Matematika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2
3Reduksi Endomorfisma
Untuk memahami sebuah endomorfisma, carilah arah yang sekadar diregangkannya. Bab ini membangun perkakasnya — nilai eigen, polinomial karakteristik dan polinomial minimal, lema penguraian kernel — beserta ganjarannya: kriteria diagonalisasi dan trigonalisasi, Cayley–Hamilton, penguraian Dunford, serta perhitungan pangkat dan eksponensial yang kelak menjadi santapan Bab 16. Di sepanjang bab ini, adalah ruang vektor atas yang berdimensi hingga ( atau ) dan , .
3.1 Nilai eigen dan vektor eigen
Definisi 3.1
disebut nilai eigen bagi apabila untuk suatu (vektor semacam itu disebut vektor eigen); ruang eigennya adalah . Himpunan semua nilai eigen disebut spektrum . Sebuah subruang disebut stabil apabila ; ruang eigen bersifat stabil, dan subruang stabil memungkinkan endomorfisma imbasan .
Teorema 3.2 (Kebebasan ruang eigen)
Vektor eigen yang berkaitan dengan nilai eigen yang berbeda sepasang demi sepasang membentuk keluarga bebas; setara dengan itu, jumlah ruang eigen (dengan yang berbeda) bersifat langsung. Khususnya punya paling banyak nilai eigen.
Bukti. Dengan induksi pada . Andaikan dengan , sedangkan pernyataannya sudah diketahui untuk . Terapkan lalu kurangkan kali kaitan itu:
jadi menurut induksi setiap , yakni untuk , lalu . Jumlah langsung atas ruang tak nol di dalam ruang berdimensi paling banyak punya suku. ∎
Definisi 3.3 (Polinomial karakteristik)
— yang dihitung pada basis mana pun sebagai , sebuah polinomial monik berderajat yang awet terhadap keserupaan (Teorema 2.17). Akarnya di persis semua nilai eigen ( nilai eigen tidak injektif ), dan
Multiplisitas aljabar sebuah nilai eigen adalah multiplisitasnya sebagai akar ; sedangkan multiplisitas geometrik adalah , dan .
Bukti fakta yang dinyatakan. Tentang koefisiennya: uraikan dengan rumus permutasi; permutasi identitas menyumbang , sedangkan setiap permutasi lain membiarkan tetap paling banyak kedudukan diagonal, sehingga menyumbang derajat : jadi dua koefisien teratasnya seperti dinyatakan; lalu memberi suku tetap .
Geometrik aljabar: misalkan lalu lengkapi basis menjadi basis ; matriks menjadi segitiga atas berblok dengan blok kiri atas , sehingga : jadi multiplisitas sedikitnya . ∎
Contoh 3.4 ( yang sama, geometri yang berbeda)
Kedua matriks
berbagi polinomial karakteristik , trace, determinan, dan spektrum — namun keduanya tidak serupa: yang pertama punya berdimensi (multiplisitas geometrik ), yang kedua berdimensi . Polinomial karakteristik hanya melihat multiplisitas aljabar; dimensi ruang eigen adalah invarian yang lebih halus, dan polinomial minimal yang memutuskan ( lawan ). Pelajaran bagi semua pembahasan tentang keterdiagonalan: menyaring calonnya, tetapi kernel yang memberikan suara.
Definisi 3.5 (Dapat didiagonalkan, dapat ditrigonalkan)
disebut dapat didiagonalkan apabila punya basis berisi vektor eigen (untuk matriks: serupa dengan matriks diagonal); dan dapat ditrigonalkan apabila matriksnya pada suatu basis berupa segitiga atas.
Teorema 3.6 (Kriteria keterdiagonalan)
Pernyataan berikut setara:
- dapat didiagonalkan;
- ;
- terurai lengkap atas dan untuk setiap nilai eigen;
- (syarat cukup, bukan syarat perlu) punya akar berbeda di .
Bukti. (1 2): sebuah basis berisi vektor eigen tersortir menjadi basis tiap , dan sebaliknya menyambung basis suku-suku jumlah langsungnya memberi basis (Teorema 3.2 membuat jumlahnya langsung; kesamaan dimensi membuatnya seluruh ruang).
