חזור לתיקייה: 01040166 - אלגברה אמ

12 - עע ולכסון

חיפוש בתיקיה
Ctrl K
לחץ כאן או הקש Ctrl K כדי לחפש בכל התיקיה
  • כללי
  • טכניקה למציאת D ו-P
  • שלב 1
  • שלב 2 - מציאת הו"ע
  • לכסון של טרנספורמציות
  • מציאת ע"ע וו"ע
  • כמה הגדרות לסיכום

12 - עע ולכסון

01040166

אלגברה אמ

רשימות הרצאה לקריאה בשבת

עע ולכסון

הופק מתוך תקיית התואר של שקד

uni-folder.vercel.app

הגדרה 1 (מטריצה לכסינה)

A∈Fn×nA \in \mathbb{F}^{n\times n}A∈Fn×n נקראת לכסינה מעל F\mathbb{F}F אם היא דומה למטריצה אלכסונית.
כלומר, אם קיימת מטריצה P∈Fn×nP \in \mathbb{F}^{n\times n}P∈Fn×n הפיכה ומטריצה אלכסונית D=diag(λ1,…,λn)∈Fn×nD=diag(\lambda_{1},\dots,\lambda_{n})\in \mathbb{F}^{n\times n}D=diag(λ1​,…,λn​)∈Fn×n כך ש-P−1AP=DP^{-1}AP=DP−1AP=D.

דוגמה (מוטיבציה ללכסון(טריוויאלית))

P−1AP=D  ⟹  A=PDP−1  ⟹  A3729=(PDP−1)3729P^{-1}AP=D \implies A=PDP^{-1} \implies A^{3729}=(PDP^{-1})^{3729}P−1AP=D⟹A=PDP−1⟹A3729=(PDP−1)3729 =PDP−1PDP−1…PDP−1=PD3729P−1=PDP^{-1}PDP^{-1}\dots PDP^{-1}=PD^{3729}P^{-1}=PDP−1PDP−1…PDP−1=PD3729P−1

  ⟺  \iff⟺ קיימת מטריצה P∈Fn×nP \in \mathbb{F}^{n\times n}P∈Fn×n הפיכה ומטריצה אלכסונית D=diag(λ1,…,λn)D=diag(\lambda_{1},\dots,\lambda_{n})D=diag(λ1​,…,λn​) כך ש-AP=PDAP=PDAP=PD
  ⟺  \iff⟺ קיימים v‾1,…,v‾n\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n}v​1​,…,v​n​ בת"ל ו-λ1,…,λn∈F\lambda_{1},\dots,\lambda_{n} \in \mathbb{F}λ1​,…,λn​∈F כך ש-

A(v‾1…v‾n)=(v‾1…v‾n)(λ1⋱λn)A\begin{pmatrix} \underline{v}_{1} & \dots & \underline{v}_{n} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \underline{v}_{1} & \dots & \underline{v}_{n} \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \lambda_{1} \\ & \ddots & \\ & & \lambda_{n} \end{pmatrix}A(v​1​​…​v​n​​)=(v​1​​…​v​n​​)​λ1​​⋱​λn​​​

  ⟺  \iff⟺ קיימים v‾1,…,v‾n\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n}v​1​,…,v​n​ בת"ל ו-λ1,…,λn∈F\lambda_{1},\dots,\lambda_{n} \in \mathbb{F}λ1​,…,λn​∈F כך ש-

(Av‾1…Av‾n)=(λ1v‾1λ2v‾n…λnv‾n)\begin{pmatrix} A\underline{v}_{1} & \dots & A\underline{v}_{n} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \lambda_{1}\underline{v}_{1} & \lambda_{2}\underline{v}_{n} & \dots & \lambda_{n}\underline{v}_{n} \end{pmatrix}(Av​1​​…​Av​n​​)=(λ1​v​1​​λ2​v​n​​…​λn​v​n​​)

  ⟺  \iff⟺ קיימים v‾1,…,v‾n\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n}v​1​,…,v​n​ בת"ל ו-λ1,…,λn∈F\lambda_{1},\dots,\lambda_{n} \in \mathbb{F}λ1​,…,λn​∈F כך ש-

Av‾i=λiv‾ii=1,…,nA\underline{v}_{i}=\lambda_{i}\underline{v}_{i} \qquad i=1,\dots,nAv​i​=λi​v​i​i=1,…,n

  ⟺  \iff⟺ AAA לכסינה   ⟺  \iff⟺ יש לה nnn וקטורים עצמיים בת"ל.

הגדרה 2 (ערך עצמי)

סקלר λ∈F\lambda \in \mathbb{F}λ∈F נקרא ערך עצמי(ע"ע) של A∈Fn×nA \in \mathbb{F}^{n\times n}A∈Fn×n אם קיים וקטור 0≠v‾∈Fn0 \neq \underline{v} \in \mathbb{F}^n0=v​∈Fn כך ש-Av‾=λv‾A\underline{v}=\lambda \underline{v}Av​=λv​.
במקרה זה v‾\underline{v}v​ נקרא וקטור עצמי המתאים לע"ע λ\lambdaλ (ולהיפך)

משפט

תהי A∈Fn×nA \in \mathbb{F}^{n\times n}A∈Fn×n.
AAA לכסינה מעל F\mathbb{F}F   ⟺  \iff⟺ קיים בסיס B={v‾1,…,v‾n}B=\left\{ \underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n} \right\}B={v​1​,…,v​n​} המורכב מו"ע של AAA.
כלומר, ל-AAA יש nnn ו"ע בת"ל.

הערה

אם AAA לכסינה, אזי קיימת מטריצה הפיכה PPP ואלכסונית DDD כך ש-P−1AP=DP^{-1}AP=DP−1AP=D
כאשר P=(v‾1,v‾2,…,v‾m)P=(\underline{v}_{1},\underline{v}_{2},\dots,\underline{v}_{m})P=(v​1​,v​2​,…,v​m​) ו-D=(λ1⋱λn)D=\begin{pmatrix}\lambda_{1}\\& \ddots \\ &&& \lambda_{n}\end{pmatrix}D=​λ1​​⋱​​λn​​​.

טכניקה למציאת DDD ו-PPP

יהי λ∈F\lambda \in \mathbb{F}λ∈F ע"ע של   ⟺  A∈Fn×n\iff A \in \mathbb{F}^{n\times n}⟺A∈Fn×n קיים 0‾≠v‾∈Fn\underline{0}\neq \underline{v}\in \mathbb{F}^n0​=v​∈Fn כך ש-Av‾=λv‾A\underline{v}=\lambda \underline{v}Av​=λv​.   ⟺  \iff⟺ קיים v‾≠0‾\underline{v} \neq \underline{0}v​=0​ כך ש-λv‾−Av‾=0‾\lambda \underline{v}-A\underline{v}=\underline{0}λv​−Av​=0​   ⟺  \iff⟺ קיים v‾≠0‾\underline{v}\neq \underline{0}v​=0​ כך ש-(λI−A)v‾=0‾(\lambda I-A)\underline{v}=\underline{0}(λI−A)v​=0​   ⟺  \iff⟺ קיים פתרון לא טריוויאלי למערכת (λI−A)x‾=0(\lambda I-A)\underline{x}=0(λI−A)x​=0   ⟺  \iff⟺ λI−A\lambda I-AλI−A לא הפיכה   ⟺  \iff⟺ ∣λI−A∣=0|\lambda I-A|=0∣λI−A∣=0. (זה דטרמיננטה)

הגדרה 3

P(t)=∣tI−A∣P(t)=|tI-A|P(t)=∣tI−A∣ נקרא הפולניום האופייני של המטריצה AAA.

שלב 1

מוצאים את כל השורשים של הפ"א (פולינום אופייני).

