Mathematics · Libro 4 · Bachelor Year 2

Matemáticas universitarias — Grado 2

Matemáticas universitarias — Grado 2 · Bachelor Year 2

3Reducción de endomorfismos

Para entender un endomorfismo hay que hallar las direcciones que se limita a dilatar. Este capítulo construye la maquinaria —valores propios, polinomios característico y mínimo, lema de descomposición en núcleos— y recoge sus frutos: criterios de diagonalización y de trigonalización, Cayley–Hamilton, la descomposición de Dunford y el cálculo de potencias y exponenciales del que se alimentará el Capítulo 16. En todo el capítulo, EE es un KK-espacio vectorial de dimensión finita (K=RK = \R o C\C), uL(E)u \in \mathcal{L}(E) y n=dimEn = \dim E.

3.1 Valores y vectores propios

Definición 3.1

λK\lambda \in K es un valor propio de uu cuando u(x)=λxu(x) = \lambda x para algún x0x \neq 0 (un vector propio); el subespacio propio es Eλ(u)=ker(uλid)E_\lambda(u) = \ker(u - \lambda\,\mathrm{id}). El conjunto de los valores propios es el espectro Sp(u)\operatorname{Sp}(u). Un subespacio FF es estable cuando u(F)Fu(F) \subseteq F; los subespacios propios son estables, y los subespacios estables permiten definir endomorfismos inducidos uFu|_F.

Teorema 3.2 (Independencia de los subespacios propios)

Los vectores propios asociados a valores propios distintos dos a dos forman una familia libre; equivalentemente, la suma de los subespacios propios Eλ1++EλrE_{\lambda_1} + \dots + E_{\lambda_r} (con λi\lambda_i distintos) es directa. En particular, uu tiene a lo sumo nn valores propios.

Demostración. Por inducción sobre rr. Supongamos x1++xr=0x_1 + \dots + x_r = 0 con xiEλix_i \in E_{\lambda_i}, conocido el enunciado para r1r - 1. Apliquemos uu y restemos λr\lambda_r veces la relación:

i=1r1(λiλr)xi=0,\sum_{i=1}^{r-1} (\lambda_i - \lambda_r)\, x_i = 0 ,

así que por inducción cada (λiλr)xi=0(\lambda_i - \lambda_r)x_i = 0, es decir, xi=0x_i = 0 para i<ri < r, y entonces xr=0x_r = 0. Una suma directa de espacios no nulos dentro de un espacio de dimensión nn tiene a lo sumo nn sumandos.

La matriz A = psmallmatrix2 & 1\\ 1 & 2 psmallmatrix actuando sobre el plano: el vector genérico e_1 sale despedido de su recta, pero las direcciones propias v_1 = (1,1) y v_2 = (1,-1) se limitan a dilatarse, por 3 y por 1 (así que Av_2 = v_2: la imagen discontinua coincide con v_2). Diagonalizar es cambiar a la base (v_1, v_2), donde A pasa a ser diag(3, 1).
La matriz A=(2112)A = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 1 & 2\end{smallmatrix}\right) actuando sobre el plano: el vector genérico e1e_1 sale despedido de su recta, pero las direcciones propias v1=(1,1)v_1 = (1,1) y v2=(1,1)v_2 = (1,-1) se limitan a dilatarse, por 33 y por 11 (así que Av2=v2Av_2 = v_2: la imagen discontinua coincide con v2v_2). Diagonalizar es cambiar a la base (v1,v2)(v_1, v_2), donde AA pasa a ser diag(3,1)\operatorname{diag}(3, 1).

Definición 3.3 (Polinomio característico)

χu(X)=det(Xidu)\chi_u(X) = \det(X\,\mathrm{id} - u), calculado en cualquier base como det(XInA)\det(XI_n - A); es un polinomio mónico de grado nn, invariante por semejanza (Teorema 2.17). Sus raíces en KK son exactamente los valores propios (λ\lambda es valor propio     uλid\iff u - \lambda\,\mathrm{id} no es inyectiva     χu(λ)=0\iff \chi_u(\lambda) = 0), y

χu(X)=Xn(tru)Xn1++(1)ndetu.\chi_u(X) = X^n - (\operatorname{tr} u)\, X^{n-1} + \dots + (-1)^n \det u .

La multiplicidad algebraica mλm_\lambda de un valor propio es su multiplicidad como raíz de χu\chi_u; la multiplicidad geométrica es dimEλ\dim E_\lambda, y se cumple 1dimEλmλ1 \leq \dim E_\lambda \leq m_\lambda.

Demostración de los hechos enunciados. Sobre los coeficientes: desarróllese det(XIA)\det(XI - A) por la fórmula de las permutaciones; la permutación identidad aporta i(Xaii)=Xn(aii)Xn1+\prod_i (X - a_{ii}) = X^n - (\sum a_{ii})X^{n-1} + \dots, y cualquier otra permutación deja fijas a lo sumo n2n - 2 posiciones diagonales, con lo que aporta grado n2\leq n - 2: los dos coeficientes superiores son los indicados; y X=0X = 0 da el término constante det(A)=(1)ndetA\det(-A) = (-1)^n\det A.

Geométrica \leq algebraica: sea d=dimEλd = \dim E_\lambda y complétese una base de EλE_\lambda hasta una base de EE; la matriz de uu es triangular superior por bloques con bloque superior izquierdo λId\lambda I_d, luego χu(X)=(Xλ)dχ(bloque inferior)(X)\chi_u(X) = (X - \lambda)^d\, \chi_{\text{(bloque inferior)}}(X): la multiplicidad de λ\lambda es al menos dd.

Ejemplo 3.4 (Mismo χ\chi, geometría distinta)

Las matrices

(2002)y(2102)\begin{pmatrix}2 & 0\\ 0 & 2\end{pmatrix} \qquad\text{y}\qquad \begin{pmatrix}2 & 1\\ 0 & 2\end{pmatrix}

comparten el polinomio característico (X2)2(X - 2)^2, la traza, el determinante y el espectro, y sin embargo no son semejantes: la primera tiene E2E_2 de dimensión 22 (multiplicidad geométrica 22) y la segunda de dimensión 11. El polinomio característico solo ve las multiplicidades algebraicas; las dimensiones de los subespacios propios son el invariante más fino, y el polinomio mínimo es quien arbitra (X2X - 2 frente a (X2)2(X - 2)^2). Moraleja para toda discusión sobre diagonalizabilidad: χ\chi preselecciona a los candidatos, pero quienes votan son los núcleos.

Definición 3.5 (Diagonalizable, trigonalizable)

uu es diagonalizable cuando EE tiene una base de vectores propios (en términos matriciales: semejante a una matriz diagonal); es trigonalizable cuando su matriz en alguna base es triangular superior.

Teorema 3.6 (Criterios de diagonalizabilidad)

Las afirmaciones siguientes son equivalentes:

  1. uu es diagonalizable;
  2. E=λSpuEλE = \bigoplus_{\lambda \in \operatorname{Sp} u} E_\lambda;
  3. χu\chi_u se escinde sobre KK y dimEλ=mλ\dim E_\lambda = m_\lambda para todo valor propio;
  4. (suficiente, no necesaria) χu\chi_u tiene nn raíces distintas en KK.

Demostración. (1     \iff 2): una base de vectores propios se reparte en bases de los EλE_\lambda, y recíprocamente, concatenando bases de los sumandos directos se obtiene una base de EE (el Teorema 3.2 hace la suma directa; la igualdad de dimensiones hace que lo llene todo).

(2     \iff 3): en la base diagonal, χu=(Xλ)dimEλ\chi_u = \prod (X - \lambda)^{\dim E_\lambda} se escinde con multiplicidades que coinciden. Recíprocamente, supongamos que χu\chi_u se escinde con dimEλ=mλ\dim E_\lambda = m_\lambda en todos los casos; entonces la suma directa de los subespacios propios (directa por el Teorema 3.2) tiene dimensión

λdimEλ=λmλ=degχu=n,\sum_{\lambda}\dim E_\lambda = \sum_{\lambda} m_\lambda = \deg\chi_u = n ,

donde la igualdad central se debe a que el grado de un polinomio escindido es la suma de las multiplicidades de sus raíces: la suma es todo EE. Obsérvese dónde ha trabajado cada hipótesis: la escisión ha llenado el grado y la igualdad de multiplicidades ha llenado las dimensiones.

(4 \Rightarrow 1): nn valores propios distintos dan nn vectores propios independientes (Teorema 3.2): una base.

Método 3.7 (Cómo decidir la diagonalizabilidad)

En la práctica conviene comprobar en este orden, pues cada paso puede zanjar el asunto. (1) ¿Se presenta por sí solo un polinomio anulador escindido con raíces simples (u2=idu^2 = \mathrm{id}, u2=uu^2 = u, uk=idu^k = \mathrm{id})? Si es así: diagonalizable, sin ningún cálculo (Corolario 3.17 más abajo). (2) Calcúlese χu\chi_u; si tiene nn raíces distintas en KK: diagonalizable (Teorema 3.6 (4)). (3) En caso contrario, y solo para cada raíz múltiple λ\lambda, compárese dimker(uλid)\dim\ker(u - \lambda\,\mathrm{id}) con la multiplicidad mλm_\lambda: cualquier déficit mata la diagonalizabilidad, y la igualdad en todos los casos la demuestra. Nunca hay que calcular los subespacios propios de las raíces simples (su dimensión está forzada a ser 11), ni trigonalizar solo para decidir.

Ejemplo 3.8 (La diagonalización puesta a trabajar)

A=I+J=(211121112)A = I + J = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 1\\ 1 & 1 & 2\end{smallmatrix}\right), con JJ la matriz de unos: de Sp(J)={3,0}\operatorname{Sp}(J) = \{3, 0\} (Ejemplo 2.19) se sigue Sp(A)={4,1}\operatorname{Sp}(A) = \{4, 1\}, con subespacios propios R(1,1,1)\R(1,1,1) y el plano {x+y+z=0}\{x + y + z = 0\}: dimensiones 1+2=31 + 2 = 3, luego diagonalizable (Teorema 3.6 (2)). Potencias sin ninguna matriz de cambio de base: con Π=J/3\Pi = J/3 el proyector sobre R(1,1,1)\R(1,1,1),

A=4Π+1(IΠ)Ak=4kΠ+(IΠ)=4k13J+I.A = 4\,\Pi + 1\cdot(I - \Pi) \quad\Longrightarrow\quad A^k = 4^k\,\Pi + (I - \Pi) = \frac{4^k - 1}{3}\,J + I .

(Comprobación con k=1k = 1: 413J+I=A\frac{4-1}3 J + I = A.) La moraleja: cuando los subespacios propios son visibles, los proyectores espectrales calculan potencias más deprisa de lo que jamás lo hará PDP1PDP^{-1}, y además la fórmula muestra la dinámica: AkA^k crece como 4k4^k a lo largo de (1,1,1)(1,1,1) y se queda quieto en el plano ortogonal.

Teorema 3.9 (Trigonalización)

uu es trigonalizable sobre KK si y solo si χu\chi_u se escinde sobre KK. En particular, todo endomorfismo de un C\C-espacio vectorial es trigonalizable.

Demostración. (\Rightarrow) El polinomio característico de una matriz triangular es (Xtii)\prod(X - t_{ii}): escindido.