(2 3): pada basis diagonalnya, terurai lengkap dengan multiplisitas yang cocok. Sebaliknya, andaikan terurai lengkap dengan di mana-mana; maka jumlah langsung ruang eigennya (langsung menurut Teorema 3.2) berdimensi
sebab kesamaan di tengah berlaku karena derajat polinomial yang terurai lengkap sama dengan jumlah multiplisitas akarnya: jadi jumlahnya seluruh . Perhatikan tempat tiap hipotesis bekerja: keteruraiannya mengisi derajatnya, kesamaan multiplisitasnya mengisi dimensinya.
(4 1): nilai eigen yang berbeda memberi vektor eigen yang bebas (Teorema 3.2), yakni sebuah basis. ∎
Metode 3.7 (Memutuskan keterdiagonalan)
Dalam praktik, ujilah dengan urutan berikut — tiap langkahnya bisa saja langsung merampungkan pekerjaan. (1) Adakah polinomial penganihilasi berakar sederhana dan terurai lengkap yang langsung tampak (, , )? Jika ada: dapat didiagonalkan, tanpa perhitungan (Akibat 3.17 di bawah). (2) Hitung ; jika ia punya akar berbeda di : dapat didiagonalkan (Teorema 3.6 (4)). (3) Jika tidak, hanya untuk tiap akar berulang , bandingkan dengan multiplisitas : kekurangan sekecil apa pun mematikan keterdiagonalannya, sedangkan kesamaan di mana-mana membuktikannya. Jangan pernah menghitung ruang eigen akar sederhana (dimensinya sudah pasti ), dan jangan pernah mentrigonalkan hanya untuk memutuskan.
Contoh 3.8 (Diagonalisasi dalam kerja)
Ambil , dengan matriks yang semua unsurnya satu: dari (Contoh 2.19) diperoleh , dengan ruang eigen dan bidang : dimensinya , jadi dapat didiagonalkan (Teorema 3.6 (2)). Pangkatnya pun terhitung tanpa matriks pergantian basis: dengan sebagai proyektor pada ,
(Periksa : .) Pelajaran penutupnya: ketika ruang eigennya kasatmata, proyektor spektral menghitung pangkat lebih cepat daripada mana pun — dan rumusnya memperlihatkan dinamikanya: tumbuh seperti sepanjang dan diam saja pada bidang ortogonalnya.
Teorema 3.9 (Trigonalisasi)
dapat ditrigonalkan atas bila dan hanya bila terurai lengkap atas . Khususnya setiap endomorfisma ruang vektor atas dapat ditrigonalkan.
Bukti. () Polinomial karakteristik sebuah matriks segitiga adalah : terurai lengkap.
() Induksi pada . Karena terurai lengkap, ia punya akar : pilihlah vektor eigen . Pada basis yang diawali , matriksnya menjadi , dan : jadi pun terurai lengkap. Menurut hipotesis induksi yang diterapkan pada matriks berukuran , yakni , ada berinvers dengan segitiga atas; mengonjugasikan seluruh matriks itu dengan membuatnya segitiga. ∎
Contoh 3.10 (Mentrigonalkan dengan tangan)
Ambil : di sini , dan adalah garis yang direntang : satu nilai eigen dengan ruang eigen berdimensi satu — jadi tidak dapat didiagonalkan, tetapi dapat ditrigonalkan (Teorema 3.9). Lengkapi basisnya dengan lalu hitung:
sehingga pada basis matriksnya menjadi . Pelajaran penutupnya: diagonal sudah terpaksa (kedua unsurnya wajib berupa nilai eigen ganda ); hanya unsur pojoknya yang bergantung pada pilihan , dan menskalakan dapat membuatnya bernilai tak nol apa pun — “” yang membandel itu adalah bayangan bagian nilpoten yang kelak dipisahkan Dunford.
3.2 Polinomial sebuah endomorfisma
Definisi 3.11
Untuk , tetapkan . Pemetaan adalah morfisma aljabar (Definisi 1.33); kernelnya merupakan ideal yang tak nol (sebab keluarga saling terkait di dalam ruang berdimensi , yaitu ), jadi ia dibangun oleh sebuah polinomial monik tunggal : itulah polinomial minimal (Teorema 1.26).
Proposisi 3.12
- ; nilai eigen adalah akar setiap polinomial penganihilasi, dan akar persis semua nilai eigen.
- Jika stabil, maka .
Bukti. (1) Keterbagiannya tak lain definisi sebuah pembangun. Jika dengan , maka , jadi : nilai eigen adalah akar polinomial penganihilasi, khususnya akar . Sebaliknya, jika sebuah akar, maka dengan (sebab derajat minimal): pilih dengan ; maka memperlihatkan vektor eigen .