P(t)=∣tI−A∣P(t)=|tI-A|P(t)=∣tI−A∣ P(t)=(t−λ1)k1(t−λ2)k2…(t−λm)kmP(t)=(t-\lambda_{1})^{k_{1}}(t-\lambda_{2})^{k_{2}}\dots(t-\lambda_{m})^{k_{m}}P(t)=(t−λ1​)k1​(t−λ2​)k2​…(t−λm​)km​

אזי λ1,…,λm\lambda_{1},\dots,\lambda_{m}λ1​,…,λm​ הם כל הע"ע של AAA כאשר החזקה kik_{i}ki​ נקראת הריבוי האלגברי של הע"ע λi\lambda_iλi​.

שלב 2 - מציאת הו"ע

כדי למצוא את הו"ע פשוט פותרים את המערכת Av‾=λiv‾A\underline{v}=\lambda _i\underline{v}Av​=λi​v​ לכל λi\lambda_{i}λi​ ששקולה למערכת (λiI−A)v‾=0‾(\lambda_{i}I-A)\underline{v}=\underline{0}(λi​I−A)v​=0​.
כמו כן נגדיר את Vλi={x‾∈Fn∣(λiI−A)x‾=0‾}V_{\lambda_{i}}=\left\{ \underline{x} \in \mathbb{F}^n|(\lambda_{i}I-A)\underline{x}=\underline{0} \right\}Vλi​​={x​∈Fn∣(λi​I−A)x​=0​} בתור המרחב העצמי של הע"ע λi\lambda_{i}λi​. מכיוון שהמרחב העצמי הוא ת"מ, יש לו מימד.

dim⁡Vλi=n−r(λiI−A)\dim V_{\lambda_{i}}=n-r(\lambda_{i}I-A)dimVλi​​=n−r(λi​I−A)

המימד של VλiV_{\lambda_{i}}Vλi​​ נקרא הריבוי הגיאומטרי של הע"ע λi\lambda_{i}λi​.

משפט

AAA לכסינה   ⟺  \iff⟺ סכום הריבויים הגיאומטריים הוא nnn
כלומר, יש לנו nnn ו"ע בת"ל.

תרגיל

תהא A=(311−35−3−111)A=\begin{pmatrix}3&1&1\\-3&5&-3\\-1&1&1\end{pmatrix}A=​3−3−1​151​1−31​​.
בדקו האם AAA לכסינה מעל R\mathbb{R}R ומצאו PPP הפיכה ו-DDD אלכסונית כך ש-P−1AP=DP^{-1}AP=DP−1AP=D.

נמצא ע"ע.

∣tI−A∣=∣t−3−1−13t−531−1t−1∣=↓R1=R1+R3∣t−20t−23t−531−1t−1∣=↓C3=C3−C1∣t−2003t−501−1t−2∣|tI-A|=\begin{vmatrix} t-3 & -1 & -1 \\ 3 & t-5 & 3 \\ 1 & -1 & t-1 \end{vmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ R_{1}=R_{1}+R_{3} \end{matrix}}{=}\begin{vmatrix} t-2 & 0 & t-2 \\ 3 & t-5 & 3 \\ 1 & -1 & t-1 \end{vmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ C_{3}=C_{3}-C_{1} \end{matrix}}{=}\begin{vmatrix} t-2 & 0 & 0 \\ 3 & t-5 & 0 \\ 1 & -1 & t-2 \end{vmatrix}∣tI−A∣=​t−331​−1t−5−1​−13t−1​​↓R1​=R1​+R3​​=​​t−231​0t−5−1​t−23t−1​​↓C3​=C3​−C1​​=​​t−231​0t−5−1​00t−2​​ =(t−2)2(t−5)=(t-2)^2(t-5)=(t−2)2(t−5)

קיבלנו λ1=2\lambda_{1}=2λ1​=2 ע"ע עם ר"א 222 ו-λ2=5\lambda_{2}=5λ2​=5 ע"ע עם ר"א 111.
לכל אחד מהע"ע נמצא מ"ע. עבור λ1=2\lambda_{1}=2λ1​=2 נמצא את Vλ1=2V_{\lambda_{1}=2}Vλ1​=2​. נפתור את המערכת: (2I−A)x‾=0‾(2I-A)\underline{x}=\underline{0}(2I−A)x​=0​

(−11−13−331−11)→(1−11000000)  ⟹  {x1−x2+x3=0x1=x2−x3=s−tx2=5x3=s\begin{pmatrix} -1 & 1 & -1 \\ 3 & -3 & 3 \\ 1 & -1 & 1 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \implies \begin{cases} x_{1}-x_{2}+x_{3}=0 \\ x_{1}=x_{2}-x_{3}=s-t \\ x_{2}=5 \\ x_{3}=s \end{cases}​−131​1−3−1​−131​​→​100​−100​100​​⟹⎩⎨⎧​x1​−x2​+x3​=0x1​=x2​−x3​=s−tx2​=5x3​=s​ Vλ1=2={(s−tst)s,t∈R}=sp{(110),(−101)}V_{\lambda_{1}=2}=\left\{ \begin{array}{c|c} \begin{pmatrix} s-t \\ s \\ t \end{pmatrix} & s,t \in \mathbb{R} \end{array} \right\}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} -1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \right\}Vλ1​=2​=⎩⎨⎧​​s−tst​​​s,t∈R​⎭⎬⎫​=sp⎩⎨⎧​​110​​,​−101​​⎭⎬⎫​

הר"ג של λ1=2\lambda_{1}=2λ1​=2 הוא 222.
נמצא מ"ע עבור ע"ע λ2=5\lambda_{2}=5λ2​=5. נפתור את המערכת (5I−A)x‾=0‾(5I-A)\underline{x}=\underline{0}(5I−A)x​=0​.

(21−13031−14)→(1−1430321−1)→(1−1403−903−9)→(1−1401−3000)→(10101−3000)\begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 3 & 0 & 3 \\ 1 & -1 & 4 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 4 \\ 3 & 0 & 3 \\ 2 & 1 & -1 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 4 \\ 0 & 3 & -9 \\ 0 & 3 & -9 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 4 \\ 0 & 1 & -3 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & -3 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}​231​10−1​−134​​→​132​−101​43−1​​→​100​−133​4−9−9​​→​100​−110​4−30​​→​100​010​1−30​​ {x1=−x3x2=3x3x3=t\begin{cases} x_{1}=-x_{3} \\ x_{2}=3x_{3} \\ x_{3}=t \end{cases}⎩⎨⎧​x1​=−x3​x2​=3x3​x3​=t​ Vλ2=5={(−t3tt)t∈R}=sp{(−131)}V_{\lambda_{2}=5}=\left\{ \begin{array}{c|c} \begin{pmatrix} -t \\ 3t \\ t \end{pmatrix} & t \in \mathbb{R} \end{array} \right\}=sp\left\{ \begin{pmatrix} -1 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} \right\}Vλ2​=5​=⎩⎨⎧​​−t3tt​​​t∈R​⎭⎬⎫​=sp⎩⎨⎧​​−131​​⎭⎬⎫​

הר"ג של λ2=5\lambda_{2}=5λ2​=5 הוא 1.
נקבל {(110),(−101),(−131)}\left\{ \begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix},\begin{pmatrix}-1\\0\\1\end{pmatrix},\begin{pmatrix}-1\\3\\1\end{pmatrix} \right\}⎩⎨⎧​​110​​,​−101​​,​−131​​⎭⎬⎫​ בסיס ל-R3\mathbb{R}^3R3.

(110−101−131)→(1100−11041)→(1100−11005)\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \\ -1 & 3 & 1 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 \\ 0 & 4 & 1 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix}​1−1−1​103​011​​→​100​1−14​011​​→​100​1−10​015​​

ולכן המטריצה לכסינה מעל R\mathbb{R}R.