(\Leftarrow) Por inducción sobre nn. Como χu\chi_u se escinde, tiene una raíz λ\lambda: tomemos un vector propio e1e_1. En una base que empiece por e1e_1, la matriz es (λ0B)\begin{pmatrix} \lambda & \ast\\ 0 & B\end{pmatrix}, y χu=(Xλ)χB\chi_u = (X - \lambda)\chi_B, así que χB\chi_B también se escinde. Por la hipótesis de inducción aplicada a la matriz BB de tamaño (n1)×(n1)(n-1) \times (n-1), existe una QQ invertible con Q1BQQ^{-1}BQ triangular superior; conjugar la matriz entera por (100Q)\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & Q\end{pmatrix} la triangulariza.

Ejemplo 3.10 (Trigonalizando a mano)

B=(3111)B = \begin{pmatrix}3 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}: χB=X24X+4=(X2)2\chi_B = X^2 - 4X + 4 = (X - 2)^2, y ker(B2I)=ker(1111)\ker(B - 2I) = \ker\left(\begin{smallmatrix}1 & -1\\ 1 & -1\end{smallmatrix}\right) es la recta generada por e1=(1,1)e_1' = (1, 1): un solo valor propio y un subespacio propio de dimensión uno; no es diagonalizable, pero sí trigonalizable (Teorema 3.9). Completemos la base con e2=(1,0)e_2' = (1, 0) y calculemos:

u(e1)=(2,2)=2e1,u(e2)=(3,1)=1e1+2e2,u(e_1') = (2, 2) = 2e_1', \qquad u(e_2') = (3, 1) = 1\cdot e_1' + 2\, e_2' ,

de modo que en la base (e1,e2)(e_1', e_2') la matriz es T=(2102)T = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 0 & 2\end{smallmatrix}\right). La moraleja: la diagonal de TT estaba forzada (ambas entradas han de ser el valor propio doble 22); solo la entrada de la esquina dependía de la elección de e2e_2', y reescalar e2e_2' permite darle cualquier valor no nulo. Ese “11” que se resiste es la sombra de la parte nilpotente que Dunford aislará.

3.2 Polinomios de un endomorfismo

Definición 3.11

Para P=akXkK[X]P = \sum a_k X^k \in K[X], pongamos P(u)=akukL(E)P(u) = \sum a_k u^k \in \mathcal{L}(E). La aplicación PP(u)P \mapsto P(u) es un morfismo de álgebras K[X]L(E)K[X] \to \mathcal{L}(E) (Definición 1.33); su núcleo {P:P(u)=0}\{P : P(u) = 0\} es un ideal de K[X]K[X], no nulo (la familia (id,u,,un2)(\mathrm{id}, u, \dots, u^{n^2}) está ligada en L(E)\mathcal{L}(E), de dimensión n2n^2), y por tanto está generado por un único polinomio mónico μu\mu_u: el polinomio mínimo (Teorema 1.26).

Proposición 3.12

  1. P(u)=0    μuPP(u) = 0 \iff \mu_u \mid P; los valores propios de uu son raíces de todo polinomio anulador, y las raíces de μu\mu_u son exactamente los valores propios.
  2. Si FF es estable, entonces μuFμu\mu_{u|_F} \mid \mu_u.

Demostración. (1) La divisibilidad es la definición de generador. Si u(x)=λxu(x) = \lambda x con x0x \neq 0, entonces 0=P(u)(x)=P(λ)x0 = P(u)(x) = P(\lambda)x, luego P(λ)=0P(\lambda) = 0: los valores propios son raíces de los anuladores y, en particular, de μu\mu_u. Recíprocamente, si λ\lambda es raíz, μu=(Xλ)Q\mu_u = (X - \lambda)Q con Q(u)0Q(u) \neq 0 (el grado de μu\mu_u es mínimo): tómese yy con Q(u)(y)0Q(u)(y) \neq 0; entonces (uλ)(Q(u)(y))=μu(u)(y)=0(u - \lambda)(Q(u)(y)) = \mu_u(u)(y) = 0 exhibe el vector propio Q(u)(y)Q(u)(y).

(2) μu(uF)=μu(u)F=0\mu_u(u|_F) = \mu_u(u)|_F = 0, y se aplica (1) a uFu|_F.

Ejemplo 3.13 (Polinomios mínimos hallados a mano)

El polinomio mínimo se calcula probando grados sucesivos. Para la matriz de unos JM3(R)J \in \mathcal{M}_3(\R): JλIJ \neq \lambda I (queda descartado el grado 11) y J2=3JJ^2 = 3J, luego

μJ=X23X=X(X3):\mu_J = X^2 - 3X = X(X - 3) :

grado 22, escindido, con raíces simples; JJ es diagonalizable con espectro {0,3}\{0, 3\} (Corolario 3.17 más abajo), lo que confirma el Ejemplo 2.19 sin calcular ni un solo determinante. Para la matriz de intercambio AA del Ejemplo 3.15: de A±IA \neq \pm I y A2=IA^2 = I resulta μA=X21\mu_A = X^2 - 1. En ambos casos el patrón es el mismo: adivínese a partir de la estructura una identidad de grado bajo (el rango uno obliga a J2=(trJ)JJ^2 = (\operatorname{tr}J)\,J; una involución obliga a A2=IA^2 = I) y compruébese después que ningún divisor propio anula. Los polinomios mínimos suelen encontrarse, no calcularse a partir de χ\chi.

Teorema 3.14 (Lema de descomposición en núcleos)

Si P=P1P2PrP = P_1 P_2 \cdots P_r con los PiP_i primos entre sí dos a dos, entonces

kerP(u)=kerP1(u)kerPr(u),\ker P(u) = \ker P_1(u) \oplus \dots \oplus \ker P_r(u),

y las proyecciones sobre los sumandos son polinomios en uu.

Demostración. Basta tratar el caso r=2r = 2 e inducir. Por Bézout en K[X]K[X] (Teorema 1.26), UP1+VP2=1U P_1 + V P_2 = 1, luego para todo xx,

x=U(u)P1(u)(x)=:x2+V(u)P2(u)(x)=:x1.x = \underbrace{U(u)P_1(u)(x)}_{=:\,x_2} + \underbrace{V(u)P_2(u)(x)}_{=:\,x_1}.

Si xkerP(u)x \in \ker P(u), entonces P2(u)(x2)=U(u)P(u)(x)=0P_2(u)(x_2) = U(u)\,P(u)(x) = 0 (los polinomios en uu conmutan), luego x2kerP2(u)x_2 \in \ker P_2(u), y simétricamente x1kerP1(u)x_1 \in \ker P_1(u): la suma llena kerP(u)\ker P(u); y ambos sumandos están dentro de kerP(u)\ker P(u) (pues PiPP_i \mid P). Carácter directo: si xkerP1(u)kerP2(u)x \in \ker P_1(u) \cap \ker P_2(u), entonces x=U(u)P1(u)x+V(u)P2(u)x=0x = U(u)P_1(u)x + V(u)P_2(u)x = 0. Las fórmulas para x1,x2x_1, x_2 exhiben las proyecciones como V(u)P2(u)V(u)P_2(u) y U(u)P1(u)U(u)P_1(u).

Ejemplo 3.15 (El lema de los núcleos con proyectores explícitos)

Sea A=(010100001)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{smallmatrix}\right) (intercambia las dos primeras coordenadas). Entonces A2=IA^2 = I: el polinomio X21=(X1)(X+1)X^2 - 1 = (X - 1)(X + 1) anula AA, sus factores son primos entre sí y Bézout es explícito:

12(X+1)12(X1)=1.\frac{1}{2}(X + 1) - \frac12(X - 1) = 1 .

Siguiendo la demostración del Teorema 3.14, las proyecciones sobre ker(AI)\ker(A - I) y ker(A+I)\ker(A + I) son los polinomios en AA

π+=A+I2=12(110110002),π=IA2=12(110110000).\pi_+ = \frac{A + I}{2} = \frac12\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0\\ 1 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 2\end{pmatrix}, \qquad \pi_- = \frac{I - A}{2} = \frac12\begin{pmatrix} 1 & -1 & 0\\ -1 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0\end{pmatrix}.

Comprobación: π++π=I\pi_+ + \pi_- = I, π+π=0\pi_+\pi_- = 0, π±2=π±\pi_\pm^2 = \pi_\pm, y las imágenes son el plano {x=y}\{x = y\} (vectores simétricos, valor propio 11) y la recta R(1,1,0)\R(1, -1, 0) (antisimétricos, valor propio 1-1). El lema de los núcleos no es un enunciado de existencia: los coeficientes de Bézout son las fórmulas de los proyectores.

Ejemplo 3.16 (Los proyectores calculan también la exponencial)

La misma matriz de intercambio, un dividendo más allá. Como A=π+πA = \pi_+ - \pi_- con proyectores ortogonales en sentido algebraico (π+π=0\pi_+\pi_- = 0), toda potencia cumple Ak=π++(1)kπA^k = \pi_+ + (-1)^k\pi_-, y la serie exponencial se reagrupa por proyectores:

etA=ktkk!(π++(1)kπ)=etπ++etπ=(coshtsinht0sinhtcosht000et).\eu^{tA} = \sum_k \frac{t^k}{k!}\bigl(\pi_+ + (-1)^k\pi_-\bigr) = \eu^{t}\,\pi_+ + \eu^{-t}\,\pi_- = \begin{pmatrix} \cosh t & \sinh t & 0\\ \sinh t & \cosh t & 0\\ 0 & 0 & \eu^{t} \end{pmatrix}.

(Comprobación en t=0t = 0: la identidad; derivada en 00: AA.) La descomposición espectral convierte una serie de matrices en dos series escalares, que es exactamente el mecanismo que el Capítulo 16 aplicará a todo sistema diagonalizable, y la razón de que las funciones hiperbólicas gobiernen los acoplamientos simétricos.

Corolario 3.17 (Diagonalizabilidad mediante el polinomio mínimo)

uu es diagonalizable     \iff μu\mu_u se escinde sobre KK con raíces simples     \iff algún polinomio anulador de uu se escinde con raíces simples.

Demostración. Si P(u)=0P(u) = 0 con P=i(Xλi)P = \prod_{i}(X - \lambda_i) (los λi\lambda_i distintos), el lema da E=kerP(u)=iker(uλi)E = \ker P(u) = \bigoplus_i \ker(u - \lambda_i): una suma directa de subespacios propios, luego uu es diagonalizable (Teorema 3.6). Recíprocamente, un uu diagonalizable es anulado por λSpu(Xλ)\prod_{\lambda \in \operatorname{Sp}u}(X - \lambda) (que anula cada subespacio propio), polinomio escindido con raíces simples; y μu\mu_u lo divide teniendo las mismas raíces (Proposición 3.12): μu\mu_u es exactamente ese producto.

Ejemplo 3.18

Las proyecciones cumplen p2=pp^2 = p: las anula X(X1)X(X-1), escindido con raíces simples, luego son diagonalizables con espectro {0,1}\subseteq \{0, 1\}, y E=kerpker(pid)E = \ker p \oplus \ker(p - \mathrm{id}): el análisis geométrico del primer año, vuelto a demostrar en una línea. Las simetrías (s2=ids^2 = \mathrm{id}, anulador X21X^2 - 1) son diagonalizables cuando charK2\operatorname{char} K \neq 2, con espectro {±1}\subseteq \{\pm 1\}. Un endomorfismo con u3=u2u^3 = u^2 y u2uu^2 \neq u está anulado por X2(X1)X^2(X - 1) y no es necesariamente diagonalizable: el criterio lo detecta (hay que examinar la raíz doble 00; es diagonalizable si y solo si además keru2=keru\ker u^2 = \ker u).

Ejemplo 3.19 (El cuerpo decide: una rotación en R3\R^3)

Sea RR el cuarto de vuelta alrededor del eje zz:

R=(010100001),χR=(X1)(X2+1).R = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}, \qquad \chi_R = (X - 1)(X^2 + 1).