(2) Kita punya , lalu terapkan (1) pada . ∎
Contoh 3.13 (Polinomial minimal yang dicari dengan tangan)
Polinomial minimal dihitung dengan menguji derajat berturut-turut. Untuk matriks yang semua unsurnya satu: (jadi derajat tersingkir), dan , sehingga
derajatnya , terurai lengkap, berakar sederhana — jadi dapat didiagonalkan dengan spektrum (Akibat 3.17 di bawah), yang menegaskan Contoh 2.19 tanpa satu pun determinan. Untuk matriks penukar pada Contoh 3.15: dari dan diperoleh . Pada kedua kasus polanya sama: tebaklah kesamaan berderajat rendah dari strukturnya (rank satu memaksa ; sebuah involusi memaksa ), lalu periksa bahwa tak ada pembagi sejatinya yang menganihilasi. Polinomial minimal biasanya ditemukan, bukan dihitung dari .
Teorema 3.14 (Lema penguraian kernel)
Jika dengan saling prima sepasang demi sepasang, maka
dan proyeksi pada tiap sukunya berupa polinomial dalam .
Bukti. Cukuplah menangani lalu berinduksi. Bézout di (Teorema 1.26) memberi , sehingga untuk setiap ,
Jika : maka (polinomial dalam saling komutatif), jadi , dan setangkup dengan itu : jadi jumlahnya mengisi ; kedua sukunya berada di dalam (sebab ). Kelangsungannya: memberi . Rumus untuk tadi memperlihatkan proyeksinya sebagai dan . ∎
Contoh 3.15 (Lema kernel dengan proyektor yang gamblang)
Misalkan (yang menukar dua koordinat pertama). Maka : polinomial menganihilasi , faktornya saling prima, dan Bézout-nya gamblang:
Dengan mengikuti bukti Teorema 3.14, proyeksi pada dan adalah polinomial dalam berikut:
Periksa: , , , dan petanya adalah bidang (vektor setangkup, bernilai eigen ) dan garis (antisetangkup, bernilai eigen ). Lema kernel bukan sekadar pernyataan keberadaan: koefisien Bézout adalah rumus proyektornya.
Contoh 3.16 (Proyektor menghitung eksponensial juga)
Matriks penukar yang sama, satu panen lebih jauh. Karena dengan proyektor yang ortogonal dalam arti aljabar (), setiap pangkatnya menuruti , dan deret eksponensialnya berkelompok menurut proyektor:
(Periksa : identitasnya; turunan di : .) Penguraian eigen mengubah deret matriks menjadi dua deret skalar — dan itu persis mekanisme yang kelak dijalankan Bab 16 pada setiap sistem yang dapat didiagonalkan, sekaligus alasan mengapa fungsi hiperbolik menguasai kopling yang setangkup.
Akibat 3.17 (Keterdiagonalan lewat polinomial minimal)
dapat didiagonalkan terurai lengkap atas dengan akar sederhana ada polinomial penganihilasi yang terurai lengkap dengan akar sederhana.
Bukti. Jika dengan ( berbeda), maka lemanya memberi : yakni jumlah langsung ruang eigen, jadi dapat didiagonalkan (Teorema 3.6). Sebaliknya, yang dapat didiagonalkan ditolkan oleh (yang menolkan tiap ruang eigen), dan polinomial itu terurai lengkap dengan akar sederhana; sedangkan membaginya sambil berakar sama (Proposisi 3.12): jadi tepat sama dengan hasil kali itu. ∎
Contoh 3.18
Proyeksi memenuhi : ditolkan oleh yang terurai lengkap dengan akar sederhana — jadi dapat didiagonalkan dengan spektrum , dan : itulah telaah geometrik Tahun ke-1, yang dibuktikan ulang dalam satu baris. Simetri (, dengan penganihilasi ) dapat didiagonalkan bila , dengan spektrum . Adapun endomorfisma dengan dan ditolkan oleh , dan tidak harus dapat didiagonalkan — kriterianya mendeteksi hal itu (akar ganda wajib diuji: dapat didiagonalkan bila dan hanya bila lagi-lagi ).
