - A)(\lambda I - A) = f_A(\lambda)I\)。
3
Cayley-Hamilton 定理:\(f_A(A) = O\)。证明核心:把 \(\operatorname{adj}(\lambda I - A)(\lambda I - A) = f_A(\lambda)I\) 两边按 \(\lambda\) 的幂次展开,利用唯一表示比较系数,得 \(B_{n-1}=I\),\(B_k - B_{k+1}A = a_k I\),最后"斜着消掉"(从低次幂右乘 \(A\) 逐步消去),得 \(A^n + a_1 A^{n-1} + \cdots + a_n I = O\)。
4
特征多项式不可约分解:\(f_A(\lambda) = \lambda^{r_0} p_1(\lambda)^{r_1} \cdots p_s(\lambda)^{r_s}\)(\(p_i\) 两两不等不可约),由互素性和 P104 定理得 \(V\) 的不变子空间直和分解。
5
根子空间直和:若 \(f_A\) 分解为 \(\prod(\lambda - \lambda_i)^{r_i}\)(\(\lambda_i\) 两两不等),则 \(V = \bigoplus_i \ker(\mathcal{A} - \lambda_i I)^{r_i}\),每块是 \(\mathcal{A}\) 的不变子空间。这是后续 Jordan 标准形理论的基础。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 比较系数的前提是"唯一表示":\(F[\lambda]\) 上矩阵写成 \(\lambda\) 的幂次形式时,每个幂次的系数矩阵是唯一的,否则"比较系数"不合法。这是整个证明的核心逻辑基础。
  2. \(B_k A\) 是右乘:展开 \((B_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + B_0)(\lambda I - A)\) 时,\(-A\) 是右乘(\(\lambda I - A\) 在右边),所以得到的是 \(B_k \cdot A\)(\(B_k\) 左,\(A\) 右),不是 \(A \cdot B_k\)。矩阵乘法不交换,方向不能错。
  3. 特征多项式首一:\(f_A(\lambda) = \det(\lambda I - A)\) 的最高次项是 \(\lambda^n\)(系数为 1),所以 \(B_{n-1} = I\)(而不是某个常数矩阵)。
  4. \(\ker(\mathcal{A}-\lambda I)^r\) 可能比特征子空间大:\(\ker(\mathcal{A}-\lambda I)\) 是特征子空间(特征值 \(\lambda\) 对应的),而 \(\ker(\mathcal{A}-\lambda I)^r\)(\(r\geq 2\))是广义特征子空间,包含 \((\mathcal{A}-\lambda I)^{r-1}\) 的像空间中的向量,维数可以大于特征子空间。不要混淆。
  5. 根子空间直和分解需要 \(f_A\) 在 \(F\) 中可完全分解为一次因式:若 \(F\) 不是代数闭域且 \(f_A\) 含不可约二次因式,则只能分解到不可约多项式幂次为止,不能分解到一次因式。

✎自测与作业

  1. 对 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}\),计算 \(\lambda I - A = \begin{pmatrix} \lambda-1 & -2 \\ 0 & \lambda-3 \end{pmatrix}\),求其伴随矩阵,验证 \(\operatorname{adj}(\lambda I - A)(\lambda I - A) = (\lambda-1)(\lambda-3) \cdot I\),并比较系数得 \(A^2 - 4A + 3I = O\)(Cayley-Hamilton)。
  2. 验证 \(A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}\)(旋转 \(\pi/2\))的特征多项式 \(f_A(\lambda) = \lambda^2 + 1\),验证 \(A^2 + I = O\)(即 \(A^2 = -I\),与几何直觉一致:旋转 \(90°\) 两次等于 \(180°\) 旋转即取反)。
  3. 设 \(A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\),特征多项式 \((\lambda-2)^2\)。验证 \((A - 2I)^2 = O\)(Cayley-Hamilton)。计算 \(A-2I = \begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}\),\((A-2I)^2 = O\)(显然,幂零矩阵)。
  4. (思考)为什么 Cayley-Hamilton 定理的伴随矩阵方法称为"代数证明"而非"特征值证明"?从"不要求 \(F\) 是代数闭域、不要求 \(f_A\) 有根"的角度说明其优势。
  5. 设 \(V\) 是 \(\mathbb{C}\) 上 3 维空间,\(\mathcal{A}\) 的特征多项式为 \((\lambda-1)^2(\lambda-2)\)。写出根子空间直和分解 \(V = \ker(\mathcal{A}-I)^2 \oplus \ker(\mathcal{A}-2I)\),并说明每块的维数。
  6. (选做)试将 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\) 的特征多项式 \((\lambda-1)^3\) 代入 \(A\),验证 \((A-I)^3 = O\)(3 阶 Jordan 块的幂零性),并计算 \((A-I)^2\)(非零,说明 \(A\) 不是可对角化的——预告 P105 下一集内容)。
下一集预告 第 P106 集 · 二十一:最小多项式——定义(次数最低且首项系数为 1 的零化多项式)、唯一性、整除性(\(m_A\) 整除任何零化多项式)、与特征多项式的关系(\(m_A\) 整除 \(f_A\),两者有相同的根但重数可以不同)、矩阵最小多项式的引入。