Sobre R\R: el único valor propio es 11, con subespacio propio el eje Re3\R e_3 —una sola recta de vectores fijos y ninguna reducción más—: RR no es diagonalizable ni trigonalizable en M3(R)\mathcal{M}_3(\R) (pues χR\chi_R no se escinde). Sobre C\C: tres valores propios distintos 1,i,i1, \iu, -\iu, luego RR es diagonalizable, con vectores propios e3e_3 y e1ie2e_1 \mp \iu e_2. La geometría se oía ya en el álgebra: las rotaciones del plano no tienen direcciones invariantes reales, y los valores propios complejos ±i\pm\iu, de módulo 11, guardan el ángulo (±π2\pm\frac\pi2) que la matriz real solo puede expresar mezclando coordenadas.

Ejemplo 3.20 (Mínimo frente a característico)

Para D=diag(2,2,3)D = \operatorname{diag}(2, 2, 3): χD=(X2)2(X3)\chi_D = (X - 2)^2(X - 3), pero μD=(X2)(X3)\mu_D = (X - 2)(X - 3), ya que (D2I)(D3I)=0(D - 2I)(D - 3I) = 0 (compruébese sobre la base canónica) mientras que ninguno de los dos factores anula DD por separado. Para el bloque de desplazamiento N=(0100)(3)N = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right) \oplus (3), es decir, N=(010000003)N' = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 3\end{smallmatrix}\right): se tiene χN=X2(X3)\chi_{N'} = X^2(X - 3) y μN=X2(X3)\mu_{N'} = X^2(X - 3); la raíz doble hace verdadera falta porque NN' no es diagonalizable del lado del núcleo (Ne2=e10N'e_2 = e_1 \neq 0). Regla práctica: μ\mu y χ\chi comparten sus raíces (Proposición 3.12); la multiplicidad en μ\mu mide el tamaño del mayor bloque nilpotente, y la de χ\chi la dimensión total del subespacio característico.

Teorema 3.21 (Cayley–Hamilton)

χu(u)=0\chi_u(u) = 0; en consecuencia, μuχu\mu_u \mid \chi_u y degμun\deg \mu_u \leq n.

Demostración. Fijemos x0x \neq 0 y sea dd máximo tal que (x,u(x),,ud1(x))(x, u(x), \dots, u^{d-1}(x)) sea libre; escribamos

ud(x)=a0xa1u(x)ad1ud1(x),u^d(x) = -a_0 x - a_1 u(x) - \dots - a_{d-1}u^{d-1}(x),

y pongamos Px=Xd+ad1Xd1++a0P_x = X^d + a_{d-1}X^{d-1} + \dots + a_0, de modo que Px(u)(x)=0P_x(u)(x) = 0. Completemos la familia libre hasta una base de EE: en ella, uu tiene forma por bloques (C0D)\begin{pmatrix} C & \ast\\ 0 & D\end{pmatrix}, donde CC es la matriz compañera de PxP_x, cuyo polinomio característico es PxP_x (desarróllese det(XIC)\det(XI - C) por la primera columna, por inducción sobre dd). Por tanto χu=PxχD\chi_u = P_x \cdot \chi_D, y

χu(u)(x)=χD(u)(Px(u)(x))=0.\chi_u(u)(x) = \chi_D(u)\bigl(P_x(u)(x)\bigr) = 0 .

El argumento vale para todo xx: χu(u)=0\chi_u(u) = 0.

Ejemplo 3.22 (Cayley–Hamilton en acción)

A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4\end{pmatrix}: χA=X25X2\chi_A = X^2 - 5X - 2, luego A2=5A+2IA^2 = 5A + 2I. Toda potencia de AA se reduce a una combinación de II y AA:

A4=(5A+2I)2=25A2+20A+4I=145A+54I=(199290435634),A^4 = (5A + 2I)^2 = 25A^2 + 20A + 4I = 145A + 54I = \begin{pmatrix} 199 & 290\\ 435 & 634\end{pmatrix},

y la inversa sale gratis: de A(A5I)=2IA(A - 5I) = 2I se obtiene

A1=12(A5I)=(213/21/2).A^{-1} = \tfrac12(A - 5I) = \begin{pmatrix} -2 & 1\\ 3/2 & -1/2\end{pmatrix}.

La moraleja: Cayley–Hamilton comprime toda el álgebra K[A]K[A] en Vect(I,A,,An1)\operatorname{Vect}(I, A, \dots, A^{n-1}) —se tiene dimK[A]=degμAn\dim K[A] = \deg\mu_A \leq n, por grandes que sean las potencias que necesites—.

Observación 3.23 (Errores frecuentes)

(i) Los valores propios no se suman: Sp(A+B)\operatorname{Sp}(A + B) no es SpA+SpB\operatorname{Sp}A + \operatorname{Sp}B, y una suma de matrices diagonalizables no tiene por qué ser diagonalizable; (1100)+(0001)=(1101)\left(\begin{smallmatrix}1 & 1\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right) + \left(\begin{smallmatrix}0 & 0\\ 0 & 1\end{smallmatrix}\right) = \left(\begin{smallmatrix}1 & 1\\ 0 & 1\end{smallmatrix}\right) es suma de dos matrices diagonalizables (cada una con valores propios distintos) y no es diagonalizable; solo se portan bien las familias que conmutan (Ejercicio 3.9). (ii) “χu\chi_u se escinde” es una hipótesis sobre el cuerpo: una rotación del plano tiene χ=X22cosθX+1\chi = X^2 - 2\cos\theta\,X + 1, escindido sobre C\C pero no sobre R\R; es diagonalizable en M2(C)\mathcal{M}_2(\C) y ni siquiera trigonalizable en M2(R)\mathcal{M}_2(\R). (iii) La desigualdad va de geométrica \leq algebraica, nunca al revés; comprobar solo que dimEλ1\dim E_\lambda \geq 1 no demuestra nada sobre la diagonalizabilidad. (iv) μu\mu_u no es χu\chi_u: la igualdad se da exactamente cuando cada valor propio tiene una única cadena de bloques (por ejemplo, las matrices compañeras del problema de fin de semana de este capítulo); usar χ\chi donde hace falta μ\mu infla todos los cálculos de potencias. (v) El dd y el ν\nu de Dunford son polinomios en uu: una descomposición u=d+νu = d' + \nu' con las propiedades adecuadas pero con dννdd'\nu' \neq \nu'd' no es la de Dunford y nunca es única.

Observación 3.24 (Dónde se usa este capítulo)

La reducción es el caballo de batalla del resto del libro: las potencias y exponenciales de matrices mueven los sistemas diferenciales lineales del Capítulo 16; el teorema espectral del Capítulo 12 es la diagonalización hecha ortogonal; las funciones generatrices (Capítulo 23) vuelven a deducir analíticamente las asintóticas de recurrencias del problema de fin de semana de este capítulo. En el volumen del tercer año el mismo programa se ejecuta en dimensión infinita: la teoría espectral de los operadores compactos autoadjuntos, donde sucesiones de valores propios sustituyen a los espectros finitos, y la teoría de Perron–Frobenius de las matrices positivas, que explica por qué los valores propios dominantes de los problemas de recuento son positivos y simples.

3.3 Nilpotentes y descomposición de Dunford

Proposición 3.25 (Endomorfismos nilpotentes)

Para uu con χu\chi_u escindido, las afirmaciones siguientes son equivalentes: un=0u^n = 0; uk=0u^k = 0 para algún kk; Sp(u)={0}\operatorname{Sp}(u) = \{0\}; χu=Xn\chi_u = X^n; uu es trigonalizable con diagonal nula. Un endomorfismo nilpotente tiene μu=X(ıˊndice de nilpotencia)\mu_u = X^{\text{(índice de nilpotencia)}}, con índice n\leq n.

Demostración. Si uk=0u^k = 0, todo valor propio es raíz de XkX^k: el espectro es {0}\{0\} (no vacío cuando χ\chi se escinde, y sobre C\C siempre). Entonces χu=Xn\chi_u = X^n (todas las raíces nulas) y Cayley–Hamilton da un=0u^n = 0; la trigonalización (Teorema 3.9) pone ceros en la diagonal (la diagonal lleva los valores propios). Recíprocamente, sea AA estrictamente triangular superior: aij=0a_{ij} = 0 para jij \leq i. Veamos por inducción que

(Ak)ij=0siempre que ji+k1,(A^k)_{ij} = 0 \qquad \text{siempre que } j \leq i + k - 1,

es decir, que cada potencia empuja la región de ceros una diagonal más arriba. Para k=1k = 1 es la hipótesis. Para el paso inductivo,

(Ak+1)ij=(Ak)iaj,(A^{k+1})_{ij} = \sum_{\ell} (A^k)_{i\ell}\,a_{\ell j} ,

y cada término se anula: o bien i+k1\ell \leq i + k - 1 (el primer factor es 00 por inducción), o bien i+k\ell \geq i + k, en cuyo caso ji+kj \leq i + k \leq \ell mata el segundo factor. Para k=nk = n, la condición ji+n1j \leq i + n - 1 se cumple para todos los i,jni, j \leq n: An=0A^n = 0. El polinomio mínimo divide a XnX^n y la anulación define el índice.

Teorema 3.26 (Descomposición de Dunford)

Supongamos que χu\chi_u se escinde sobre KK (automático si K=CK = \C). Entonces existe un único par (d,ν)(d, \nu) con

u=d+ν,d diagonalizable,ν nilpotente,dν=νd,u = d + \nu, \qquad d \text{ diagonalizable}, \quad \nu \text{ nilpotente}, \quad d\nu = \nu d ,

y además dd y ν\nu son polinomios en uu.

Demostración. Existencia. Escribamos χu=i=1r(Xλi)mi\chi_u = \prod_{i=1}^{r} (X - \lambda_i)^{m_i} (los λi\lambda_i distintos) y pongamos Ni=ker(uλi)miN_i = \ker(u - \lambda_i)^{m_i}, los subespacios característicos. Por Cayley–Hamilton y el lema de los núcleos (Teorema 3.14),

E=N1Nr,E = N_1 \oplus \dots \oplus N_r ,

con proyecciones πi\pi_i polinómicas en uu; cada NiN_i es estable (los polinomios en uu conmutan con uu). Definamos d=iλiπid = \sum_i \lambda_i \pi_i: es un polinomio en uu y es diagonalizable (actúa como λi\lambda_i sobre NiN_i, de modo que EE se descompone en sus subespacios propios). Entonces ν=ud\nu = u - d es un polinomio en uu (y por tanto conmuta con dd) y actúa sobre cada NiN_i como uλiu - \lambda_i, con (uλi)mi=0(u - \lambda_i)^{m_i} = 0 allí: νmaxmi=0\nu^{\max m_i} = 0 en cada sumando, luego ν\nu es nilpotente.

Unicidad. Sea u=d+νu = d' + \nu' otro par en esas condiciones. Como dd' y ν\nu' conmutan entre sí, conmutan con u=d+νu = d' + \nu' y por tanto con todo polinomio en uu; en particular, con dd y con ν\nu. Entonces ddd - d' es diagonalizable (dos aplicaciones diagonalizables que conmutan son simultáneamente diagonalizables: Ejercicio 3.9) e igual a νν\nu' - \nu, que es nilpotente: si νk=0\nu^k = 0 y νk=0\nu'^{k'} = 0, la conmutación autoriza el desarrollo del binomio

(νν)k+k1=j=0k+k1(k+k1j)νj(ν)k+k1j,(\nu' - \nu)^{k + k' - 1} = \sum_{j=0}^{k+k'-1}\binom{k + k' - 1}{j} \,\nu'^{\,j}\,(-\nu)^{k + k' - 1 - j} ,

en el que todos los términos mueren: o bien jkj \geq k' (primer factor nulo), o bien k+k1jkk + k' - 1 - j \geq k (segundo factor nulo), y siempre se da una de las dos. Un nilpotente diagonalizable es nulo (su espectro es {0}\{0\} y es diagonal en alguna base): luego d=dd = d' y ν=ν\nu = \nu'.