Contoh 3.19 (Lapangannya yang memutuskan: sebuah rotasi di )
Misalkan perputaran seperempat mengelilingi sumbu :
Atas : satu-satunya nilai eigennya , dengan ruang eigen berupa sumbu — satu garis vektor tetap, dan tanpa reduksi lebih jauh: tidak dapat didiagonalkan maupun ditrigonalkan di (sebab tidak terurai lengkap). Atas : ada tiga nilai eigen berbeda , jadi dapat didiagonalkan, dengan vektor eigen dan . Geometrinya terdengar di dalam aljabarnya: rotasi pada bidang tidak punya arah invarian yang real, dan nilai eigen kompleks yang bermodulus menyimpan sudut () yang hanya dapat diungkapkan matriks realnya lewat pencampuran koordinat.
Contoh 3.20 (Minimal lawan karakteristik)
Untuk : tetapi , sebab (periksa pada basis kanoniknya) sementara tak satu pun faktornya sendiri menolkan . Untuk blok geser , yakni : di sini dan — akar gandanya sungguh diperlukan karena tidak dapat didiagonalkan di sisi -nya (). Pedoman praktis: dan berakar sama (Proposisi 3.12); multiplisitas pada menakar besarnya blok nilpoten terbesar, sedangkan yang pada menakar dimensi total subruang karakteristiknya.
Teorema 3.21 (Cayley–Hamilton)
; akibatnya , dan .
Bukti. Tetapkan lalu misalkan terbesar sehingga bebas; tulis
lalu tetapkan , sehingga . Lengkapi keluarga bebas itu menjadi basis : pada basis itu berbentuk blok dengan matriks pendamping , yang polinomial karakteristiknya adalah (uraikan sepanjang kolom pertama, dengan induksi pada ). Karenanya , dan
Hujah itu berlaku untuk setiap : jadi . ∎
Contoh 3.22 (Cayley–Hamilton dalam kerja)
Untuk : , jadi . Setiap pangkat menyusut menjadi kombinasi dan :
dan inversnya diperoleh cuma-cuma: dari ,
Pelajaran penutupnya: Cayley–Hamilton memampatkan seluruh aljabar menjadi — , sebesar apa pun pangkat yang diperlukan.
Catatan 3.23 (Jebakan yang sering muncul)
(i) Nilai eigen tidak menjumlah: bukan , dan jumlah dua matriks yang dapat didiagonalkan belum tentu dapat didiagonalkan — adalah jumlah dua matriks yang dapat didiagonalkan (masing-masing bernilai eigen berbeda) dan hasilnya tidak dapat didiagonalkan; hanya keluarga yang komutatif yang berkelakuan baik (Latihan 3.9). (ii) “ terurai lengkap” adalah hipotesis tentang lapangannya: rotasi bidang punya , yang terurai lengkap atas tetapi tidak atas — jadi dapat didiagonalkan di , tidak dapat ditrigonalkan di . (iii) Ketaksamaannya berjalan geometrik aljabar, tak pernah sebaliknya; menguji saja tidak membuktikan apa pun tentang keterdiagonalan. (iv) bukan : keduanya sama persis ketika tiap nilai eigen punya satu rantai blok tunggal (misalnya matriks pendamping, lihat soal akhir pekan bab ini); memakai di tempat diperlukan hanya menggelembungkan setiap perhitungan pangkat. (v) Adapun dan milik Dunford berupa polinomial dalam — penguraian yang bersifat benar tetapi bukanlah Dunford dan tak pernah tunggal.
Catatan 3.24 (Di mana bab ini dipakai)
Reduksi adalah kuda beban bagi sisa buku ini: pangkat dan eksponensial matriks menggerakkan sistem persamaan diferensial linear pada Bab 16; teorema spektral pada Bab 12 tak lain diagonalisasi yang dibuat ortogonal; fungsi pembangkit (Bab 23) menurunkan ulang asimtotik rekurensi pada soal akhir pekan bab ini secara analitis. Pada jilid Tahun ke-3 program yang sama berjalan dalam dimensi tak hingga: teori spektral atas operator kompak yang swa-adjoin, tempat barisan nilai eigen menggantikan spektrum hingga, dan teori Perron–Frobenius atas matriks positif, yang menjelaskan mengapa nilai eigen dominan pada masalah pencacahan selalu positif dan sederhana.
3.3 Nilpoten dan penguraian Dunford
Proposisi 3.25 (Endomorfisma nilpoten)
Untuk yang -nya terurai lengkap, pernyataan berikut setara: ; untuk suatu ; ; ; dapat ditrigonalkan dengan diagonal nol. Endomorfisma nilpoten punya , dengan indeks .