P=(1−1−1103011),D=(200020005)P=\begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 \\ 1 & 0 & 3 \\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix},D=\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix}P=​110​−101​−131​​,D=​200​020​005​​
משפט

A∈Fn×nA \in \mathbb{F}^{n\times n}A∈Fn×n לכסינה מעל   ⟺  F\iff\mathbb{F}⟺F

  1. הפולינום האופייני(פ"א) של AAA מתפרק לגורמים ליניאריים(מעל F\mathbb{F}F)
  2. לכל ע"ע של AAA מתקיים ר"א=ר"ג

טענה (1)

יהא λ\lambdaλ ע"ע של מטריצה AAA. אזי ר"א ≤\leq≤ ר"ג ≤\leq≤ 1

מסקנה (לפני ההוכחה)

אם ר"א=1   ⟸  \impliedby⟸ ר"א=ר"ג=1.

הוכחה של טענה 1:
נניח כי הר"ג של ע"ע λ1\lambda_{1}λ1​ הוא kkk. כלומר, קיימים {v‾1,…,v‾n}\left\{ \underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n} \right\}{v​1​,…,v​n​} בת"ל כך ש-Av‾i=λ1v‾iA\underline{v}_{i}=\lambda_{1}\underline{v}_{i}Av​i​=λ1​v​i​ לכל i=1,…,ki=1,\dots,ki=1,…,k.
נשלים את {v‾1,…,v‾n}\left\{ \underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n} \right\}{v​1​,…,v​n​} לבסיס של Fn\mathbb{F}^nFn.
כלומר {v‾1,…,v‾k,v‾k+1,…,v‾n}\left\{ \underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{k},\underline{v}_{k+1},\dots,\underline{v}_{n} \right\}{v​1​,…,v​k​,v​k+1​,…,v​n​} בסיס ל-Fn\mathbb{F}^nFn אזי

Av‾1=λ1v‾1Av‾2=λ1v‾2⋮Av‾k=λ1v‾kAv‾k+1=α1(1)v‾1+⋯+αn(1)v‾n⋮Av‾n=α1(n−k)v‾1+⋯+αn(n−k)v‾n\begin{align*} & A\underline{v}_{1}=\lambda_{1}\underline{v}_{1} \\ & A\underline{v}_{2}=\lambda_{1}\underline{v}_{2} \\ & \vdots \\ & A\underline{v}_{k}=\lambda_{1}\underline{v}_{k} \\ & A\underline{v}_{k+1}=\alpha_{1}^{(1)}\underline{v}_{1}+\dots+\alpha_{n}^{(1)}\underline{v}_{n} \\ & \vdots \\ & A\underline{v}_{n}=\alpha_{1}^{(n-k)}\underline{v}_{1}+\dots+\alpha_{n}^{(n-k)}\underline{v}_{n} \end{align*}​Av​1​=λ1​v​1​Av​2​=λ1​v​2​⋮Av​k​=λ1​v​k​Av​k+1​=α1(1)​v​1​+⋯+αn(1)​v​n​⋮Av​n​=α1(n−k)​v​1​+⋯+αn(n−k)​v​n​​ A(v‾1v‾2…v‾kv‾k+1…v‾n )∣∣P#=A \underset{\begin{matrix} || \\ P^{\#} \end{matrix}}{\begin{pmatrix} \\ \underline{v}_{1} & \underline{v}_{2} & \dots & \underline{v}_{k} & \underline{v}_{k+1} & \dots & \underline{v}_{n}\\\ \end{pmatrix}}=A∣∣P#​​v​1​ ​v​2​​…​v​k​​v​k+1​​…​v​n​​​​= (v‾1v‾2…v‾kv‾k+1…v‾n)∣∣P#(λ1⋱λ1∗0 ∗)∣∣D#\underset{\begin{matrix} || \\ P^{\#} \end{matrix}}{\begin{pmatrix} \\ \underline{v}_{1} & \underline{v}_{2} & \dots & \underline{v}_{k} & \underline{v}_{k+1} & \dots & \underline{v}_{n}\\ \\ \end{pmatrix}}\underset{\begin{matrix} || \\ D^{\#} \end{matrix}}{\begin{pmatrix} \begin{array}{c|c} \begin{matrix} \lambda_{1} \\ & \ddots \\ & & \lambda_{1} \end{matrix} & \qquad * \qquad \\ \hline \begin{matrix} \\ 0\\\ \end{matrix} & \qquad * \qquad \end{array} \end{pmatrix}}∣∣P#​​v​1​​v​2​​…​v​k​​v​k+1​​…​v​n​​​​∣∣D#​​λ1​​⋱​λ1​​0 ​​∗∗​​​​​ (Av‾1…Av‾k∣Av‾k+1…Av‾n)=(λv‾1…λ1v‾n∣ℵk+1…ℵn)\begin{pmatrix} A\underline{v}_{1}\dots A\underline{v}_{k} \vert A\underline{v}_{k+1}\dots A\underline{v}_{n} \end{pmatrix}=(\lambda \underline{v}_{1}\dots\lambda_{1}\underline{v}_{n}\vert \aleph_{k+1}\dots \aleph_{n})(Av​1​…Av​k​∣Av​k+1​…Av​n​​)=(λv​1​…λ1​v​n​∣ℵk+1​…ℵn​) AP#=P#D#AP^{\#}=P^{\#}D^\#AP#=P#D# A=P#D#P#−1A=P^\#D^\#{P^\#}^{-1}A=P#D#P#−1 ∣tI−A∣=∣tI−P#D#P#−1∣|tI-A|=|tI-P^\#D^\#{P^\#}^{-1}|∣tI−A∣=∣tI−P#D#P#−1∣ ∣P#(tI−D#)P#−1∣=∣P#∣∣tI−D#∣∣P#−1∣\left|P^\#(tI-D^\#){P^\#}^{-1}\right|=\left| P^\# \right|\left| tI-D^\# \right|\left| {P^\#}^{-1} \right|​P#(tI−D#)P#−1​=​P#​​tI−D#​​P#−1​ =∣P#∣∣tI−D#∣∣P#−1∣=∣tI−D#∣=\left| P^\# \right|\left| tI-D^\# \right|\left| {P^\#}^{-1} \right|=\left| tI-D^\# \right|=​P#​​tI−D#​​P#−1​=​tI−D#​ A(tI−B)A−1=(AtI−AB)A−1=AtIA−1−ABA−1=tI−ABA−1A(tI-B)A^{-1}=(AtI-AB)A^{-1}=AtIA^{-1}-ABA^{-1}=tI-ABA^{-1}A(tI−B)A−1=(AtI−AB)A−1=AtIA−1−ABA−1=tI−ABA−1
משפט (תוצאת ביניים)

אם A∼BA \sim BA∼B אזי יש להן אותו פ"א
(ולכן יש להן אותם ע"ע עם אותו ר"א)

ז.א. קיבלנו כי

P(t)=∣tI−A∣=∣tI−D#∣=∣t−λ1⋱t−λ1∗0 ∗∣=(t−λ1)k(∗)P(t)=\left| tI-A \right|=\left| tI-D^\# \right|=\begin{vmatrix} \begin{array}{c|c} \begin{matrix} t-\lambda_{1} \\ & \ddots \\ & & t-\lambda_{1} \end{matrix} & \qquad * \qquad \\ \hline \begin{matrix} \\ 0 \\\ \end{matrix} & * \end{array} \end{vmatrix}=(t-\lambda_{1})^k(*)P(t)=∣tI−A∣=​tI−D#​=​t−λ1​​⋱​t−λ1​​0 ​​∗∗​​​​=(t−λ1​)k(∗)

ז.א. הר"א של λ\lambdaλ הוא לפחות kkk ולכן ר"א ≤\leq≤ ר"ג.
∎

טענה (2)

יהיו λ1,…,λk\lambda_{1},\dots,\lambda_{k}λ1​,…,λk​ ע"ע של מטריצה AAA אזי Vλ1⊕Vλ2⊕⋯⊕VλkV_{\lambda_{1}}\oplus V_{\lambda_{2}}\oplus\dots \oplus V_{\lambda_{k}}Vλ1​​⊕Vλ2​​⊕⋯⊕Vλk​​ הוא סכום ישר.