Ejemplo 3.27 (Potencias y exponenciales)

A=(3111)A = \begin{pmatrix} 3 & 1\\ -1 & 1\end{pmatrix}: χA=X24X+4=(X2)2\chi_A = X^2 - 4X + 4 = (X-2)^2, con un único valor propio 22 y subespacio propio de dimensión 11: no es diagonalizable. Dunford: D=2ID = 2I, N=A2I=(1111)N = A - 2I = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ -1 & -1\end{pmatrix}, con N2=0N^2 = 0. Entonces

Ak=(2I+N)k=2kI+k2k1N,etA=e2t(I+tN),A^k = (2I + N)^k = 2^k I + k\,2^{k-1} N , \qquad \eu^{tA} = \eu^{2t}(I + tN),

por el teorema del binomio para elementos que conmutan y por la serie exponencial (Capítulo 16) separada sobre sumandos que conmutan. La reducción convierte la dinámica matricial en dinámica escalar.

Observación 3.28 (Perspectivas dentro de este volumen)

La reducción es un nudo de comunicaciones; conviene vigilar cuatro ramales. En el Capítulo 5, las normas adaptadas convierten “todos los valores propios de módulo <1< 1” en “alguna norma de operador <1< 1”, con lo que los espectros gobiernan la convergencia de potencias y series. En el Capítulo 16, la receta del Ejemplo 3.27 pasa a ser la solución general de X=AXX' = AX: Dunford separa etA\eu^{tA} en bloques de tipo polinomio por exponencial, y la estabilidad se lee en las partes reales de los valores propios. En el Capítulo 12, un producto escalar impone lo que el álgebra lineal por sí sola no puede: las matrices simétricas resultan ortogonalmente diagonalizables, sin parte nilpotente alguna. Y en el Capítulo 23, las asintóticas por valor propio dominante del problema de fin de semana de este capítulo reaparecen analíticamente, como la singularidad más pequeña de una función generatriz: dos lenguajes para una misma tasa de crecimiento.

3.4 Ejercicios

Ejercicio 3.1

Diagonaliza (valores propios, bases de los subespacios propios, matriz invertible PP):

A=(1221),B=(011101110).A = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 2 & 1 \end{pmatrix}, \qquad B = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1\\ 1 & 0 & 1\\ 1 & 1 & 0 \end{pmatrix}.
Solución

Solución de Ejercicio 3.1.

AA: χA=X22X3=(X3)(X+1)\chi_A = X^2 - 2X - 3 = (X - 3)(X + 1). Vectores propios: para 33, (1,1)(1,1); para 1-1, (1,1)(1,-1). Así pues, P=(1111)P = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} da P1AP=diag(3,1)P^{-1}AP = \operatorname{diag}(3, -1).

B=JIB = J - I, donde JJ es la matriz de unos. JJ tiene rango 11, con Jv=3vJv = 3v para v=(1,1,1)v = (1,1,1) y Jw=0Jw = 0 sobre el plano x+y+z=0x + y + z = 0: el espectro de BB es {2,1}\{2, -1\}, con subespacios propios Vect(1,1,1)\operatorname{Vect}(1,1,1) (de dimensión 11) y {x+y+z=0}\{x + y + z = 0\} (de dimensión 22, con base (1,1,0),(1,0,1)(1,-1,0), (1,0,-1)). La matriz PP con esas tres columnas da P1BP=diag(2,1,1)P^{-1}BP = \operatorname{diag}(2, -1, -1).

Ejercicio 3.2

Prueba que C=(1101)C = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 0 & 1\end{pmatrix} no es diagonalizable de dos maneras: mediante los subespacios propios y mediante el polinomio mínimo.

Solución

Solución de Ejercicio 3.2.

Por subespacios propios: χC=(X1)2\chi_C = (X-1)^2, con único valor propio 11; ker(CI)=ker(0100)\ker(C - I) = \ker\begin{pmatrix} 0&1\\ 0&0\end{pmatrix} es la recta Vect(e1)\operatorname{Vect}(e_1), de dimensión 1<2=m11 < 2 = m_1, luego no es diagonalizable (Teorema 3.6).

Por el polinomio mínimo: μC\mu_C divide a (X1)2(X-1)^2 y CIC \neq I, luego μC=(X1)2\mu_C = (X-1)^2: una raíz doble, así que no es diagonalizable (Corolario 3.17).

Ejercicio 3.3

Sea uu tal que u25u+6id=0u^2 - 5u + 6\,\mathrm{id} = 0. Demuestra que uu es diagonalizable, determina los espectros posibles y calcula uku^k como combinación de id\mathrm{id} y uu.

Solución

Solución de Ejercicio 3.3.

X25X+6=(X2)(X3)X^2 - 5X + 6 = (X-2)(X-3): escindido con raíces simples, luego uu es diagonalizable (Corolario 3.17), con Sp(u){2,3}\operatorname{Sp}(u) \subseteq \{2, 3\}. Espectros posibles: {2}\{2\} (u=2idu = 2\,\mathrm{id}), {3}\{3\} (u=3idu = 3\,\mathrm{id}) o {2,3}\{2, 3\}.

Potencias: busquemos uk=akid+bkuu^k = a_k\,\mathrm{id} + b_k\,u. Sobre los subespacios propios esto se lee 2k=ak+2bk2^k = a_k + 2b_k y 3k=ak+3bk3^k = a_k + 3b_k; resolviendo, bk=3k2kb_k = 3^k - 2^k y ak=32k23ka_k = 3\cdot2^k - 2\cdot 3^k:

uk=(32k23k)id+(3k2k)u.u^k = (3\cdot 2^k - 2\cdot 3^k)\,\mathrm{id} + (3^k - 2^k)\, u .

(Válido para los tres espectros: las identidades se cumplen valor propio a valor propio.)

Ejercicio 3.4 ★★

Sea uu diagonalizable y FF un subespacio estable. Demuestra que uFu|_F es diagonalizable (restringe un polinomio anulador escindido con raíces simples).

Solución

Solución de Ejercicio 3.4.

uu es diagonalizable: P=λ(Xλ)P = \prod_{\lambda}(X - \lambda) sobre el espectro anula uu, es escindido y tiene raíces simples. Entonces P(uF)=P(u)F=0P(u|_F) = P(u)|_F = 0: la restricción está anulada por un polinomio escindido con raíces simples, luego es diagonalizable (Corolario 3.17).

Ejercicio 3.5 ★★

(Fibonacci) Sea A=(1110)A = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}. Diagonaliza AA sobre R\R y deduce la fórmula de Binet para la sucesión de Fibonacci (F0=0F_0 = 0, F1=1F_1 = 1, Fn+1=Fn+Fn1F_{n+1} = F_n + F_{n-1}):

Fn=φnψn5,φ=1+52, ψ=152.F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt 5}, \qquad \varphi = \frac{1 + \sqrt5}{2},\ \psi = \frac{1 - \sqrt5}{2}.
Solución

Solución de Ejercicio 3.5.

χA=X2X1\chi_A = X^2 - X - 1, con raíces φ\varphi y ψ\psi (distintas): diagonalizable, con vectores propios (φ,1)(\varphi, 1) y (ψ,1)(\psi, 1). La recurrencia da (Fn+1Fn)=An(10)\begin{pmatrix} F_{n+1}\\ F_n \end{pmatrix} = A^n \begin{pmatrix}1\\ 0\end{pmatrix}. Descompongamos (1,0)(1, 0) sobre los vectores propios: (1,0)=1φψ((φ,1)(ψ,1))(1,0) = \frac{1}{\varphi - \psi}\bigl((\varphi, 1) - (\psi, 1)\bigr) con φψ=5\varphi - \psi = \sqrt5. Aplicar AnA^n multiplica cada componente propia por la potencia nn-ésima de su valor propio; leyendo la segunda coordenada:

Fn=φnψn5.F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt 5} .

(Comprobación: para n=1n = 1 se obtiene φψ5=1\frac{\varphi - \psi}{\sqrt5} = 1.)

Ejercicio 3.6 ★★

Sea uL(E)u \in \mathcal{L}(E) con u2u^2 diagonalizable y uu invertible (K=CK = \C). Demuestra que uu es diagonalizable. Da un contraejemplo cuando uu no es invertible.

Solución

Solución de Ejercicio 3.6.

Sea P=i(Xμi)P = \prod_i (X - \mu_i) un polinomio que anula u2u^2, escindido con raíces simples μi\mu_i (el espectro de u2u^2). Como uu es invertible, 00 no es valor propio de u2u^2 (pues detu2=(detu)20\det u^2 = (\det u)^2 \neq 0), así que todos los μi0\mu_i \neq 0. Entonces

Q(X)=i(X2μi)=i(Xμi)(X+μi)Q(X) = \prod_i (X^2 - \mu_i) = \prod_i (X - \sqrt{\mu_i})(X + \sqrt{\mu_i})

anula uu: en efecto, Q(u)=i(u2μiid)=P(u2)=0Q(u) = \prod_i (u^2 - \mu_i\,\mathrm{id}) = P(u^2) = 0. Sus raíces ±μi\pm \sqrt{\mu_i} (raíces cuadradas complejas) son distintas dos a dos porque los μi\mu_i son distintos y no nulos (μi=μj\sqrt{\mu_i} = -\sqrt{\mu_j} daría μi=μj\mu_i = \mu_j). Escindido y con raíces simples: uu es diagonalizable.

Contraejemplo sin invertibilidad: u=(0100)u = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix}: u2=0u^2 = 0 es diagonalizable y uu no lo es.

Ejercicio 3.7 ★★

Calcula la descomposición de Dunford, AkA^k y etA\eu^{tA} para

A=(210021002).A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0\\ 0 & 2 & 1\\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}.
Solución

Solución de Ejercicio 3.7.

A=2I+NA = 2I + N con NN el desplazamiento (Ne2=e1N e_2 = e_1, Ne3=e2Ne_3 = e_2), N3=0N^3 = 0 y N2=E13N^2 = E_{13}: esta es la descomposición de Dunford (2I2I diagonal, NN nilpotente, y conmutan; la unicidad hace que sea la única). Binomio con términos que conmutan:

Ak=2kI+k2k1N+(k2)2k2N2=(2kk2k1(k2)2k202kk2k1002k),A^k = 2^k I + k 2^{k-1} N + \binom k2 2^{k-2} N^2 = \begin{pmatrix} 2^k & k2^{k-1} & \binom k2 2^{k-2}\\ 0 & 2^k & k2^{k-1}\\ 0 & 0 & 2^k \end{pmatrix},
etA=e2t(I+tN+t22N2)=e2t(1tt2/201t001).\eu^{tA} = \eu^{2t}\Bigl(I + tN + \frac{t^2}{2}N^2\Bigr) = \eu^{2t}\begin{pmatrix} 1 & t & t^2/2\\ 0 & 1 & t\\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}.

Ejercicio 3.8 ★★

Sea AMn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) con Ak=IA^k = I para algún k1k \geq 1. Demuestra que AA es diagonalizable y que sus valores propios son raíces kk-ésimas de la unidad. Deduce que una matriz compleja invertible de orden finito semejante a una matriz triangular con diagonal de unos es la identidad.