Bukti. Dari setiap nilai eigen menjadi akar : jadi spektrumnya (tak kosong ketika terurai lengkap — atas selalu demikian). Maka (semua akarnya nol) dan Cayley–Hamilton memberi ; sedangkan trigonalisasi (Teorema 3.9) menaruh nol pada diagonalnya (sebab diagonal mengusung nilai eigennya). Sebaliknya, misalkan segitiga atas tegas: untuk . Kita tunjukkan secara induktif bahwa
yakni tiap pangkatnya mendorong daerah nolnya satu diagonal lebih tinggi. Untuk inilah hipotesisnya. Adapun langkah induksinya,
dan tiap sukunya lenyap: entah (faktor pertamanya menurut induksi) atau , dan dalam hal itu menolkan faktor keduanya. Pada syarat berlaku untuk setiap : jadi . Polinomial minimalnya membagi dan penolkannya mendefinisikan indeksnya. ∎
Teorema 3.26 (Penguraian Dunford)
Andaikan terurai lengkap atas (yang otomatis untuk ). Maka ada tepat satu pasangan dengan
dan lebih lanjut dan berupa polinomial dalam .
Bukti. Keberadaan. Tulis (dengan berbeda) lalu tetapkan , yaitu subruang karakteristiknya. Menurut Cayley–Hamilton dan lema kernel (Teorema 3.14),
dengan proyeksi berupa polinomial dalam ; tiap bersifat stabil (polinomial dalam komutatif dengan ). Tetapkan : sebuah polinomial dalam yang dapat didiagonalkan (ia bekerja sebagai pada , jadi terurai menjadi ruang eigennya). Maka juga polinomial dalam (sehingga komutatif dengan ), dan pada tiap ia bekerja sebagai dengan di sana: jadi pada tiap suku, sehingga nilpoten.
Ketunggalan. Misalkan pasangan lain yang seperti itu. Karena dan saling komutatif, keduanya komutatif dengan , jadi komutatif dengan setiap polinomial dalam — khususnya dengan dan . Maka dapat didiagonalkan (dua pemetaan komutatif yang dapat didiagonalkan dapat didiagonalkan serentak: Latihan 3.9) dan sama dengan , yang nilpoten: jika dan , kekomutatifannya mengizinkan penguraian binomial
yang di dalamnya setiap suku mati: entah (faktor pertamanya nol) atau (faktor keduanya nol), dan salah satu dari keduanya selalu berlaku. Sedangkan nilpoten yang dapat didiagonalkan pastilah nol (spektrumnya dan ia diagonal pada suatu basis): jadi dan . ∎
Contoh 3.27 (Pangkat dan eksponensial)
Untuk : , satu nilai eigen , dengan ruang eigen berdimensi : jadi tidak dapat didiagonalkan. Dunford: , , . Maka
berturut-turut menurut teorema binomial untuk unsur komutatif dan menurut deret eksponensial (Bab 16) yang terpecah pada suku komutatif. Reduksi mengubah dinamika matriks menjadi dinamika skalar.
Catatan 3.28 (Pandangan ke depan di dalam jilid ini)
Reduksi adalah simpul; berikut empat jari-jari yang perlu disimak. Pada Bab 5, norma yang diselaraskan mengubah “semua nilai eigen bermodulus ” menjadi “suatu norma operator ”, sehingga spektrum menguasai kekonvergenan pangkat dan deret. Pada Bab 16, resep pada Contoh 3.27 menjadi penyelesaian umum : Dunford memecah menjadi blok berupa polinomial dikali eksponensial, dan kestabilannya terbaca dari bagian real nilai eigennya. Pada Bab 12, sebuah hasil kali skalar memaksa apa yang tak sanggup dipaksa aljabar linear semata: matriks setangkup menjadi dapat didiagonalkan secara ortogonal, tanpa bagian nilpoten sama sekali. Dan pada Bab 23, asimtotik nilai eigen dominan pada soal akhir pekan bab ini muncul kembali secara analitis, sebagai singularitas terkecil sebuah fungsi pembangkit — dua bahasa untuk satu laju tumbuh.
3.4 Latihan
Latihan 3.1 ★
Diagonalkan (nilai eigen, basis ruang eigen, matriks berinvers ):
Solusi
Solusi Latihan 3.1.
: . Vektor eigennya: untuk : ; untuk : . Jadi memberi .
dengan matriks yang semua unsurnya satu. Matriks berank dengan untuk dan pada bidang : jadi spektrum adalah dengan ruang eigen (berdimensi ) dan (berdimensi , dengan basis ). Maka yang berkolomkan ketiganya memberi .