למה

יהיו v‾1,v‾2,…,v‾k\underline{v}_{1},\underline{v}_{2},\dots,\underline{v}_{k}v​1​,v​2​,…,v​k​ של ע"ע שונים אזי v‾1,…,v‾k\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{k}v​1​,…,v​k​ בת"ל.

הוכחה: באינדוקציה על מספר הוקטורים.
בסיס: אם יש רק וקטור אחד, אזי הוא שונה מאפס(ו"ע) וברור שהוא בת"ל.

αv‾=0  ⟹  α=0\alpha \underline{v}=0 \implies \alpha=0αv​=0⟹α=0

צעד: נניח כי זה מתקיים עבור v‾1,…,v‾k\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{k}v​1​,…,v​k​ ונוכיח כי זה מתקיים עבור v‾1,…,v‾k,v‾k+1\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{k},\underline{v}_{k+1}v​1​,…,v​k​,v​k+1​.

(∗)  α1v‾1+⋯+αkv‾k+1=0‾(*)\; \alpha_{1}\underline{v}_{1}+\dots+\alpha_{k}\underline{v}_{k+1}=\underline{0}(∗)α1​v​1​+⋯+αk​v​k+1​=0​ α1Av‾1+α2Av‾2+⋯+αk+1Av‾k+1=0‾\alpha_{1}A\underline{v}_{1}+\alpha_{2}A\underline{v}_{2}+\dots+\alpha_{k+1}A\underline{v}_{k+1}=\underline{0}α1​Av​1​+α2​Av​2​+⋯+αk+1​Av​k+1​=0​ (1)  α1λ1v‾1+α2λ2v‾2+⋯+αk+1λk+1v‾k+1=0‾(1)\; \alpha_{1}\lambda_{1}\underline{v}_{1}+\alpha_{2}\lambda_{2}\underline{v}_{2}+\dots+\alpha_{k+1}\lambda_{k+1}\underline{v}_{k+1}=\underline{0}(1)α1​λ1​v​1​+α2​λ2​v​2​+⋯+αk+1​λk+1​v​k+1​=0​

מאידרך, אם נכפול את (∗)(*)(∗) ב-λ1\lambda_{1}λ1​ נקבל כי:

α1λ1v‾1+α2λ1v‾2+⋯+αk+1λ1v‾k+1=0‾\alpha_{1}\lambda_{1}\underline{v}_{1}+\alpha_{2}\lambda_{1}\underline{v}_{2}+\dots+\alpha_{k+1}\lambda_{1}\underline{v}_{k+1}=\underline{0}α1​λ1​v​1​+α2​λ1​v​2​+⋯+αk+1​λ1​v​k+1​=0​

נחסיר מ-(1)(1)(1) את המשוואה הנ"ל ונקבל:

α2(λ2−λ1)v‾2+α3(λ3−λ1)v‾3+⋯+αk+1(λk+1−λ1)v‾k+1=0‾\alpha_{2}(\lambda_{2}-\lambda_{1})\underline{v}_{2}+\alpha_{3}(\lambda_{3}-\lambda_{1})\underline{v}_{3}+\dots+\alpha_{k+1}(\lambda_{k+1}-\lambda_{1})\underline{v}_{k+1}=\underline{0}α2​(λ2​−λ1​)v​2​+α3​(λ3​−λ1​)v​3​+⋯+αk+1​(λk+1​−λ1​)v​k+1​=0​

כעת, בצירוף הליניארי הזה יש kkk איברים ולכן הם בת"ל מהנחת האינדוקציה ונקבל כי

α2(λ2−λ1)=0α3(λ3−λ1)=0⋮αk+1(λk+1−λ1)=0  ⟹  α2=α3=⋯=αk+1=0  ⟹  α1=0\begin{matrix} \alpha_{2}(\lambda_{2}-\lambda_{1})=0 \\ \alpha_{3}(\lambda_{3}-\lambda_{1})=0 \\ \vdots \\ \alpha_{k+1}(\lambda_{k+1}-\lambda_{1})=0 \end{matrix}\implies \alpha_{2}=\alpha_{3}=\dots=\alpha_{k+1}=0 \implies \alpha_{1}=0α2​(λ2​−λ1​)=0α3​(λ3​−λ1​)=0⋮αk+1​(λk+1​−λ1​)=0​⟹α2​=α3​=⋯=αk+1​=0⟹α1​=0

∎

הוכחה של הטענה:
נניח כי

v‾∈Vλi∩Vλ1+Vλ2+⋯+V^λi+⋯+Vλk\underline{v}\in V_{\lambda_{i}} \cap V_{\lambda_{1}}+V_{\lambda_{2}}+\dots+\hat{V}_{\lambda_{i}}+\dots+V_{\lambda_{k}}v​∈Vλi​​∩Vλ1​​+Vλ2​​+⋯+V^λi​​+⋯+Vλk​​

אזי:

v‾i=v‾=v‾1+v‾2+⋯+v‾i−1+v‾i+1+⋯+v‾k\underline{v}_{i}=\underline{v}=\underline{v}_{1}+\underline{v}_{2}+\dots+\underline{v}_{i-1}+\underline{v}_{i+1}+\dots+\underline{v}_{k}v​i​=v​=v​1​+v​2​+⋯+v​i−1​+v​i+1​+⋯+v​k​   ⟹  v‾1+v‾2+⋯−v‾i+⋯+v‾k=0‾\implies \underline{v}_{1}+\underline{v}_{2}+\dots-\underline{v}_{i}+\dots+\underline{v}_{k}=\underline{0}⟹v​1​+v​2​+⋯−v​i​+⋯+v​k​=0​   ⟹  v‾1=v‾2=⋯=v‾i=⋯=v‾k=0‾\implies \underline{v}_{1}=\underline{v}_{2}=\dots=\underline{v}_{i}=\dots=\underline{v}_{k}=\underline{0}⟹v​1​=v​2​=⋯=v​i​=⋯=v​k​=0​

וקטורים עצמיים של ע"ע שונים הם בת"ל.
∎

משפט

איחוד הבסיסים של מ"ע שונים הוא בת"ל.

הוכחה:
נניח כי:

v‾1,…,,v‾m1∈Vλ1v‾m1+1,…,v‾m1+m2∈Vλ2⋮v‾mk−1+1,…,v‾mk−1+mk∈Vλk\begin{matrix} \underline{v}_{1},\dots,,\underline{v}_{m_{1}}\in V_{\lambda_{1}} \\ \underline{v}_{m_{1}+1},\dots,\underline{v}_{m_{1}+m_{2}}\in V_{\lambda_{2}} \\ \vdots \\ \underline{v}_{m_{k-1}+1},\dots,\underline{v}_{m_{k-1}+m_{k}}\in V_{\lambda_{k}} \end{matrix}v​1​,…,,v​m1​​∈Vλ1​​v​m1​+1​,…,v​m1​+m2​​∈Vλ2​​⋮v​mk−1​+1​,…,v​mk−1​+mk​​∈Vλk​​​

בסיסים של המ"ע וכי

λ1v‾1+⋯+λm1v‾m1⏞Vλ1+λm1+1v‾m1+1+⋯+λm1+m2v‾m1+m2⏞Vλ2+…\overbrace{\lambda_{1}\underline{v}_{1}+\dots+\lambda_{m_{1}}\underline{v}_{m_{1}}}^{V_{\lambda_{1}}}+\overbrace{\lambda_{m_{1}+1}\underline{v}_{m_{1}+1}+\dots+\lambda_{m_{1}+m_{2}}\underline{v}_{m_{1}+m_{2}}}^{V_{\lambda_{2}}}+\dotsλ1​v​1​+⋯+λm1​​v​m1​​​Vλ1​​​+λm1​+1​v​m1​+1​+⋯+λm1​+m2​​v​m1​+m2​​​Vλ2​​​+… +λmk−1+1v‾mk−1+1+⋯+λmk−1+mkv‾mk−1+mk⏞Vλk=0‾+\overbrace{\lambda_{m_{k-1}+1}\underline{v}_{m_{k-1}+1}+\dots+\lambda_{m_{k-1}+m_{k}}\underline{v}_{m_{k-1}+m_{k}}}^{V_{\lambda_{k}}}=\underline{0}+λmk−1​+1​v​mk−1​+1​+⋯+λmk−1​+mk​​v​mk−1​+mk​​​Vλk​​​=0​