Solución

Solución de Ejercicio 3.8.

Xk1X^k - 1 anula AA y se escinde sobre C\C con las kk raíces distintas e2iπj/k\eu^{2\iu\pi j/k}: AA es diagonalizable (Corolario 3.17) y sus valores propios, raíces de Xk1X^k - 1, son raíces kk-ésimas de la unidad.

Si además AA es semejante a una matriz triangular con diagonal de unos, todos los valores propios valen 11, y AA, diagonalizable con único valor propio 11, vale PIP1=IP\,I\,P^{-1} = I.

Ejercicio 3.9 ★★★

(Diagonalización simultánea) Sean u,vu, v diagonalizables y que conmutan. Demuestra que son simultáneamente diagonalizables: alguna base diagonaliza ambos. (Cada subespacio propio de uu es estable por vv; diagonaliza allí las restricciones de vv usando el Ejercicio 3.4.)

Solución

Solución de Ejercicio 3.9.

Escribamos E=λEλ(u)E = \bigoplus_\lambda E_\lambda(u) (Teorema 3.6). Cada Eλ(u)E_\lambda(u) es estable por vv: para xEλx \in E_\lambda, u(v(x))=v(u(x))=λv(x)u(v(x)) = v(u(x)) = \lambda v(x). La restricción de vv a Eλ(u)E_\lambda(u) es diagonalizable (Ejercicio 3.4): elíjase una base de Eλ(u)E_\lambda(u) formada por vectores propios de vv. Concatenando esas bases sobre todos los λ\lambda se obtiene una base de EE cuyos vectores son vectores propios de ambos, de uu (por pertenecer a Eλ(u)E_\lambda(u)) y de vv (por construcción).

Ejercicio 3.10 ★★★

Sea uL(Cn)u \in \mathcal{L}(\C^n). Demuestra que uu es diagonalizable si y solo si todo subespacio estable por uu admite un suplementario estable por uu. (Para \Leftarrow: aplica la propiedad a F=λEλ(u)F = \sum_\lambda E_\lambda(u), la suma de todos los subespacios propios; si un suplementario estable GG fuera no nulo, trigonalizar uGu|_G produciría un vector propio de uu dentro de GG, en contradicción con GF={0}G \cap F = \{0\}.)

Solución

Solución de Ejercicio 3.10.

(\Rightarrow) Sea uu diagonalizable y FF estable. Entonces uFu|_F es diagonalizable (Ejercicio 3.4): FF tiene una base de vectores propios que se extiende, dentro de cada subespacio propio global EλE_\lambda, a una base de EλE_\lambda (teorema de la base incompleta dentro de EλE_\lambda, partiendo de la parte de la base de FF que allí se aloja; obsérvese que F=λ(FEλ)F = \bigoplus_\lambda (F \cap E_\lambda) porque uFu|_F es diagonalizable). Los vectores añadidos generan un suplementario estable (cada uno está en algún EλE_\lambda, luego su envoltura es estable por uu).

(\Leftarrow) Sea F=λEλ(u)F = \sum_\lambda E_\lambda(u) (subespacio estable) y GG un suplementario estable. Si G{0}G \neq \{0\}, entonces χuG\chi_{u|_G} se escinde sobre C\C, así que uGu|_G tiene un vector propio xGx \in G (Teorema 3.9, o directamente la existencia de una raíz); pero todo vector propio de uu está en FF, luego xFG={0}x \in F \cap G = \{0\}: contradicción. Por tanto G={0}G = \{0\} y E=FE = F: los subespacios propios llenan EE, es decir, uu es diagonalizable.

Ejercicio 3.11 ★★★

(Radio espectral en versión ligera de Gelfand, un anticipo 2×22\times2 del análisis que viene) Sea AM2(C)A \in \mathcal{M}_2(\C) con ambos valores propios de módulo <1< 1. Demuestra que Ak0A^k \to 0 entrada a entrada cuando kk \to \infty. (Trigonaliza: A=P(T)P1A = P(T)P^{-1} con TT triangular superior; calcula TkT^k explícitamente —distinguiendo valores propios iguales y distintos— y acota.)

Solución

Solución de Ejercicio 3.11.

Trigonalicemos: A=PTP1A = PTP^{-1}, T=(λc0μ)T = \begin{pmatrix} \lambda & c\\ 0 & \mu\end{pmatrix}, con λ,μ<1\abs\lambda, \abs\mu < 1. Entonces Ak=PTkP1A^k = PT^kP^{-1}, y basta con que Tk0T^k \to 0.

Valores propios distintos: por inducción,

Tk=(λkcλkμkλμ0μk),T^k = \begin{pmatrix} \lambda^k & c\,\dfrac{\lambda^k - \mu^k}{\lambda - \mu}\\[4pt] 0 & \mu^k \end{pmatrix},

y cada entrada tiende a 00 (pues λk,μk0\abs{\lambda}^k, \abs\mu^k \to 0).

Valores propios iguales (μ=λ\mu = \lambda): T=λI+cE12T = \lambda I + cE_{12} y Tk=λkI+kλk1cE12T^k = \lambda^k I + k\lambda^{k-1}cE_{12}; la entrada kλk10k\lambda^{k-1} \to 0, ya que λ<1\abs\lambda < 1 (lo geométrico gana a lo polinómico). En ambos casos Tk0T^k \to 0 entrada a entrada, luego Ak=PTkP10A^k = PT^kP^{-1} \to 0 (multiplicar por las matrices fijas P,P1P, P^{-1} es continuo en las entradas: cada entrada del producto es una combinación lineal fija).

Ejercicio 3.12 ★★

Sea uL(Cn)u \in \mathcal{L}(\C^n) con rku=1\operatorname{rk} u = 1 (n2n \geq 2). Prueba que χu=Xn1(Xtru)\chi_u = X^{n-1}(X - \operatorname{tr} u) y que uu es diagonalizable si y solo si tru0\operatorname{tr} u \neq 0. (Recuerda del Ejercicio 2.5 que u2=(tru)uu^2 = (\operatorname{tr} u)\,u.)

Solución

Solución de Ejercicio 3.12.

keru\ker u tiene dimensión n1n - 1 (teorema del rango), de modo que 00 es un valor propio de multiplicidad geométrica n1n - 1, y χu\chi_u es divisible por Xn1X^{n-1} (Definición 3.3: geométrica \leq algebraica). Escribamos χu=Xn1(Xα)\chi_u = X^{n-1}(X - \alpha); como el coeficiente de Xn1X^{n-1} es tru-\operatorname{tr} u, resulta α=tru\alpha = \operatorname{tr} u: χu=Xn1(Xtru)\chi_u = X^{n-1}(X - \operatorname{tr} u).

Si tru0\operatorname{tr} u \neq 0: el valor propio tru\operatorname{tr} u es raíz de χu\chi_u, luego lleva asociado un vector propio; los subespacios propios de 00 y de tru\operatorname{tr} u tienen dimensiones n1n - 1 y 1\geq 1, que suman n\geq n: llenan EE y uu es diagonalizable (Teorema 3.6). Si tru=0\operatorname{tr} u = 0: por el Ejercicio 2.5, u2=(tru)u=0u^2 = (\operatorname{tr} u)u = 0 con u0u \neq 0, así que uu es un nilpotente no nulo, y un nilpotente diagonalizable es nulo (Proposición 3.25): no es diagonalizable.

3.5 Problema: recurrencias lineales y matrices compañeras

Una recurrencia lineal un+k=ak1un+k1++a0unu_{n+k} = a_{k-1}u_{n+k-1} + \dots + a_0 u_n es una potencia de matriz disfrazada, y la reducción la convierte en fórmulas cerradas, tasas de crecimiento y estimaciones del error. Este problema de fin de semana desarrolla el diccionario —matrices compañeras de un lado, operador de desplazamiento sobre el espacio de las sucesiones del otro—, demuestra el teorema fundamental de las recurrencias lineales (la solución general es iQi(n)λin\sum_i Q_i(n)\lambda_i^n sobre las raíces del polinomio característico) y gasta los dividendos en la aproximación diofántica de 2\sqrt2, en el recuento de caminos y palabras, y en un anillo de sucesiones acopladas que solo la diagonalización simultánea consigue desenredar.

Problema 3.1

Problema de fin de semana — el teorema fundamental de las recurrencias lineales

Fijemos k1k \geq 1, escalares a0,,ak1Ca_0, \dots, a_{k-1} \in \C con a00a_0 \neq 0, el polinomio mónico P=Xkak1Xk1a1Xa0P = X^k - a_{k-1}X^{k-1} - \dots - a_1 X - a_0 y la recurrencia

(R) ⁣:un+k=ak1un+k1++a1un+1+a0un(n0).(\mathcal R)\colon\quad u_{n+k} = a_{k-1}u_{n+k-1} + \dots + a_1 u_{n+1} + a_0 u_n \qquad (n \geq 0).

La matriz compañera de PP es

C=(0101a0a1ak1)Mk(C).C = \begin{pmatrix} 0 & 1 & & \\ & \ddots & \ddots & \\ & & 0 & 1\\ a_0 & a_1 & \cdots & a_{k-1} \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_k(\C).

Parte I — El diccionario de la matriz compañera.

  1. Prueba que una sucesión (un)(u_n) satisface (R)(\mathcal R) si y solo si los vectores vn=(un,un+1,,un+k1)Tv_n = (u_n, u_{n+1}, \dots, u_{n+k-1})^{\mathsf T} satisfacen vn+1=Cvnv_{n+1} = Cv_n, de donde vn=Cnv0v_n = C^n v_0.
  2. Demuestra que χC=P\chi_C = P (desarrolla det(XIC)\det(XI - C) por la primera columna e induce sobre kk) y después que también μC=P\mu_C = P (pasa a CTC^{\mathsf T}, para la que e1e_1 es cíclico, y observa que una matriz y su traspuesta tienen el mismo polinomio mínimo).
  3. Prueba que, para cada raíz λ\lambda de PP, el vector (1,λ,,λk1)T(1, \lambda, \dots, \lambda^{k-1})^{\mathsf T} genera el subespacio propio de CC asociado a λ\lambda; deduce que todos los subespacios propios de CC tienen dimensión 11 y que CC es diagonalizable si y solo si PP tiene kk raíces distintas.
  4. Supongamos que PP tiene raíces distintas λ1,,λk\lambda_1, \dots, \lambda_k. Prueba que las sucesiones geométricas (λin)n(\lambda_i^n)_n forman una base del espacio de soluciones de (R)(\mathcal R), de modo que toda solución es un=iciλinu_n = \sum_i c_i\lambda_i^n para constantes cic_i únicas.
  5. Resuelve por completo: un+2=un+1+6unu_{n+2} = u_{n+1} + 6u_n, u0=1u_0 = 1, u1=8u_1 = 8.

Parte II — El operador de desplazamiento y el teorema fundamental. Sea S\mathcal{S} el C\C-espacio vectorial de todas las sucesiones complejas y SL(S)S \in \mathcal{L}(\mathcal{S}) el desplazamiento, S((un)n)=(un+1)nS\bigl((u_n)_n\bigr) = (u_{n+1})_n.