Latihan 3.2 ★
Tunjukkan bahwa tidak dapat didiagonalkan, dengan dua cara: lewat ruang eigen, dan lewat polinomial minimal.
Solusi
Solusi Latihan 3.2.
Lewat ruang eigen: , dengan satu nilai eigen ; adalah garis , berdimensi , jadi tidak dapat didiagonalkan (Teorema 3.6).
Lewat polinomial minimal: membagi dan , jadi : akarnya ganda, sehingga tidak dapat didiagonalkan (Akibat 3.17).
Latihan 3.3 ★
Misalkan memenuhi . Buktikan bahwa dapat didiagonalkan, tentukan spektrum yang mungkin, lalu hitung sebagai kombinasi dan .
Solusi
Solusi Latihan 3.3.
: terurai lengkap dengan akar sederhana, jadi dapat didiagonalkan (Akibat 3.17), dengan . Spektrum yang mungkin: (yaitu ), (yaitu ), atau .
Pangkatnya: carilah . Pada ruang eigennya, syarat itu berbunyi dan ; setelah diselesaikan, dan :
(Berlaku untuk ketiga spektrumnya: kesamaannya berlaku nilai eigen demi nilai eigen.)
Latihan 3.4 ★★
Misalkan dapat didiagonalkan dan subruang yang stabil. Buktikan bahwa dapat didiagonalkan (batasi sebuah polinomial penganihilasi yang terurai lengkap dengan akar sederhana).
Solusi
Solusi Latihan 3.4.
Karena dapat didiagonalkan, atas spektrumnya menganihilasi , terurai lengkap, dan berakar sederhana. Maka : pembatasannya dianihilasi oleh polinomial terurai lengkap yang berakar sederhana, jadi ia dapat didiagonalkan (Akibat 3.17).
Latihan 3.5 ★★
(Fibonacci) Misalkan . Diagonalkan atas , lalu turunkan rumus Binet untuk barisan Fibonacci (, , ):
Solusi
Solusi Latihan 3.5.
Di sini , dengan akar dan yang berbeda: jadi dapat didiagonalkan, dengan vektor eigen dan . Rekurensinya memberi . Uraikan pada vektor eigennya: dengan . Menerapkan mengalikan tiap komponen eigennya dengan pangkat ke- nilai eigennya; setelah koordinat keduanya dibaca:
(Periksa: memberi .)
Latihan 3.6 ★★
Misalkan dengan dapat didiagonalkan dan punya invers (). Buktikan bahwa dapat didiagonalkan. Berilah contoh penyangkal ketika tidak punya invers.
Solusi
Solusi Latihan 3.6.
Misalkan menganihilasi , terurai lengkap dengan akar sederhana (yaitu spektrum ). Karena punya invers, bukan nilai eigen (sebab ), jadi semua . Maka
menganihilasi : . Akarnya (yakni akar kuadrat kompleks) berbeda sepasang demi sepasang karena berbeda dan tak nol (sebab akan memberi ). Terurai lengkap dan berakar sederhana: jadi dapat didiagonalkan.
Contoh penyangkal tanpa keterbalikan: : di sini dapat didiagonalkan, tidak.
Latihan 3.7 ★★
Hitung penguraian Dunford, , dan untuk
Solusi
Solusi Latihan 3.7.
dengan geseran (, ), , : inilah tepat penguraian Dunfordnya ( diagonal, nilpoten, dan keduanya komutatif; ketunggalannya menjadikannya satu-satunya). Binomial atas suku yang komutatif memberi
Latihan 3.8 ★★
Misalkan dengan untuk suatu . Buktikan bahwa dapat didiagonalkan dan nilai eigennya adalah akar ke- dari satu. Turunkan bahwa matriks kompleks berinvers dan berorde hingga yang serupa dengan matriks segitiga berdiagonal satu adalah identitas.
Solusi
Solusi Latihan 3.8.
menganihilasi dan terurai lengkap atas dengan akar berbeda : jadi dapat didiagonalkan (Akibat 3.17) dan nilai eigennya, sebagai akar , adalah akar ke- dari satu.
Jika lagi-lagi serupa dengan matriks segitiga berdiagonal satu: semua nilai eigennya sama dengan , dan yang dapat didiagonalkan dengan nilai eigen tunggal pastilah .
