高等代数 · 课程学习笔记

第 P107 集 · 二十二:相似矩阵、最小多项式

Similar Matrices & Minimal Polynomial; Invariant Factors on Invariant Subspaces
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P107 / 151 集 核心概念:相似矩阵 · 五个相似不变量 · 限制最小多项式 · 公倍式
提示:数学公式渲染组件(KaTeX)加载失败,公式以源码形式显示,不影响阅读内容。联网后刷新即可正常渲染。

☰本集目录

◎学习目标

  1. 掌握相似矩阵有相同的最小多项式这一核心定理,并能借助"线性变换在不同基下矩阵"的桥接思路给出证明;
  2. 熟悉五个相似不变量:行列式、迹、特征多项式、特征值(按重数计算)、最小多项式;
  3. 理解相似矩阵 = 同一线性变换在不同基下的矩阵这一等价刻画,掌握"由矩阵 \(A\) 构造线性变换 \(\mathcal{A}\)"的标准手法;
  4. 掌握限制最小多项式的概念:当 \(V\) 分解为 \(A\)-不变子空间的直和 \(V = \bigoplus_{j=1}^{s} W_j\) 时,\(m_{\mathcal{A}} = \operatorname{lcm}(m_1, \dots, m_s)\)(其中 \(m_j\) 是 \(\mathcal{A}\) 在 \(W_j\) 上的限制的最小多项式);
  5. 为下一集(P108)"首一最小公倍式、幂零变换、最小多项式"打下铺垫。

1相似矩阵有相同的最小多项式 ⏱ 02:30

紧接上一集(P106)的矩阵版本最小多项式定义。本集的核心结论:

命题 · 相似矩阵有相同的最小多项式 设 \(A, B\) 是 \(F\) 上 \(n\) 阶矩阵,若 \(A \sim B\)(即存在可逆矩阵 \(S\) 使 \(B = S^{-1} A S\)),则
\[ m_A(\lambda) = m_B(\lambda). \]
最小多项式是相似不变量。
证明思路(借助线性变换桥接)

关键桥梁(教材上仅一句带过,课堂上反复强调要记下来 ⏱ 03:58):设 \(V\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间,\(\mathcal{A}\) 是 \(V\) 上的线性变换,若 \(\mathcal{A}\) 在某组基 \(\alpha_1, \dots, \alpha_n\) 下的矩阵是 \(A\),则 \(A\) 的最小多项式 = \(\mathcal{A}\) 的最小多项式(P106 已建立)。

第一步:由矩阵 \(A\) 构造线性变换。取 \(V\) 上任意一组基 \(\alpha_1, \dots, \alpha_n\),令 \(\mathcal{A}\) 为唯一满足 \(\mathcal{A}(\alpha_j) = \sum_i a_{ij}\alpha_i\) 的线性变换,则 \(\mathcal{A}\) 在 \(\alpha\) 基下的矩阵就是 \(A\)(利用第一章第一节的"线性变换由基上像唯一确定"定理)。⏱ 04:20

第二步:证明 \(B\) 也是 \(\mathcal{A}\) 的矩阵(在另一组基下)。取可逆矩阵 \(S\)(\(B = S^{-1}AS\)),定义新基 \(\beta_j = \sum_i \alpha_i s_{ij}\)(即 \((\beta_1, \dots, \beta_n) = (\alpha_1, \dots, \alpha_n) S\))。计算 \(\mathcal{A}\) 在 \(\beta\) 基下的矩阵:

\[ \mathcal{A}(\beta_j) = \sum_k b_{kj}\beta_k, \]

而 \(\mathcal{A}((\alpha) S) = (\mathcal{A}(\alpha)) S\)(线性映射与矩阵乘法可交换),即 \((\alpha) A S = (\beta) B\)。利用 \((\alpha) S = (\beta)\) 与 \(S^{-1} S = I\),最终得 \(B = S^{-1} A S\),故 \(\mathcal{A}\) 在 \(\beta\) 基下的矩阵正是 \(B\)。⏱ 06:13