  1. Prueba que el conjunto de soluciones de (R)(\mathcal R) es kerP(S)\ker P(S) y que tiene dimensión exactamente kk (envía cada solución a sus valores iniciales).
  2. Explica por qué el lema de descomposición en núcleos (Teorema 3.14) se aplica a SS sobre el espacio S\mathcal{S}, de dimensión infinita, sin ningún cambio, y escribe la descomposición resultante de kerP(S)\ker P(S) para P=i=1r(Xλi)miP = \prod_{i=1}^{r}(X - \lambda_i)^{m_i} (los λi\lambda_i distintos, todos no nulos porque a00a_0 \neq 0).
  3. Para λ0\lambda \neq 0 y m1m \geq 1, prueba que

    ker(Sλid)m={(Q(n)λn)n:QCm1[X]},\ker\,(S - \lambda\,\mathrm{id})^m = \bigl\{\,\bigl(Q(n)\,\lambda^n\bigr)_n : Q \in \C_{m-1}[X]\,\bigr\},

    de dimensión mm. (Calcula (Sλ)(Q(n)λn)=λn+1(ΔQ)(n)(S - \lambda)\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr) = \lambda^{n+1}(\Delta Q)(n) con ΔQ=Q(X+1)Q(X)\Delta Q = Q(X + 1) - Q(X), y usa que Δ\Delta baja el grado; para la dimensión, acótala por mm mediante los valores iniciales.)

  4. (El teorema fundamental de las recurrencias lineales) Concluye: si P=i=1r(Xλi)miP = \prod_{i=1}^{r}(X - \lambda_i)^{m_i} con los λi\lambda_i distintos y no nulos, las soluciones de (R)(\mathcal R) son exactamente las sucesiones

    un=i=1rQi(n)λin,QiCmi1[X],u_n = \sum_{i=1}^{r} Q_i(n)\,\lambda_i^n, \qquad Q_i \in \C_{m_i - 1}[X],

    con polinomios QiQ_i determinados de manera única.

  5. Resuelve por completo: un+2=4un+14unu_{n+2} = 4u_{n+1} - 4u_n, u0=1u_0 = 1, u1=0u_1 = 0, y comprueba la respuesta sobre u2u_2.

Parte III — Raíces dominantes y dividendos diofánticos.

  1. Supongamos las raíces simples con λ1>λi\abs{\lambda_1} > \abs{\lambda_i} para i2i \geq 2, y un=iciλinu_n = \sum_i c_i \lambda_i^n con c10c_1 \neq 0. Prueba que unc1λ1nu_n \sim c_1\lambda_1^n y que un+1/unλ1u_{n+1}/u_n \to \lambda_1.
  2. (Pell) Definamos an+1=an+2bna_{n+1} = a_n + 2b_n, bn+1=an+bnb_{n+1} = a_n + b_n, a0=b0=1a_0 = b_0 = 1. Prueba que q(a,b)=a22b2q(a, b) = a^2 - 2b^2 cumple q(an+1,bn+1)=q(an,bn)q(a_{n+1}, b_{n+1}) = -q(a_n, b_n), de donde an22bn2=(1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (-1)^{n+1}; relaciónalo con el determinante de M=(1211)M = \left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 1 & 1\end{smallmatrix}\right).
  3. Deduce la estimación del error

    anbn2=1bn(an+2bn)12bn2,\Bigl|\frac{a_n}{b_n} - \sqrt2\Bigr| = \frac{1}{b_n\,(a_n + \sqrt2\,b_n)} \leq \frac{1}{2b_n^2},

    y prueba que decrece geométricamente con razón 3223 - 2\sqrt2 (halla los valores propios de MM y el crecimiento de bnb_n).

  4. (Crecimiento general) A partir de la pregunta 9, demuestra: (a) si toda raíz cumple λiρ\abs{\lambda_i} \leq \rho, entonces unCnm1ρn\abs{u_n} \leq C\,n^{m-1}\rho^n con m=maximim = \max_i m_i; (b) si hay una única raíz λ1\lambda_1 de módulo máximo y Q10Q_1 \neq 0, entonces un+1/unλ1u_{n+1}/u_n \to \lambda_1; compruébalo sobre la solución de la pregunta 10.

Parte IV — Contar caminos y palabras. Para un grafo finito con conjunto de vértices {1,,N}\{1, \dots, N\}, la matriz de adyacencia AA tiene Aij=1A_{ij} = 1 si ijij es una arista y 00 en caso contrario.

  1. Demuestra que (An)ij(A^n)_{ij} es el número de caminos de longitud nn de ii a jj (sucesiones de nn aristas, cada paso a lo largo de una arista).
  2. (El triángulo) Para el grafo completo de 33 vértices, A=JIA = J - I: usando el espectro de JJ (Ejemplo 2.19), prueba que

    (An)ii=2n+2(1)n3,(An)ij=2n(1)n3(ij),(A^n)_{ii} = \frac{2^n + 2(-1)^n}{3}, \qquad (A^n)_{ij} = \frac{2^n - (-1)^n}{3} \quad (i \neq j),

    y comprueba ambas fórmulas para n=2n = 2 enumerando caminos.

  3. (Palabras sin 1111) Sea wnw_n el número de palabras binarias de longitud nn sin dos 11 consecutivos. Codifica las palabras por su última letra para obtener una matriz de transferencia, prueba que wn+2=wn+1+wnw_{n+2} = w_{n+1} + w_n, deduce wn=Fn+2w_n = F_{n+2} (Fibonacci, Ejercicio 3.5) y da la tasa de crecimiento limwn+1/wn\lim w_{n+1}/w_n.
  4. (El camino) Para el grafo camino 1231 - 2 - 3, prueba que los valores propios de AA son 2,0,2\sqrt2, 0, -\sqrt2, con vectores propios (1,±2,1)(1, \pm\sqrt2, 1) y (1,0,1)(1, 0, -1), y deduce que el número de caminos de longitud nn de un extremo al otro es ((2)n+(2)n)/4\bigl((\sqrt2)^n + (-\sqrt2)^n\bigr)/4: cero para nn impar y 2n/212^{\,n/2 - 1} para nn par. Compruébalo para n=4n = 4.
  5. (Fórmula de la traza) Prueba que el número total de caminos cerrados de longitud nn (con todos los puntos de partida) es tr(An)=iλin\operatorname{tr}(A^n) = \sum_i \lambda_i^n, y verifícalo en el triángulo.

Parte V — Un anillo de sucesiones: diagonalización simultánea. Fijemos k3k \geq 3, sea ω=e2iπ/k\omega = \eu^{2\iu\pi/k} y sea WMk(C)W \in \mathcal{M}_k(\C) el desplazamiento cíclico: Wei=ei+1W e_i = e_{i+1} (índices módulo kk, columnas indexadas 0,,k10, \dots, k-1).

  1. Prueba que WTW^{\mathsf T} es la matriz compañera de Xk1X^k - 1, deduce que χW=μW=Xk1\chi_W = \mu_W = X^k - 1 y que WW es diagonalizable con los kk valores propios simples ωj\omega^j y vectores propios fj=(1,ωj,ω2j,,ω(k1)j)Tf_j = (1, \omega^{-j}, \omega^{-2j}, \dots, \omega^{-(k-1)j})^{\mathsf T}.
  2. Una matriz circulante es C=c0I+c1W++ck1Wk1C = c_0 I + c_1 W + \dots + c_{k-1}W^{k-1}. Prueba que todas las circulantes conmutan, que la base (f0,,fk1)(f_0, \dots, f_{k-1}) las diagonaliza todas simultáneamente y que los valores propios de CC son c^(ωj)=mcmωjm\widehat c(\omega^j) = \sum_m c_m \omega^{jm}, j=0,,k1j = 0, \dots, k-1.
  3. Deduce que detC=j=0k1c^(ωj)\det C = \prod_{j=0}^{k-1} \widehat c(\omega^j), y comprueba que k=3k = 3 recupera la factorización del Ejercicio 2.8.
  4. (La media en el collar) Sea x(n+1)=Mx(n)x^{(n+1)} = Mx^{(n)} con M=12(W+W1)M = \frac12(W + W^{-1}): cada uno de los kk números dispuestos en anillo se sustituye por la media de sus dos vecinos. Prueba que los valores propios de MM son cos(2πj/k)\cos(2\pi j/k) y que el coeficiente de x(0)x^{(0)} sobre f0f_0 es la media 1kmxm(0)\frac1k\sum_m x^{(0)}_m (suma las coordenadas de los fjf_j).
  5. Concluye: para kk impar, x(n)x^{(n)} converge al vector constante cuyo valor es la media de los valores iniciales; para k=4k = 4, exhibe el valor propio responsable de la no convergencia y la obstrucción exacta (un coeficiente de media alternada que debe anularse).
  6. (Síntesis) En una frase cada uno: cómo la matriz compañera convierte el análisis de (R)(\mathcal R) en reducción; dónde el lema de descomposición en núcleos no necesitó dimensión finita; por qué los valores propios dominantes gobiernan las tasas de crecimiento y el error diofántico; por qué las potencias de la matriz de adyacencia cuentan caminos; y qué se gana con matrices que conmutan. Nombra las dos cumbres: el teorema fundamental de las recurrencias lineales y —en el volumen del tercer año, para las matrices positivas de la parte IV— el teorema de Perron–Frobenius.
Solución

Solución de Problema 3.1.

1. Las k1k - 1 primeras coordenadas de CvnCv_n son un+1,,un+k1u_{n+1}, \dots, u_{n+k-1} (la superdiagonal desplaza), y la última es a0un++ak1un+k1a_0 u_n + \dots + a_{k-1}u_{n+k-1}. Así pues, vn+1=Cvnv_{n+1} = Cv_n se cumple para todo nn si y solo si coinciden las últimas coordenadas para todo nn, es decir, si y solo si se cumple (R)(\mathcal R). Iterando, vn=Cnv0v_n = C^nv_0.

2. Desarrollemos Dk(X)=det(XIkC)D_k(X) = \det(XI_k - C) por la primera columna: las dos entradas no nulas son XX (posición (1,1)(1,1)) y a0-a_0 (posición (k,1)(k,1)). El primer menor tiene la forma de Dk1D_{k-1} para los coeficientes a1,,ak1a_1, \dots, a_{k-1}; el segundo menor es triangular superior con diagonal 1-1, de determinante (1)k1(-1)^{k-1}, y le corresponde el signo (1)k+1(-1)^{k+1} por la posición. La inducción sobre kk (caso base k=1k = 1: Xa0X - a_0) da

Dk(X)=X(Xk1ak1Xk2a1)a0=P(X).D_k(X) = X\bigl(X^{k-1} - a_{k-1}X^{k-2} - \dots - a_1\bigr) - a_0 = P(X).

Para μC\mu_C: como Q(CT)=Q(C)TQ(C^{\mathsf T}) = Q(C)^{\mathsf T} para todo polinomio, CC y CTC^{\mathsf T} tienen los mismos anuladores y, por tanto, el mismo polinomio mínimo. Para CTC^{\mathsf T}: las columnas dan CTe1=e2C^{\mathsf T}e_1 = e_2, …, CTek1=ekC^{\mathsf T}e_{k-1} = e_k, de modo que (e1,CTe1,,(CT)k1e1)(e_1, C^{\mathsf T}e_1, \dots, (C^{\mathsf T})^{k-1}e_1) es la base canónica, que es libre. Un polinomio Q0Q \neq 0 de grado <k< k cumple entonces Q(CT)e10Q(C^{\mathsf T})e_1 \neq 0 (es una combinación no trivial de vectores de la base): degμk\deg\mu \geq k. Y como μχ=P\mu \mid \chi = P con degP=k\deg P = k, resulta μC=P\mu_C = P.