כיוון שזה סכום ישר,

λ1v‾1+⋯+λm1v‾m1=0‾  ⟹  λ1=⋯=λm1=0λm1+1v‾m1+1+⋯+λm1+m2v‾m1+m2=0‾  ⟹  λm1+1=⋯=λm1+m2=0⋮λmk−1+1v‾mk−1+1+⋯+λmk−1+mkv‾mk−1+mk=0‾  ⟹  λmk−1+1=⋯=λmk−1+mk=0\begin{matrix} \lambda_{1}\underline{v}_{1}+\dots+\lambda_{m_{1}}\underline{v}_{m_{1}}=\underline{0} \implies \lambda_{1}=\dots=\lambda_{m_{1}}=0 \\ \lambda_{m_{1}+1}\underline{v}_{m_{1}+1}+\dots+\lambda_{m_{1}+m_{2}}\underline{v}_{m_{1}+m_{2}}=\underline{0}\implies \lambda_{m_{1}+1}=\dots=\lambda_{m_{1}+m_{2}}=0 \\ \vdots \\ \lambda_{m_{k-1}+1}\underline{v}_{m_{k-1}+1}+\dots+\lambda_{m_{k-1}+m_{k}}\underline{v}_{m_{k-1}+m_{k}}=\underline{0}\implies \lambda_{m_{k-1}+1}=\dots=\lambda_{m_{k-1}+m_{k}}=0 \end{matrix}λ1​v​1​+⋯+λm1​​v​m1​​=0​⟹λ1​=⋯=λm1​​=0λm1​+1​v​m1​+1​+⋯+λm1​+m2​​v​m1​+m2​​=0​⟹λm1​+1​=⋯=λm1​+m2​​=0⋮λmk−1​+1​v​mk−1​+1​+⋯+λmk−1​+mk​​v​mk−1​+mk​​=0​⟹λmk−1​+1​=⋯=λmk−1​+mk​​=0​

∎

הוכחת המשפט המהולל:
⇐: אם המטריצה לכסינה אזי יש לה nnn ו"ע בת"ל ו-nnn ע"ע ב-F\mathbb{F}F. משמע, הפ"א מתפרק לגורמים ליניארים מעל F\mathbb{F}F. ולכל אחד מהע"ע: ר"א ≤\leq≤ ר"ג וסכום הר"ג הוא nnn. משמע, בהרכח ר"א=ר"ג לכל אחד מהע"ע. (שהרי אם עבור אחד מהע"ע ר"א>ר"ג עבור ע"ע אחר נקבל שר"ג>ר"א)
⇒: אם לכל אחד מהע"ע הפ"א מתפרק לגורמים ליניארים והר"ג=ר"א\R{\text{ר"ג}}=\R{\text{ר"א}}ר"ג=ר"א נקבל כי איחוד הבסיסים של המ"ע הוא בת"ל מגודל nnn ולכן בסיס.
∎

תרגיל

תהא A=(1002−a2aa−aa)A=\begin{pmatrix}1&0&0\\2&-a&2a\\a&-a&a\end{pmatrix}A=​12a​0−a−a​02aa​​. מצאו את כל הערכים של aaa שעבורם:
א. AAA לכסינה מעל R\mathbb{R}R.
ב. AAA איננה לכסינה מעל C\mathbb{C}C.

פתרון א':

P(t)=∣tI−A∣=∣t−100−2t+a−2a−aat−a∣=(t−1)((t+a)(t−a)+2a2)=(t−1)(t2+a2)P(t)=|tI-A|=\begin{vmatrix} t-1 & 0 & 0 \\ -2 & t+a & -2a \\ -a & a & t-a \end{vmatrix}=(t-1)((t+a)(t-a)+2a^2)=(t-1)(t^2+a^2)P(t)=∣tI−A∣=​t−1−2−a​0t+aa​0−2at−a​​=(t−1)((t+a)(t−a)+2a2)=(t−1)(t2+a2)

ראשית, הפ"א P(t)P(t)P(t) מתפרק מעל R\mathbb{R}R לגורמים ליניארים a=0  ⟺  a=0\iffa=0⟺.
עבור a=0a=0a=0 נקבל λ1=1\lambda_{1}=1λ1​=1 ע"ע מר"א 1 ⇐ ר"א=ר"ג=111. ובנוסף, λ2=0\lambda_{2}=0λ2​=0 ע"ע מר"א 2.

הערה

אם למטריצה AAA יש nnn ע"ע שונים ⇐ AAA לכסינה.

dim⁡Vλ2=0=3−r(−A)=3−r(A)=3−1=2\dim V_{\lambda_{2}=0}=3-r(-A)=3-r(A)=3-1=2dimVλ2​=0​=3−r(−A)=3−r(A)=3−1=2

ולכן, ר"א=ר"ג=222.

פתרון ב':
כזכור קיבלנו את הפולינום:

P(t)=(t−1)(t−ai)(t+ai)P(t)=(t-1)(t-ai)(t+ai)P(t)=(t−1)(t−ai)(t+ai)

נחלק למקרים:
א. −ai=ai-ai=ai−ai=ai נקבל a=0a=0a=0 וזה המקרה הקודם שראינו שהמטריצה לכסינה מעל R\mathbb{R}R ולכן מעל C\mathbb{C}C.
ב. ai=−1ai=-1ai=−1 נקבל a=ia=ia=i ולכן נקבל: P(t)=(t−1)(t+1)(t−1)P(t)=(t-1)(t+1)(t-1)P(t)=(t−1)(t+1)(t−1) ואז יש לנו ע"ע λ1=−1\lambda_{1}=-1λ1​=−1 עם ר"א=ר"ג=111 וע"ע λ2=1\lambda_{2}=1λ2​=1.

dim⁡Vλ2=3−r(1⋅I−A)=3−r(I−A)=3−r((100010001)−(1002−i2ii−ii))\dim V_{\lambda_{2}}=3-r(1\cdot I-A)=3-r(I-A)=3-r\left(\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 2 & -i & 2i \\ i & -i & i \end{pmatrix}\right)dimVλ2​​=3−r(1⋅I−A)=3−r(I−A)=3−r​​100​010​001​​−​12i​0−i−i​02ii​​​ =3−r(000−21+i−2i−ii1+i)=3−2=1=3-r\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ -2 & 1+i & -2i \\ -i & i & 1+i \end{pmatrix}=3-2=1=3−r​0−2−i​01+ii​0−2i1+i​​=3−2=1

ולכן המטריצה אינה לכסינה.
ג. ai=1ai=1ai=1 ואז a=−ia=-ia=−i וכמו מקודם המטריצה לא לכסינה.
ד. a≠0,i,−ia\neq0,i,-ia=0,i,−i במקרה זה יש 333 ע"ע שונים ולכן המטריצה לכסינה.

מסקנה

AAA לא לכסינה מעל C\mathbb{C}C   ⟺  \iff⟺ a=i∨a=−ia=i \lor a=-ia=i∨a=−i.

לכסון של טרנספורמציות

הגדרה 4 (ערך עצמי ווקטור עצמי של טרנספורמציה)

תהא T:V→VT:V\to VT:V→V ט"ל. וקטור 0‾≠v‾∈V\underline{0}\neq \underline{v}\in V0​=v​∈V המקיים T(v‾)=λv‾T(\underline{v})=\lambda \underline{v}T(v​)=λv​ נקרא ו"ע של TTT.
λ\lambdaλ נקרא הע"ע המתאים לו"ע v‾\underline{v}v​.