第三步:\(A\) 和 \(B\) 都是同一 \(\mathcal{A}\) 的矩阵(在不同基下),由 P106"线性变换与其矩阵有相同的最小多项式",得 \(m_A = m_{\mathcal{A}} = m_B\)。证毕。⏱ 11:30

2五个相似不变量 ⏱ 11:42

相似不变量清单(本集核心列表) 若 \(A \sim B\)(\(B = S^{-1}AS\)),则下列五个量在 \(A, B\) 上分别相等:
序号不变量表达式来源
1行列式\(\det A = \det B\)\(\det(S^{-1}AS) = \det S^{-1} \det A \det S = \det A\)
2迹\(\operatorname{tr} A = \operatorname{tr} B\)循环移位 \(\operatorname{tr}(XY) = \operatorname{tr}(YX)\)
3特征多项式\(f_A(\lambda) = f_B(\lambda)\)\(\det(\lambda I - B) = \det S \det(\lambda I - A) \det S^{-1}\)
4特征值(按重数计算)\(\{\text{roots of } f_A\} = \{\text{roots of } f_B\}\)由特征多项式相同
5最小多项式\(m_A(\lambda) = m_B(\lambda)\)本集命题(线性变换桥接)
重要警示:五个不变量相等 ≠ 相似 "相似的矩阵五个不变量分别相等"是必要条件,不是充分条件。丘老师原话(⏱ 12:10):"就这五个都一样的两个矩阵,还不见得相似。所以这个很麻烦的事……五个都一样的两个矩阵,还不见得相似。" 相似的判定还需要更精细的不变量(下一集引入的"首一最小公倍式"以及后续的 Jordan 标准形理论)。

3相似矩阵 = 同一线性变换在不同基下的矩阵 ⏱ 04:20

定理 · 相似与基变换的等价 设 \(A, B\) 是 \(F\) 上 \(n\) 阶矩阵。则
\[ A \sim B \iff \exists \text{ 线性变换 } \mathcal{A} \text{ 与两组基 } \alpha, \beta, \text{ 使 } [\mathcal{A}]_\alpha = A,\; [\mathcal{A}]_\beta = B. \]
证明思路(⏱ 04:20 – 11:30):由 \(B = S^{-1}AS\)(\(S\) 可逆),构造 \(\mathcal{A}\) 使其在 \(\alpha\) 基下矩阵为 \(A\);令 \(\beta = \alpha S\),则 \(\mathcal{A}\) 在 \(\beta\) 基下的矩阵为 \(B\)。反向由"两组基过渡矩阵"得 \(S = P_{\alpha \to \beta}\) 即 \(B = S^{-1}AS\)。
标准手法(教材一句带过,课堂上反复强调要记) "有了矩阵 \(A\),怎么找一个线性变换 \(\mathcal{A}\),使得它在 \(V\) 的某组基下的矩阵正好是 \(A\)"——这是本集以及后续所有矩阵理论的反复使用的手法。丘老师原话:"这一段话我们以后要经常用的,就不再详细说了,一次说清楚了。" ⏱ 11:02

4限制最小多项式与整个最小多项式:公倍式关系 ⏱ 12:36

本节为下一集(P108)的核心内容预热。回顾前几集(P103–P105):"零化多项式"指导我们做不变子空间分解。现在把思路进一步精细化——用最小多项式 \(m_{\mathcal{A}}\) 替代特征多项式 \(f_{\mathcal{A}}\)(\(m_{\mathcal{A}} \mid f_{\mathcal{A}}\),且"临界"状态更精细)。我们需要回答:当 \(V\) 已分解为若干 \(A\)-不变子空间的直和时,\(\mathcal{A}\) 在每一块上的限制的最小多项式,与整个 \(m_{\mathcal{A}}\) 是什么关系?