3. Para v=(1,λ,,λk1)Tv = (1, \lambda, \dots, \lambda^{k-1})^{\mathsf T}: las filas 11 a k1k-1 de CvCv dan λ,λ2,,λk1\lambda, \lambda^2, \dots, \lambda^{k-1}, es decir, λ\lambda por las k1k - 1 primeras entradas de vv; la última fila da mamλm=λkP(λ)=λk=λλk1\sum_m a_m\lambda^m = \lambda^k - P(\lambda) = \lambda^k = \lambda\cdot\lambda^{k-1}. Luego Cv=λvCv = \lambda v. Recíprocamente, las ecuaciones (Cx)i=λxi(Cx)_i = \lambda x_i para i<ki < k se leen xi+1=λxix_{i+1} = \lambda x_i: todo vector propio es proporcional a vv, y por tanto todo subespacio propio tiene dimensión exactamente 11. Es diagonalizable si y solo si las dimensiones de los subespacios propios suman kk (Teorema 3.6), si y solo si hay kk valores propios distintos, si y solo si PP tiene kk raíces distintas (los valores propios son las raíces de χC=P\chi_C = P).

4. Cada (λin)n(\lambda_i^n)_n es solución de (R)(\mathcal R): λin+k=λinλik=λinmamλim\lambda_i^{n+k} = \lambda_i^n\,\lambda_i^k = \lambda_i^n\sum_m a_m\lambda_i^m. Libertad: una combinación nula iciλin=0\sum_i c_i\lambda_i^n = 0 para n=0,,k1n = 0, \dots, k-1 es un sistema de Vandermonde (Ejercicio 2.11) en los cic_i: todos los ci=0c_i = 0. El espacio de soluciones tiene dimensión kk (pregunta 6, cuya demostración es elemental e independiente): kk soluciones libres forman una base, y las coordenadas son únicas.

5. P=X2X6=(X3)(X+2)P = X^2 - X - 6 = (X - 3)(X + 2): solución general un=A3n+B(2)nu_n = A\,3^n + B(-2)^n. Condiciones iniciales: A+B=1A + B = 1, 3A2B=83A - 2B = 8, luego A=2A = 2, B=1B = -1:

un=23n(2)n.u_n = 2\cdot 3^n - (-2)^n .

(Comprobación: u2=u1+6u0=14u_2 = u_1 + 6u_0 = 14 y 294=142\cdot9 - 4 = 14.)

6. P(S)((un))P(S)\bigl((u_n)\bigr) es la sucesión nun+kak1un+k1a0unn \mapsto u_{n+k} - a_{k-1}u_{n+k-1} - \dots - a_0u_n: se anula si y solo si se cumple (R)(\mathcal R), de modo que el conjunto de soluciones es kerP(S)\ker P(S), un subespacio. La aplicación kerP(S)Ck\ker P(S) \to \C^k, u(u0,,uk1)u \mapsto (u_0, \dots, u_{k-1}), es lineal, inyectiva (la recurrencia determina uk,uk+1,u_{k}, u_{k+1}, \dots a partir de los kk primeros valores, por inducción) y sobreyectiva (defínase unu_n recursivamente a partir de cualesquiera datos iniciales): la dimensión es kk.

7. La demostración del Teorema 3.14 solo usa la identidad de Bézout en C[X]\C[X] y el hecho de que los polinomios en un endomorfismo fijo conmutan. Ninguna de las dos cosas menciona la dimensión del espacio ambiente: el lema vale literalmente para SL(S)S \in \mathcal{L}(\mathcal{S}). Por tanto,

kerP(S)=i=1rker(Sλiid)mi.\ker P(S) = \bigoplus_{i=1}^{r} \ker\,(S - \lambda_i\,\mathrm{id})^{m_i}.

8. Para QC[X]Q \in \C[X], la sucesión (Sλ)(Q(n)λn)n(S - \lambda)\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr)_n tiene término nn-ésimo Q(n+1)λn+1λQ(n)λn=λn+1(ΔQ)(n)Q(n{+}1)\lambda^{n+1} - \lambda Q(n)\lambda^n = \lambda^{n+1}(\Delta Q)(n), con ΔQ=Q(X+1)Q(X)\Delta Q = Q(X{+}1) - Q(X) de grado degQ1\deg Q - 1 (los términos dominantes se cancelan). Iterando, (Sλ)m(Q(n)λn)=(λn+m(ΔmQ)(n))n(S - \lambda)^m\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr) = \bigl(\lambda^{n+m}(\Delta^m Q)(n)\bigr)_n, y ΔmQ=0\Delta^m Q = 0 cuando degQm1\deg Q \leq m - 1: el conjunto del miembro derecho está contenido en el núcleo. Es un subespacio de dimensión mm: las sucesiones (njλn)n(n^j\lambda^n)_n, 0j<m0 \leq j < m, son libres, ya que jcjnjλn=0\sum_j c_j n^j\lambda^n = 0 para todo nn obliga (dividiendo por λn0\lambda^n \neq 0) a que el polinomio jcjXj\sum_j c_jX^j se anule en todo nNn \in \N y por tanto sea nulo. Recíprocamente, dimker(Sλ)mm\dim\ker(S - \lambda)^m \leq m: desarrollando (Sλ)m=j(mj)(λ)mjSj(S - \lambda)^m = \sum_j \binom mj(-\lambda)^{m-j}S^j, la ecuación (Sλ)mu=0(S - \lambda)^m u = 0 es una recurrencia lineal de orden mm (con coeficiente director 11), así que uu queda determinada por u0,,um1u_0, \dots, u_{m-1} como en la pregunta 6. La igualdad de dimensiones concluye.

9. Combinando las preguntas 7 y 8: toda solución se descompone de manera única como suma de elementos de los ker(Sλi)mi\ker(S - \lambda_i)^{m_i}, es decir, un=iQi(n)λinu_n = \sum_i Q_i(n)\lambda_i^n con degQimi1\deg Q_i \leq m_i - 1; los QiQ_i son únicos porque la descomposición es directa y, dentro de cada sumando, los coeficientes de QiQ_i son las coordenadas en la base (njλin)j(n^j\lambda_i^n)_j (pregunta 8). Comprobación de sensatez sobre las dimensiones: imi=k\sum_i m_i = k.

10. P=X24X+4=(X2)2P = X^2 - 4X + 4 = (X - 2)^2: las soluciones son (a+bn)2n(a + bn)2^n. Datos iniciales: a=1a = 1 y 2(a+b)=02(a + b) = 0, luego b=1b = -1:

un=(1n)2n.u_n = (1 - n)\,2^n .

Comprobación: u2=4u14u0=4u_2 = 4u_1 - 4u_0 = -4, y (12)4=4(1 - 2)\cdot4 = -4.

11. Escribamos un=λ1n(c1+i2ci(λi/λ1)n)u_n = \lambda_1^n\bigl(c_1 + \sum_{i\geq2} c_i(\lambda_i/\lambda_1)^n\bigr); cada cociente tiene módulo <1< 1, así que el paréntesis tiende a c10c_1 \neq 0: unc1λ1nu_n \sim c_1\lambda_1^n. En particular un0u_n \neq 0 para nn grande, y

un+1un=λ1c1+o(1)c1+o(1)λ1.\frac{u_{n+1}}{u_n} = \lambda_1\,\frac{c_1 + o(1)}{c_1 + o(1)} \longrightarrow \lambda_1 .

12. Calculemos:

q(an+1,bn+1)=(an+2bn)22(an+bn)2=an2+2bn2=q(an,bn).q(a_{n+1}, b_{n+1}) = (a_n + 2b_n)^2 - 2(a_n + b_n)^2 = -a_n^2 + 2b_n^2 = -q(a_n, b_n).

Con q(a0,b0)=12=1q(a_0, b_0) = 1 - 2 = -1: an22bn2=(1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (-1)^{n+1}. Estructuralmente: q(a,b)=(a2b)(a+2b)q(a, b) = (a - \sqrt2\,b)(a + \sqrt2\,b), y la aplicación lineal MM multiplica el factor a+2ba + \sqrt2 b por 1+21 + \sqrt2 y el factor a2ba - \sqrt2 b por 121 - \sqrt2 (calcúlese: an+1+2bn+1=(1+2)(an+2bn)a_{n+1} + \sqrt2 b_{n+1} = (1 + \sqrt2)(a_n + \sqrt2 b_n)); el producto queda multiplicado en cada paso por (1+2)(12)=1=detM(1 + \sqrt2)(1 - \sqrt2) = -1 = \det M.

13. Como an22bn2=(an2bn)(an+2bn)=(1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (a_n - \sqrt2 b_n)(a_n + \sqrt2 b_n) = (-1)^{n+1},

anbn2=an22bn2bn(an+2bn)=1bn(an+2bn)12bn2,\Bigl|\frac{a_n}{b_n} - \sqrt2\Bigr| = \frac{\abs{a_n^2 - 2b_n^2}}{b_n(a_n + \sqrt2 b_n)} = \frac{1}{b_n(a_n + \sqrt2 b_n)} \leq \frac1{2b_n^2},

usando anbn1a_n \geq b_n \geq 1 (por inducción, ambas crecen), de donde an+2bn(1+2)bn2bna_n + \sqrt2 b_n \geq (1 + \sqrt2)b_n \geq 2b_n. Valores propios de MM: χM=X22X1\chi_M = X^2 - 2X - 1, con raíces 1±21 \pm \sqrt2; como (a0,b0)(a_0, b_0) tiene componente no nula sobre el vector propio dominante (todas sus entradas son positivas), bnc(1+2)nb_n \sim c(1 + \sqrt2)^n con c>0c > 0 (pregunta 11). Por tanto, el error es (1+2)2n=(3+22)n\asymp (1 + \sqrt2)^{-2n} = (3 + 2\sqrt2)^{-n}: decrecimiento geométrico de razón 1/(3+22)=3220.1721/(3 + 2\sqrt2) = 3 - 2\sqrt2 \approx 0.172.

14. (a) De la pregunta 9: uniQi(n)λin(iQi(n))ρn\abs{u_n} \leq \sum_i \abs{Q_i(n)}\abs{\lambda_i}^n \leq \bigl(\sum_i \abs{Q_i(n)}\bigr)\rho^n, y cada Qi(n)Cinmi1Cinm1\abs{Q_i(n)} \leq C_i n^{m_i - 1} \leq C_i n^{m-1} para n1n \geq 1: basta sumar las constantes. (b) Sea ρ=maxi2λi<λ1\rho' = \max_{i \geq 2}\abs{\lambda_i} < \abs{\lambda_1}, d=degQ1d = \deg Q_1 y c0c \neq 0 su coeficiente director. Entonces un=Q1(n)λ1n+Rnu_n = Q_1(n)\lambda_1^n + R_n con RnCnm1ρn\abs{R_n} \leq Cn^{m-1}\rho'^n, y

RnQ1(n)λ1n=O(nm1d(ρ/λ1)n)0\frac{R_n}{Q_1(n)\lambda_1^n} = O\Bigl(n^{m-1-d} \bigl(\rho'/\abs{\lambda_1}\bigr)^n\Bigr) \longrightarrow 0

(lo geométrico gana a lo polinómico). Así pues,

unQ1(n)λ1ncndλ1n,un+1unλ1(pues Q1(n+1)/Q1(n)1).u_n \sim Q_1(n)\,\lambda_1^n \sim c\,n^d\lambda_1^n, \qquad \frac{u_{n+1}}{u_n} \longrightarrow \lambda_1 \quad\text{(pues } Q_1(n{+}1)/Q_1(n) \to 1\text{)}.

Comprobación sobre la pregunta 10: para un=(1n)2nu_n = (1-n)2^n el cociente es

(n)2n+1(1n)2n=2n1n2=λ1.\frac{(-n)2^{n+1}}{(1-n)2^n} = 2\,\frac{-n}{1-n} \longrightarrow 2 = \lambda_1 .