מציאת ע"ע וו"ע

T(v‾)=λv‾T(\underline{v})=\lambda \underline{v}T(v​)=λv​ ⇕\Updownarrow⇕ [T(v‾)]B=[λv‾]B[T(\underline{v})]_{B}=[\lambda \underline{v}]_{B}[T(v​)]B​=[λv​]B​ ⇓\Downarrow⇓ [T]B[v‾]B=λ[v‾]B[T]_{B}[\underline{v}]_{B}=\lambda[\underline{v}]_{B}[T]B​[v​]B​=λ[v​]B​
מסקנה

  • λ\lambdaλ ע"ע של TTT   ⟺  \iff⟺ λ\lambdaλ ע"ע של [T]B[T]_{B}[T]B​.
  • v‾\underline{v}v​ ו"ע של TTT   ⟺  \iff⟺ [ v‾ ]B[\ \underline{v}\ ]_{B}[ v​ ]B​ ו"ע של [T]B[T]_{B}[T]B​.
דוגמה

T(ax2+bx+c)=(a−b)x2+(b−c)xT(ax^2+bx+c)=(a-b)x^2+(b-c)xT(ax2+bx+c)=(a−b)x2+(b−c)x

נמצא את ע"ע וו"ע של TTT.
נקח E=(x2,x,1)E=(x^2,x,1)E=(x2,x,1) ונמצא מטרצה מייצגת של TTT לפי הבסיס EEE:

T(x2)=x2=1⋅x2+0⋅x+0⋅1T(x)=−x2+x=−1⋅x2+1⋅x+0⋅1T(1)=−x=0⋅x2+(−1)x+0⋅1\begin{matrix} T(x^2)=x^2=1\cdot x^2+0\cdot x+0\cdot1 \\ T(x)=-x^2+x=-1\cdot x^2+1\cdot x+0\cdot1 \\ T(1)=-x=0\cdot x^2+(-1)x+0\cdot1 \end{matrix}T(x2)=x2=1⋅x2+0⋅x+0⋅1T(x)=−x2+x=−1⋅x2+1⋅x+0⋅1T(1)=−x=0⋅x2+(−1)x+0⋅1​ [T]E=(1−1001−1000)[T]_{E}=\begin{pmatrix} 1 & -1 & 0\\ 0 & 1 & -1\\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}[T]E​=​100​−110​0−10​​ ∣tI−[T]E∣=(t−1)2t={011|tI-[T]_{E}|=(t-1)^2t =\begin{cases} 0 \\ 1 \\ 1 \end{cases}∣tI−[T]E​∣=(t−1)2t=⎩⎨⎧​011​

כעת, נמצא ו"ע עבור ע"ע λ1=0\lambda_{1}=0λ1​=0 ונקבל כי:

(0⋅I−A)v‾=0‾(0\cdot I-A)\underline{v}=\underline{0}(0⋅I−A)v​=0​ (−1100−11000)→(1−1001−1000)\begin{pmatrix} -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}​−100​1−10​010​​→​100​−110​0−10​​

כל פעם שיש ע"ע 0 המטריצה לא הפיכה.

[Vλ1]E=sp{(111)}  ⟹  Vλ1=sp{x2+x+1}[V_{\lambda_{1}}]_{E}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 1\\1\\1 \end{pmatrix} \right\}\implies V_{\lambda_{1}}=sp\left\{ x^2+x+1 \right\}[Vλ1​​]E​=sp⎩⎨⎧​​111​​⎭⎬⎫​⟹Vλ1​​=sp{x2+x+1}

נמצא כעת מ"ע עבור ע"ע λ2=1\lambda_{2}=1λ2​=1 ונקבל כי:

(1⋅I−[T]E)v‾=0(1\cdot I-[T]_{E})\underline{v}=0(1⋅I−[T]E​)v​=0 (010001001)→(010001000)\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}​000​100​011​​→​000​100​010​​ x2=x3=0x_{2}=x_{3}=0x2​=x3​=0 x1=tx_{1}=tx1​=t

ואז מקבלים:

Vλ2={(t00)}=sp{(100)}  ⟹  Vλ2=sp{x2}V_{\lambda_{2}}=\left\{ \begin{pmatrix} t\\0\\0 \end{pmatrix} \right\}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 1\\0\\0 \end{pmatrix} \right\} \implies V_{\lambda_{2}}=sp\left\{ x^2 \right\}Vλ2​​=⎩⎨⎧​​t00​​⎭⎬⎫​=sp⎩⎨⎧​​100​​⎭⎬⎫​⟹Vλ2​​=sp{x2}
הגדרה 5 (ט"ל לכסינה)

תהא T:V→VT:V\to VT:V→V ט"ל.
TTT לכסינה אם קיים בסיס BBB של VVV כך ש-[T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית.

משפט

[T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית   ⟺  \iff⟺ קיים בסיס של VVV וסקלרים λ1,…,λn\lambda_{1},\dots,\lambda_{n}λ1​,…,λn​ כך ש-

[T]B=(λ10λ2⋱0λn)[T]_{B}=\begin{pmatrix} \lambda_{1} & & & 0\\ & \lambda_{2} \\ & & \ddots \\ 0& & & \lambda_{n} \end{pmatrix}[T]B​=​λ1​0​λ2​​⋱​0λn​​​
משפט

[T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית   ⟺  \iff⟺ קיים בסיס B=(v‾1,…,v‾n)B=(\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n})B=(v​1​,…,v​n​) וסקלרים λ1,…,λn∈F\lambda_{1},\dots,\lambda_{n} \in \mathbb{F}λ1​,…,λn​∈F כך ש-

[T(v‾1)]B=(λ10⋮0),[T(v‾2)]B=(0λ20⋮0),…,[T(v‾n)]B=(0⋮0λn)[T(\underline{v}_{1})]_{B}=\begin{pmatrix} \lambda_{1}\\0\\ \vdots\\0 \end{pmatrix}, [T(\underline{v}_{2})]_{B}=\begin{pmatrix} 0\\\lambda_{2}\\0\\ \vdots\\0 \end{pmatrix},\dots,[T(\underline{v}_{n})]_{B}=\begin{pmatrix} 0\\ \vdots\\ 0\\ \lambda_{n} \end{pmatrix}[T(v​1​)]B​=​λ1​0⋮0​​,[T(v​2​)]B​=​0λ2​0⋮0​​,…,[T(v​n​)]B​=​0⋮0λn​​​
משפט

[T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית   ⟺  \iff⟺ קיים בסיס B=(v‾1,…,v‾n)B=(\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n})B=(v​1​,…,v​n​) וסקלרים λ1,…,λn∈F\lambda_{1},\dots,\lambda_{n}\in \mathbb{F}λ1​,…,λn​∈F כך ש-

T(v‾1)=λ1v‾1T(v‾2)=λ2v‾2⋮T(v‾n)=λnv‾n\begin{align*} & T(\underline{v}_{1})=\lambda_{1}\underline{v}_{1} \\ & T(\underline{v}_{2})=\lambda_{2}\underline{v}_{2} \\ & \vdots \\ & T(\underline{v}_{n})=\lambda_{n}\underline{v}_{n} \end{align*}​T(v​1​)=λ1​v​1​T(v​2​)=λ2​v​2​⋮T(v​n​)=λn​v​n​​
משפט

[T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית   ⟺  \iff⟺ קיים בסיס BBB של VVV המורכב מו"ע של TTT.

מסקנה

TTT לכסינה   ⟺  \iff⟺ קיים בסיס B=(v‾1,…,v‾n)B=(\underline{v}_{1},\dots,\underline{v}_{n})B=(v​1​,…,v​n​) של VVV המורכב מו"ע של TTT.
מאידך, [T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית   ⟺  \iff⟺ לכל בסיס CCC של VVV מתקיים [T]C[T]_{C}[T]C​ לכסינה.