定义 · 限制最小多项式 设 \(\mathcal{A}\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维空间 \(V\) 上的线性变换,\(V = W_1 \oplus W_2 \oplus \cdots \oplus W_s\) 是 \(\mathcal{A}\) 的不变子空间的直和(每个 \(W_j\) 都非平凡)。则 \(\mathcal{A}\) 在 \(W_j\) 上的限制 \(\mathcal{A}|_{W_j}\) 是 \(W_j\) 上的线性变换,其最小多项式记作 \(m_j(\lambda)\)(\(j = 1, 2, \dots, s\)),称为限制最小多项式。
定理(本集核心)
\[ m_{\mathcal{A}}(\lambda) = \operatorname{lcm}\bigl( m_1(\lambda), m_2(\lambda), \dots, m_s(\lambda) \bigr), \]
即整个最小多项式 \(m_{\mathcal{A}}\) 等于各限制最小多项式 \(m_1, \dots, m_s\) 的首一最小公倍式。
证明(两个方向的包含关系)

方向一:先证明"任何 \(\mathcal{A}\) 的非零零化多项式 \(q(\lambda)\) 都是 \(m_1, \dots, m_s\) 的公倍式"。取 \(W_j\) 上任意向量 \(\xi_j\),由于 \(q(\mathcal{A})\) 是零变换(在全空间 \(V\) 上),故 \(q(\mathcal{A})|_{W_j}\) 也是 \(W_j\) 上的零变换,即 \(q\) 是 \(\mathcal{A}|_{W_j}\) 的零化多项式。由 P106 命题一(\(m_j \mid q\)),\(m_j \mid q\) 对所有 \(j\) 成立,即 \(q\) 是 \(m_1, \dots, m_s\) 的公倍式(common multiple,指"公共的倍式")。⏱ 16:30

方向二:取 \(m_1, \dots, m_s\) 的任意非零公倍式 \(k(\lambda)\),则存在 \(s_1, \dots, s_s \in F[\lambda]\) 使 \(k(\lambda) = s_j(\lambda) m_j(\lambda)\)(对所有 \(j\))。要证 \(k(\mathcal{A})\) 是零变换:取任意 \(\xi \in V\),把 \(\xi\) 唯一分解为 \(\xi = \xi_1 + \cdots + \xi_s\)(\(\xi_j \in W_j\)),则

\[ k(\mathcal{A})(\xi) = \sum_{j=1}^{s} k(\mathcal{A})(\xi_j) = \sum_{j=1}^{s} s_j(\mathcal{A}|_{W_j}) m_j(\mathcal{A}|_{W_j})(\xi_j) = 0, \]

(其中 \(m_j(\mathcal{A}|_{W_j})\) 是 \(W_j\) 上的零变换,故每项都是 0。)故 \(k(\mathcal{A})\) 是零变换,即 \(k\) 是 \(\mathcal{A}\) 的零化多项式。⏱ 18:00

两个集合相等:\(\{ \mathcal{A}\) 的非零零化多项式 \(\} = \{ m_1, \dots, m_s\) 的非零公倍式 \(\}\)。两边取"次数最低、首项系数为 1"者,左边即 \(m_{\mathcal{A}}\),右边即 \(m_1, \dots, m_s\) 的首一最小公倍式。证毕。⏱ 19:30

直观理解 证明的核心是"两个集合互相包含 → 集合相等 → 两边取首一最低次"。这个集合论语言 + 整除关系的组合技巧,是本集最值得记住的论证模式。后续 P108 的矩阵版本(分块对角矩阵最小多项式 = 各块最小多项式首一最小公倍式)用的是完全相同的论证框架。