15. Por inducción sobre nn. Para n=1n = 1, AijA_{ij} cuenta los caminos de longitud 11. Paso inductivo: un camino de longitud n+1n + 1 de ii a jj es un camino de longitud nn de ii a algún vértice \ell seguido de una arista j\ell j:

#{caminos}=(An)iAj=(An+1)ij.\#\{\text{caminos}\} = \sum_{\ell} (A^n)_{i\ell}A_{\ell j} = (A^{n+1})_{ij}.

16. J=3ΠJ = 3\Pi, donde Π=J/3\Pi = J/3 es la proyección sobre Vect(1,1,1)\operatorname{Vect}(1,1,1) paralelamente al plano x+y+z=0x + y + z = 0 (Π2=Π\Pi^2 = \Pi porque J2=3JJ^2 = 3J). Entonces A=JI=2Π(IΠ)A = J - I = 2\Pi - (I - \Pi) y, al ser Π\Pi e IΠI - \Pi proyecciones complementarias,

An=2nΠ+(1)n(IΠ),es decir,(An)ij=2n3+(1)n(δij13),A^n = 2^n\,\Pi + (-1)^n (I - \Pi), \qquad\text{es decir,}\qquad (A^n)_{ij} = \frac{2^n}3 + (-1)^n\Bigl(\delta_{ij} - \frac13\Bigr),

lo que da las dos fórmulas del enunciado. Para n=2n = 2: en la diagonal, (4+2)/3=2(4 + 2)/3 = 2 (los caminos iii \to \ell \to i por cada uno de los dos vecinos \ell); fuera de la diagonal, (41)/3=1(4 - 1)/3 = 1 (el único camino iji \to \ell \to j pasando por el tercer vértice).

17. Sean wn(0)w_n^{(0)} y wn(1)w_n^{(1)} el número de palabras admisibles de longitud nn terminadas en 00 y en 11, respectivamente. Al añadir una letra: un 00 puede seguir a cualquier cosa, y un 11 solo a un 00:

(wn+1(0)wn+1(1))=(1110)(wn(0)wn(1)).\begin{pmatrix} w_{n+1}^{(0)}\\ w_{n+1}^{(1)}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix} \begin{pmatrix} w_n^{(0)}\\ w_n^{(1)}\end{pmatrix}.

Sumando, wn+2=wn+1+wnw_{n+2} = w_{n+1} + w_n (o bien: condiciónese sobre la primera letra). Con w1=2w_1 = 2 y w2=3w_2 = 3 resulta wn=Fn+2w_n = F_{n+2} por inducción (F3=2F_3 = 2, F4=3F_4 = 3, misma recurrencia). Crecimiento: las raíces de X2X1X^2 - X - 1 son φ>ψ\varphi > \abs\psi (Ejercicio 3.5) y la componente en φ\varphi es no nula (los wnw_n son positivos y ψn0\psi^n \to 0), así que la pregunta 11 da wn+1/wnφ=1+52w_{n+1}/w_n \to \varphi = \frac{1 + \sqrt5}2.

18. A=(010101010)A = \left(\begin{smallmatrix} 0&1&0\\ 1&0&1\\ 0&1&0\end{smallmatrix}\right). Comprobemos:

A(1,±2,1)T=(±2,2,±2)T=±2(1,±2,1)T,A(1,0,1)T=0:A(1, \pm\sqrt2, 1)^{\mathsf T} = (\pm\sqrt2, 2, \pm\sqrt2)^{\mathsf T} = \pm\sqrt2\,(1, \pm\sqrt2, 1)^{\mathsf T}, \qquad A(1, 0, -1)^{\mathsf T} = 0 :

valores propios 2,2,0\sqrt2, -\sqrt2, 0 (=2cosπ4,2cos3π4,2cosπ2= 2\cos\frac\pi4, 2\cos\frac{3\pi}4, 2\cos\frac\pi2). Descompóngase e1e_1 en la base de vectores propios y léase la tercera coordenada, o úsese la simetría: con v±=(1,±2,1)v_\pm = (1, \pm\sqrt2, 1) y v0=(1,0,1)v_0 = (1, 0, -1) se comprueba que e1=14v++14v+12v0e_1 = \frac14 v_+ + \frac14 v_- + \frac12 v_0, luego para n1n \geq 1

(An)13=(14(2)nv++14(2)nv+0) ⁣3=(2)n+(2)n4,(A^n)_{13} = \Bigl(\tfrac14(\sqrt2)^n v_+ + \tfrac14(-\sqrt2)^n v_- + 0\Bigr)_{\!3} = \frac{(\sqrt2)^n + (-\sqrt2)^n}{4},

que vale cero para nn impar (el grafo es bipartito: los extremos están a distancia par) y 22n/2/4=2n/212\cdot 2^{n/2}/4 = 2^{n/2 - 1} para nn par. Para n=4n = 4: 21=22^{1} = 2, que corresponde a los dos caminos 121231\,2\,1\,2\,3 y 123231\,2\,3\,2\,3.

19. Los caminos cerrados de longitud nn que parten de ii son (An)ii(A^n)_{ii}; sumando sobre ii se obtiene tr(An)\operatorname{tr}(A^n). Trigonalizando AA (sobre C\C), AnA^n es triangular con diagonal λin\lambda_i^n: tr(An)=iλin\operatorname{tr}(A^n) = \sum_i\lambda_i^n. En el triángulo: tr(An)=32n+2(1)n3=2n+2(1)n=2n+(1)n+(1)n\operatorname{tr}(A^n) = 3\,\frac{2^n + 2(-1)^n}3 = 2^n + 2(-1)^n = 2^n + (-1)^n + (-1)^n, correspondiente al espectro {2,1,1}\{2, -1, -1\}, en coherencia con la pregunta 16.

20. Las columnas de WTW^{\mathsf T}: WTei=ei1W^{\mathsf T}e_i = e_{i-1} para i1i \geq 1 y WTe0=ek1W^{\mathsf T}e_0 = e_{k-1}; reetiquetando en el orden e0,e1,e_0, e_1, \dots, esto es exactamente la matriz compañera de Xk1X^k - 1 (a0=1a_0 = 1 y los demás am=0a_m = 0). Por la pregunta 2, χW=χWT=Xk1=μW\chi_{W} = \chi_{W^{\mathsf T}} = X^k - 1 = \mu_{W}. Las raíces ωj\omega^j (j=0,,k1j = 0, \dots, k-1) son las kk raíces kk-ésimas distintas de la unidad: WW es diagonalizable (pregunta 3, o Ejercicio 3.8: Wk=IW^k = I). Vectores propios: Wfj=mωjmem+1=mωj(m1)em=ωjfjWf_j = \sum_m \omega^{-jm}e_{m+1} = \sum_{m'}\omega^{-j(m'-1)}e_{m'} = \omega^j f_j.

21. Las circulantes son polinomios en WW, y los polinomios en una matriz fija conmutan entre sí. Cada fjf_j es vector propio de toda potencia: Wmfj=ωjmfjW^m f_j = \omega^{jm}f_j, luego

Cfj=mcmωjmfj=c^(ωj)fj:Cf_j = \sum_m c_m\omega^{jm} f_j = \widehat c(\omega^j)\,f_j :

la base (f0,,fk1)(f_0, \dots, f_{k-1}) (libre: Vandermonde en los ωj\omega^{-j} distintos, Ejercicio 2.11) diagonaliza todas las circulantes a la vez, con los valores propios indicados.

22. El determinante es el producto de los valores propios (diagonalícese): detC=jc^(ωj)\det C = \prod_{j}\widehat c(\omega^j). Para k=3k = 3, con c0=ac_0 = a, c1=bc_1 = b, c2=cc_2 = c y ω=j=e2iπ/3\omega = j = \eu^{2\iu\pi/3}:

detC=(a+b+c)(a+bj+cj2)(a+bj2+cj4),\det C = (a + b + c)(a + bj + cj^2)(a + bj^2 + cj^4),

y j4=jj^4 = j: exactamente la factorización del Ejercicio 2.8.

23. M=12(W+W1)M = \frac12(W + W^{-1}) es una circulante (W1=Wk1W^{-1} = W^{k-1}), con valores propios 12(ωj+ωj)=cos2πjk\frac12(\omega^j + \omega^{-j}) = \cos\frac{2\pi j}k sobre la misma base fjf_j. Coordenadas: escribamos x(0)=jαjfjx^{(0)} = \sum_j \alpha_j f_j. Las coordenadas de fjf_j suman mωjm\sum_m \omega^{-jm}, que vale kk para j=0j = 0 y 00 en los demás casos (suma geométrica de razón ωj1\omega^{-j} \neq 1). Sumando las coordenadas de x(0)x^{(0)}: mxm(0)=α0k\sum_m x^{(0)}_m = \alpha_0\,k, luego α0=1kmxm(0)\alpha_0 = \frac1k\sum_m x^{(0)}_m, la media.

24. x(n)=Mnx(0)=jαjcosn(2πjk)fjx^{(n)} = M^nx^{(0)} = \sum_j \alpha_j\cos^n\bigl(\tfrac{2\pi j}k\bigr)f_j. Para kk impar, cos(2πj/k)<1\abs{\cos(2\pi j/k)} < 1 para todo j0j \neq 0 (el ángulo nunca vale 00 ni π\pi), luego todos los términos salvo el de j=0j = 0 tienden a 00: x(n)α0f0x^{(n)} \to \alpha_0 f_0, el vector constante igual a la media; promediar en un anillo impar iguala. Para k=4k = 4 los valores propios son 1,0,1,01, 0, -1, 0: el término j=2j = 2, α2(1)nf2\alpha_2(-1)^nf_2 con f2=(1,1,1,1)Tf_2 = (1, -1, 1, -1)^{\mathsf T}, oscila indefinidamente. La obstrucción es la media alternada: multiplicando las coordenadas de x(0)x^{(0)} por (1)m(-1)^m y sumando, el mismo cálculo de suma geométrica da m(1)mxm(0)=4α2\sum_m (-1)^mx^{(0)}_m = 4\alpha_2; el proceso converge si y solo si x0(0)x1(0)+x2(0)x3(0)=0x^{(0)}_0 - x^{(0)}_1 + x^{(0)}_2 - x^{(0)}_3 = 0, y entonces converge a la media.

25. La matriz compañera convierte una recurrencia escalar de orden kk en una recurrencia vectorial de primer orden, de modo que las fórmulas cerradas pasan a ser enunciados sobre CnC^n, terreno propio de la reducción (preguntas 1–5). El lema de descomposición en núcleos es álgebra polinómica pura (Bézout más conmutación), así que parte kerP(S)\ker P(S) aunque S\mathcal{S} tenga dimensión infinita (preguntas 7–9). Los valores propios dominantes gobiernan el crecimiento porque cualquier otra contribución es geométricamente despreciable tras normalizar, y esa es también la razón de que el error de Pell decrezca como el cuadrado de la raíz dominante (preguntas 11–14). Las potencias de la matriz de adyacencia cuentan caminos porque la multiplicación de matrices suma sobre los vértices intermedios, de modo que los espectros cuentan caminos cerrados (preguntas 15–19). Las matrices que conmutan comparten una base de vectores propios, y entonces una única base de Fourier diagonaliza de un golpe toda el álgebra de las circulantes (preguntas 20–24). Cumbres: el teorema fundamental de las recurrencias lineales (pregunta 9); y, para las matrices no negativas, la razón de que raíces dominantes como φ\varphi o 1+21 + \sqrt2 sean automáticamente reales, positivas y simples es el teorema de Perron–Frobenius, demostrado en el volumen del tercer año.

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