Latihan 3.9 ★★★
(Diagonalisasi serentak) Misalkan dapat didiagonalkan dan saling komutatif. Buktikan bahwa keduanya dapat didiagonalkan serentak: ada basis yang mendiagonalkan keduanya. (Tiap ruang eigen stabil terhadap ; diagonalkan pembatasan di sana, dengan memakai Latihan 3.4.)
Solusi
Solusi Latihan 3.9.
Tulis (Teorema 3.6). Tiap stabil terhadap : untuk berlaku . Pembatasan pada dapat didiagonalkan (Latihan 3.4): pilihlah basis yang terdiri atas vektor eigen . Menyambung basis-basis itu atas semua memberi basis yang vektornya adalah vektor eigen bagi keduanya, yakni (lewat keanggotaan di ) dan (menurut konstruksinya).
Latihan 3.10 ★★★
Misalkan . Buktikan bahwa dapat didiagonalkan bila dan hanya bila setiap subruang yang stabil terhadap punya subruang pelengkap yang juga stabil terhadap . (Untuk : terapkan sifat itu pada , jumlah semua ruang eigen; jika pelengkap stabil tak nol, mentrigonalkan akan menghasilkan vektor eigen di dalam — yang bertentangan dengan .)
Solusi
Solusi Latihan 3.10.
() Misalkan dapat didiagonalkan dan stabil. Maka dapat didiagonalkan (Latihan 3.4): jadi punya basis berisi vektor eigen, yang di dalam tiap ruang eigen global dapat diperluas menjadi basis (lewat teorema basis tak lengkap di dalam , berawal dari bagian basis yang terletak di sana — perhatikan sebab dapat didiagonalkan). Vektor yang ditambahkan tadi merentang pelengkap yang stabil (masing-masing terletak di suatu , jadi rentangnya stabil terhadap ).
() Misalkan (sebuah subruang stabil) dan pelengkapnya yang stabil. Jika , maka terurai lengkap atas , sehingga punya vektor eigen (Teorema 3.9, atau langsung lewat keberadaan akarnya); tetapi setiap vektor eigen terletak di , jadi : kontradiksi. Karenanya dan : ruang eigennya mengisi , yakni dapat didiagonalkan.
Latihan 3.11 ★★★
(Jari-jari spektral ala Gelfand ringan, cicipan analisis pada ) Misalkan dengan kedua nilai eigennya bermodulus . Buktikan bahwa unsur demi unsur ketika . (Trigonalkan: dengan segitiga atas; hitung secara gamblang — bedakan nilai eigen yang sama dan yang berbeda — lalu batasi.)
Solusi
Solusi Latihan 3.11.
Trigonalkan: , , dengan . Maka , sehingga cukuplah menunjukkan .
Nilai eigen berbeda: induksi memberi
dan tiap unsurnya menuju (sebab ).
Nilai eigen sama (): di sini dan ; unsur karena (geometri mengalahkan polinomial). Pada kedua kasusnya unsur demi unsur, sehingga (perkalian matriks oleh yang tetap bersifat kontinu pada unsurnya — tiap unsur hasil kalinya adalah kombinasi linear yang tetap).
Latihan 3.12 ★★
Misalkan dengan (). Tunjukkan bahwa , dan bahwa dapat didiagonalkan bila dan hanya bila . (Ingat kembali dari Latihan 2.5 bahwa .)
Solusi
Solusi Latihan 3.12.
Kernel berdimensi (rank–nulitas), jadi adalah nilai eigen bermultiplisitas geometrik , dan habis dibagi (Definisi 3.3: geometrik aljabar). Tulis ; karena koefisien adalah , diperoleh , yakni .
Jika : nilai eigen adalah akar , jadi ia mengusung vektor eigen; ruang eigen untuk dan untuk berdimensi dan , yang berjumlah : keduanya mengisi , sehingga dapat didiagonalkan (Teorema 3.6). Jika : menurut Latihan 2.5, padahal , jadi nilpoten tak nol, sedangkan nilpoten yang dapat didiagonalkan pastilah nol (Proposisi 3.25): jadi tidak dapat didiagonalkan.
3.5 Soal: Rekurensi Linear dan Matriks Pendamping
Rekurensi linear tak lain pangkat matriks yang menyamar, dan reduksi mengubahnya menjadi rumus tertutup, laju tumbuh, dan taksiran galat. Soal akhir pekan ini mengembangkan kamusnya — matriks pendamping di satu sisi, operator geser pada ruang barisan di sisi lain — membuktikan teorema dasar rekurensi linear (penyelesaian umumnya atas akar polinomial karakteristiknya), lalu membelanjakan panennya untuk penghampiran Diophantus atas , untuk pencacahan jalan dan kata, serta untuk sebuah cincin barisan berkopling yang hanya dapat diurai oleh diagonalisasi serentak.