★重点回顾

1
相似矩阵有相同的最小多项式:\(A \sim B \Rightarrow m_A = m_B\)。证明借助"线性变换在不同基下的矩阵"桥接。
2
五个相似不变量:行列式、迹、特征多项式、特征值(按重数)、最小多项式。相似是充分的,但这五个相等是必要不充分条件。
3
桥接定理:相似矩阵 \(A, B\) 可看作同一线性变换 \(\mathcal{A}\) 在不同基下的矩阵。这是后续 Jordan 标准形理论反复使用的标准手法。
4
限制最小多项式与整个最小多项式:若 \(V = \bigoplus_{j=1}^{s} W_j\)(\(W_j\) 是 \(\mathcal{A}\)-不变子空间),则 \(m_{\mathcal{A}} = \operatorname{lcm}(m_1, \dots, m_s)\)(首一最小公倍式)。
5
证明技术:"集合论语言 + 整除关系"——证明"两个集合(\(\mathcal{A}\) 的非零零化多项式集合 = \(m_1, \dots, m_s\) 的非零公倍式集合)相等,再取首一最低次"。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. "五个不变量相等"不等于"相似":五个不变量相等只是相似的必要条件。实际判定需要更精细的不变量(如 Jordan 标准形本身),不能凭五个量就下"相似"的结论。
  2. \(m_j\) 是"限制最小多项式",不是"矩阵 \(A\) 的子块最小多项式":\(m_j\) 是 \(\mathcal{A}|_{W_j}\)(\(W_j\) 上的线性变换)的最小多项式,与"矩阵 \(A\) 的某个子块"是有区别的(虽然最终可以对应到矩阵版本的分块对角结构)。
  3. \(V = \bigoplus W_j\) 必须是 \(A\)-不变子空间的直和:若 \(W_j\) 不是 \(\mathcal{A}\)-不变子空间,则 \(\mathcal{A}|_{W_j}\) 未定义,\(m_j\) 也不存在。这是定理的前提。
  4. "公倍式"是公共的"倍式"(multiple):注意是"公倍式"(common multiple),不是"公因式"(common divisor)。\(m_j \mid q\) 表示 \(q\) 是 \(m_j\) 的倍式。
  5. 最小公倍式是"首一"的:两个一元多项式的首一最小公倍式是唯一确定的。"非首一"的公倍式集合不唯一(可乘任意非零标量),故必须用首一限制。

✎自测与作业

  1. 设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\),\(B = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\)(二者相似,\(B = S^{-1} A S\),\(S = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\) 或任意与 \(B\) 相似的可逆矩阵)。验证 \(m_A = (\lambda-1)(\lambda-2)\),\(m_B = (\lambda-1)(\lambda-2)\),二者相等。
  2. 设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\),\(B = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\)(相似,过渡矩阵 \(S = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\) 的逆调整)。验证 \(m_A = (\lambda-1)^2 = m_B\)。
  3. 设 \(V = \mathbb{R}^4\),\(\mathcal{A}\) 在基 \(e_1, e_2, e_3, e_4\) 下的矩阵是分块对角 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}\),不变子空间分解为 \(W_1 = \operatorname{span}(e_1, e_2)\),\(W_2 = \operatorname{span}(e_3)\),\(W_3 = \operatorname{span}(e_4)\)。分别求 \(m_1, m_2, m_3\),并验证 \(m_{\mathcal{A}} = \operatorname{lcm}(m_1, m_2, m_3)\)。
  4. (思考)为什么"相似矩阵有相同的最小多项式"不能反过来用?即"两个矩阵有相同的最小多项式"推不出"相似"。给出反例提示(考虑不同 Jordan 块结构)。
  5. (选做)证明:若 \(m_1, m_2\) 在 \(F[\lambda]\) 中互素(\((m_1, m_2) = 1\)),则 \(\operatorname{lcm}(m_1, m_2) = m_1 m_2\)(利用多项式唯一因式分解)。
下一集预告 第 P108 集 · 二十三:首一最小公倍式、幂零变换、最小多项式——首一最小公倍式的标准定义与性质、矩阵版本的限制最小多项式定理(分块对角矩阵的最小多项式 = 各对角块最小多项式的首一最小公倍式)、幂零变换与幂零矩阵的定义与最小多项式 \(m_A = \lambda^L\)(\(L\) 为幂零指数)、以及可对角化充要条件中"最小多项式为互异一次因式乘积"的刻画。