מסקנה (מהמסקנה)

TTT לכסינה   ⟺  \iff⟺ לכל בסיס CCC של VVV מתקיים [T]C[T]_{C}[T]C​ לכסינה.

תרגיל

תהא T:R2×2→R2×2T:\mathbb{R}^{2\times2}\to \mathbb{R}^{2\times2}T:R2×2→R2×2.

T(A)=AtT(A)=A^tT(A)=At

מצאו בסיס BBB כך ש-[T]B[T]_{B}[T]B​ אלכסונית.

T(1000)=(1000)=1⋅E1+0⋅E2+0⋅E3+0⋅E44T\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}=1\cdot E_{1}+0\cdot E_{2}+0\cdot E_{3}+0\cdot E_{4}4T(10​00​)=(10​00​)=1⋅E1​+0⋅E2​+0⋅E3​+0⋅E4​4 T(0100)=(0010)=0⋅E1+0⋅E2+1⋅E3+0⋅E4T\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}=0\cdot E_{1}+0\cdot E_{2}+1\cdot E_{3}+0\cdot E_{4}T(00​10​)=(01​00​)=0⋅E1​+0⋅E2​+1⋅E3​+0⋅E4​ T(0010)=(0100)=0⋅E1+1⋅E2+0⋅E3+0⋅E4T\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}=0\cdot E_{1}+1\cdot E_{2}+0\cdot E_{3}+0\cdot E_{4}T(01​00​)=(00​10​)=0⋅E1​+1⋅E2​+0⋅E3​+0⋅E4​ T(0001)=(0001)=0⋅E1+0⋅E2+0⋅E3+1⋅E4T\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}=0\cdot E_{1}+0\cdot E_{2}+0\cdot E_{3}+1\cdot E_{4}T(00​01​)=(00​01​)=0⋅E1​+0⋅E2​+0⋅E3​+1⋅E4​ [T]E=(1000001001000001)[T]_{E}=\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}[T]E​=​1000​0010​0100​0001​​ P(t)=∣tI−[T]E∣=∣t−10000t−100−1t0000t−1∣=(t−1)2(t2−1)=(t−1)3(t+1)P(t)=|tI-[T]_{E}|=\begin{vmatrix} t-1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & t & -1 & 0 \\ 0 & -1 & t & 0 \\ 0 & 0 & 0 & t-1 \end{vmatrix}=(t-1)^2(t^2-1)=(t-1)^3(t+1)P(t)=∣tI−[T]E​∣=​t−1000​0t−10​0−1t0​000t−1​​=(t−1)2(t2−1)=(t−1)3(t+1)

קיבלנו λ1=1\lambda_{1}=1λ1​=1 עם ר"א 3 ו-λ2=−1\lambda_{2}=-1λ2​=−1 עם ר"א 111. כעת, נמצא מ"ע עבור λ1=1\lambda_{1}=1λ1​=1:

(1⋅I−[T]E)v‾=0‾(1\cdot I-[T]_{E})\underline{v}=\underline{0}(1⋅I−[T]E​)v​=0​ (000001−100−1100000)→(01−10000000000000)  ⟹  {x2=x3=sx1=rx4=t\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 0 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \implies \begin{cases} x_{2}=x_{3}=s \\ x_{1}=r \\ x_{4}=t \end{cases}​0000​01−10​0−110​0000​​→​0000​1000​−1000​0000​​⟹⎩⎨⎧​x2​=x3​=sx1​=rx4​=t​ [Vλ1]E={(rsst)r,s,t∈R}=sp{(1000),(0110),(0001)}[V_{\lambda_{1}}]_{E}=\left\{ \begin{array}{c|c} \begin{pmatrix} r \\ s \\ s \\ t \end{pmatrix} & r,s,t \in \mathbb{R} \end{array} \right\}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \right\}[Vλ1​​]E​=⎩⎨⎧​​rsst​​​r,s,t∈R​⎭⎬⎫​=sp⎩⎨⎧​​1000​​,​0110​​,​0001​​⎭⎬⎫​

קיבלנו ר"א=ר"ג=3.
נמצא מ"ע עבור λ2=−1\lambda_{2}=-1λ2​=−1:

(−1⋅I−[T]E)v‾=0‾(-1\cdot I-[T]_{E})\underline{v}=\underline{0}(−1⋅I−[T]E​)v​=0​ (−20000−1−100−1−10000−2)→(1000011000010000)  ⟹  {x1=0x4=0x2=−x3=−t  ⟹  x3=t\begin{pmatrix} -2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -2 \end{pmatrix}\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}\implies \begin{cases} x_{1}=0 \\ x_{4}=0 \\ x_{2}=-x_{3}=-t \implies x_{3}=t \end{cases}​−2000​0−1−10​0−1−10​000−2​​→​1000​0100​0100​0010​​⟹⎩⎨⎧​x1​=0x4​=0x2​=−x3​=−t⟹x3​=t​ [Vλ2]E={(0−tt0)t∈R}=sp{(0−110)}[V_{\lambda_{2}}]_{E}=\left\{ \begin{array}{c|c} \begin{pmatrix} 0 \\ -t \\ t \\ 0 \end{pmatrix} & t \in \mathbb{R} \end{array} \right\}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} \right\}[Vλ2​​]E​=⎩⎨⎧​​0−tt0​​​t∈R​⎭⎬⎫​=sp⎩⎨⎧​​0−110​​⎭⎬⎫​ Vλ1=sp{(1000),(0110),(0001)}Vλ2=sp{(0−110)}\boxed{V_{\lambda_{1}}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \right\} \qquad V_{\lambda_{2}}=sp\left\{ \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \right\}}Vλ1​​=sp{(10​00​),(01​10​),(00​01​)}Vλ2​​=sp{(01​−10​)}​

כעת, אנו רוצים למצוא את BBB:

B=((1000)(0110)(0001)(0−110))B=\begin{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} & \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} & \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} & \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \end{pmatrix}B=((10​00​)​(01​10​)​(00​01​)​(01​−10​)​)
משפט

תהיינה A,B∈Fn×nA,B \in \mathbb{F}^{n\times n}A,B∈Fn×n כך ש-A∼BA \sim BA∼B אזי:

r(A)=r(B).1∣A∣=∣B∣.2tr(A)=tr(B).3יש להן אותו הפ"א.4יש להן את אותם ע"ע עם אותו ר"א.5לכל אחד מהע"ע אותו ר"ג.6\begin{align*} r(A)=r(B) & \quad .1 \\ |A|=|B| & \quad .2 \\ tr(A)=tr(B) & \quad .3 \\ \R{\text{יש להן אותו הפ"א}} & \quad .4 \\ \R{\text{יש להן את אותם ע"ע עם אותו ר"א}} & \quad .5 \\ \R{\text{לכל אחד מהע"ע אותו ר"ג}} & \quad .6 \end{align*}r(A)=r(B)∣A∣=∣B∣tr(A)=tr(B)יש להן אותו הפ"איש להן את אותם ע"ע עם אותו ר"אלכל אחד מהע"ע אותו ר"ג​.1.2.3.4.5.6​

הוכחה: (6)
נניח כי A=PBP−1A=PBP^{-1}A=PBP−1 כאשר PPP הפיכה.

dim⁡Vλ1(A)=n−r(λ1I−A)=↓משפטn−r(P−1(λ1I−A)P)=n−r(λ1I−P−1AP)\dim V_{\lambda_{1}(A)}=n-r(\lambda_{1}I-A)\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{משפט}} \end{matrix}}{=}n-r(P^{-1}(\lambda_{1}I-A)P)=n-r(\lambda_{1}I-P^{-1}AP)dimVλ1​(A)​=n−r(λ1​I−A)↓משפט​=​n−r(P−1(λ1​I−A)P)=n−r(λ1​I−P−1AP) =n−r(λ1I−B)=dim⁡Vλ1(B)=n-r(\lambda_{1}I-B)=\dim V_{\lambda_{1}(B)}=n−r(λ1​I−B)=dimVλ1​(B)​

∎

הערה

המשפט הזה הוא רק כיוון אחד ולא תקף לכיוון השני.

משפט

יהיו A,B∈Fn×nA,B \in \mathbb{F}^{n\times n}A,B∈Fn×n. אם ל-A,BA,BA,B אותם ע"ע(כולל ריבוי) והן לכסינות, אזי הן דומות.

משפט

תהא AAA מטריצה מסדר n×nn\times nn×n מעל F\mathbb{F}F אזי:

  1. המקדם החופשי של הפ"א הוא (−1)n∣A∣=∣−A∣(-1)^n|A|=|-A|(−1)n∣A∣=∣−A∣.
  2. המקדם של xnx^nxn בפ"א הוא 1.
  3. המקדם של xn−1x^{n-1}xn−1 בפ"א הוא Tr(A)\mathrm{Tr}(A)Tr(A).
  4. אם AAA לכסינה, אזי:
    א. מכפלת הע"ע היא ∣A∣|A|∣A∣.
    ב. סכום הע"ע הוא Tr(A)\mathrm{Tr}(A)Tr(A).

הערה

ניתן להוכיח שסעיף 4 נכון אם הפ"א מתפרק לגורמים ליניאריים.

הוכחה: (1)

רורברורברורב p(t)=∣tI−A∣p(t)=|tI-A|p(t)=∣tI−A∣ p(0)=∣0⋅I−A∣=∣−A∣=(−1)n∣A∣p(0)=|0\cdot I-A|=|-A|=(-1)^n|A|p(0)=∣0⋅I−A∣=∣−A∣=(−1)n∣A∣

∎

הוכחה: (2)

רורברורברורב

∎

תרגיל

הוכיחו את (3).

הוכחה: (4)
המטריצה AAA דומה ל-D=(λ10⋱0λn)D=\begin{pmatrix}\lambda_{1}&&0\\& \ddots\\0&&\lambda_{n}\end{pmatrix}D=​λ1​0​⋱​0λn​​​.

∣A∣=∣D∣=λ1…λn|A|=|D|=\lambda_{1}\dots\lambda_{n}∣A∣=∣D∣=λ1​…λn​ Tr(A)=Tr(D)=λ1+⋯+λn\mathrm{Tr}(A)=\mathrm{Tr}(D)=\lambda_{1}+\dots+\lambda_{n}Tr(A)=Tr(D)=λ1​+⋯+λn​

∎

משפט

אם λ\lambdaλ ע"ע של מטריצה הפיכה AAA אזי λ−1\lambda^{-1}λ−1 ע"ע של A−1A^{-1}A−1.

** הוכחה:**

Av‾=λv‾A\underline{v}=\lambda \underline{v}Av​=λv​ v‾=λA−1v‾\underline{v}=\lambda A^{-1}\underline{v}v​=λA−1v​ A−1v‾=1λv‾A^{-1}\underline{v}= \frac{1}{\lambda}\underline{v}A−1v​=λ1​v​

∎

משפט

אם λ\lambdaλ ע"ע של AAA אזי λk\lambda^kλk ע"ע של AkA^kAk.
באופן כללי, אם p(x)p(x)p(x) פולינום ו-λ\lambdaλ ע"ע של AAA אזי p(λ)p(\lambda)p(λ) ע"ע של p(A)p(A)p(A).

הוכחה:

Av‾=λv‾A\underline{v}=\lambda \underline{v}Av​=λv​ A2v‾=λAv‾=λ(λv‾)=λ2v‾A^2\underline{v}=\lambda A\underline{v}=\lambda(\lambda \underline{v})=\lambda^2\underline{v}A2v​=λAv​=λ(λv​)=λ2v​ ⋮\vdots⋮

באופן כללי - ברור, עבור פולינום.
∎

כמה הגדרות לסיכום

הגדרה 6

  1. מתקיים ∣T∣=∣[T]B∣|T|=|[T]_{B}|∣T∣=∣[T]B​∣.
  2. הפ"א של TTT הוא ∣λI−T∣|\lambda I-T|∣λI−T∣.
∣λI−T∣=∣[λI−T]B∣=∣[λI]B−[T]B∣=∣λI−[T]B∣ |\lambda I-T|=|[\lambda I-T]_{B}|=|[\lambda I]_{B}-[T]_{B}|=|\lambda I-[T]_{B}|∣λI−T∣=∣[λI−T]B​∣=∣[λI]B​−[T]B​∣=∣λI−[T]B​∣
משפט

  1. הע"ע של TTT הם השורשים של הפ"א.
  2. אם α\alphaα ע"ע של TTT אזי v‾\underline{v}v​ ו"ע שמתאים לע"ע α\alphaα   ⟺  \iff⟺ v‾∈ker⁡(αI−T)\underline{v} \in \ker(\alpha I-T)v​∈ker(αI−T) וגם v‾≠0‾\underline{v}\neq \underline{0}v​=0​.
  3. Vα=ker⁡(αI−T)V_{\alpha}=\ker(\alpha I-T)Vα​=ker(αI−T) הוא ת"מ של VVV.
    VαV_{\alpha}Vα​ נקרא המ"ע של α\alphaα.
משפט

  1. λ\lambdaλ ע"ע של AAA   ⟺  \iff⟺ λ\lambdaλ ע"ע של AtA^tAt.
  2. ל-ABABAB ו-BABABA אותם ע"ע.
תרגיל

הוכיחו את 2.

הוכחה: (2)

∣tI−A∣=∣(tI−A)t∣=∣(tI)t−At∣=∣tI−At∣|tI-A|=|(tI-A)^t|=|(tI)^t-A^t|=|tI-A^t|∣tI−A∣=∣(tI−A)t∣=∣(tI)t−At∣=∣tI−At∣

∎

טענה

אם סכום השורות(או העמודות) במטריצה ריבועית AAA קבוע ccc אזי, ccc ע"ע של AAA עם ו"ע (1111)\begin{pmatrix}1\\1\\1\\1\end{pmatrix}​1111​​.

הוכחה:

רורברורברורב

∎

תרגיל

האם המטריצה (1234512345123451234512345)\begin{pmatrix}1&2&3&4&5\\1&2&3&4&5\\1&2&3&4&5\\1&2&3&4&5\\1&2&3&4&5\end{pmatrix}​11111​22222​33333​44444​55555​​ לכסינה? אם כן, מצאו PPP ו-DDD כך ש-A=PDP−1A=PDP^{-1}A=PDP−1.

15 ע"ע עם ר"א לפחות 1.
0 ע"ע עם ר"ג

dim⁡Vλ=0=5−r(0⋅I−A)=5−1=4\dim V_{\lambda=0}=5-r(0\cdot I-A)=5-1=4dimVλ=0​=5−r(0⋅I−A)=5−1=4

ולכן, עם ר"א לפחות 4.
סכום הר"א לכל היותר 5!

מסקנה

15 ע"ע עם ר"א=ר"ג=1
0 ע"ע עם ר"א=ר"ג=4
ולכן, המטריצה לכסינה!

D=(15000)D=\begin{pmatrix} 15 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}D=(150​00​)

את PPP תעשו לבד. (ליוסי אין כח)

תרגיל (לבית)

תהא A∈R4×4A \in \mathbb{R}^{4\times4}A∈R4×4 מטריצה שאיננה הפיכה המקיימת:

∣A−2I∣=0∧r(3I−A)=2|A-2I|=0 \land r(3I-A)=2∣A−2I∣=0∧r(3I−A)=2

א. מצאו את הפ"א של AAA.
ב. האם I−A2I-A^2I−A2 הפיכה, לכסינה?
ג. חשבו דטרמיננט ועקבה של I−A2I-A^2I−A2.