Soal 3.1
Soal akhir pekan — teorema dasar rekurensi linear
Tetapkan , skalar dengan , polinomial monik , dan rekurensi
Matriks pendamping bagi adalah
Bagian I — Kamus pendamping.
- Tunjukkan bahwa sebuah barisan memenuhi bila dan hanya bila vektor memenuhi , sehingga .
- Buktikan bahwa (uraikan sepanjang kolom pertama lalu berinduksi pada ), lalu bahwa juga (beralihlah ke , yang -nya siklik, dan perhatikan bahwa sebuah matriks dan transposnya punya polinomial minimal yang sama).
- Tunjukkan bahwa untuk tiap akar pada , vektor merentang ruang eigen bagi ; lalu turunkan bahwa setiap ruang eigen berdimensi , dan bahwa dapat didiagonalkan bila dan hanya bila punya akar yang berbeda.
- Andaikan punya akar berbeda . Tunjukkan bahwa barisan geometri membentuk basis ruang penyelesaian , sehingga setiap penyelesaiannya berbentuk untuk konstanta yang tunggal.
- Selesaikan seluruhnya: , , .
Bagian II — Operator geser dan teorema dasarnya. Misalkan ruang vektor atas yang berisi semua barisan kompleks dan operator geser, .
- Tunjukkan bahwa himpunan penyelesaian adalah , dan bahwa dimensinya tepat (petakan sebuah penyelesaian ke nilai awalnya).
- Jelaskan mengapa lema penguraian kernel (Teorema 3.14) berlaku bagi pada yang berdimensi tak hingga tanpa perubahan apa pun, lalu tuliskan penguraian yang dihasilkannya untuk (dengan berbeda dan semuanya tak nol karena ).
Untuk dan , tunjukkan bahwa
yang berdimensi . (Hitung dengan , lalu pakai kenyataan bahwa menurunkan derajatnya; untuk dimensinya, batasi dengan lewat nilai awalnya.)
(Teorema dasar rekurensi linear) Simpulkan: jika dengan berbeda dan tak nol, maka penyelesaian persis semua barisan
dengan polinomial yang tertentu secara tunggal.
- Selesaikan seluruhnya: , , , lalu periksa jawabannya pada .
Bagian III — Akar dominan dan panen Diophantus.
- Andaikan akarnya sederhana dengan untuk , dan dengan . Tunjukkan dan .
- (Pell) Tetapkan , , . Tunjukkan bahwa memenuhi , sehingga ; lalu kaitkan hal itu dengan determinan .
Turunkan taksiran galat
lalu tunjukkan bahwa galat itu meluruh secara geometri dengan rasio (carilah nilai eigen dan laju tumbuh ).
- (Laju tumbuh umum) Dari pertanyaan 9, buktikan: (a) jika setiap akarnya memenuhi , maka dengan ; (b) jika ada satu akar tunggal yang modulusnya maksimal dan , maka — periksalah hal itu pada penyelesaian pertanyaan 10.
Bagian IV — Mencacah jalan dan kata. Untuk sebuah graf hingga dengan himpunan simpul , matriks ketetanggaan punya bila sebuah rusuk, dan bila bukan.
- Buktikan bahwa adalah banyaknya jalan berpanjang dari ke (rangkaian rusuk, tiap langkahnya menyusuri sebuah rusuk).
(Segitiga) Untuk graf lengkap atas simpul, berlaku : dengan memakai spektrum (Contoh 2.19), tunjukkan
lalu periksa keduanya pada dengan mendaftar jalannya.
- (Kata tanpa ) Misalkan banyaknya kata biner berpanjang yang tidak punya dua angka berurutan. Sandikan katanya menurut huruf terakhirnya untuk memperoleh matriks transfer, tunjukkan , turunkan (Fibonacci, Latihan 3.5), lalu berikan laju tumbuhnya .
- (Lintasan) Untuk graf lintasan , tunjukkan bahwa nilai eigen adalah dengan vektor eigen dan , lalu turunkan bahwa banyaknya jalan berpanjang dari ujung ke ujung adalah : nol untuk ganjil, dan untuk genap. Periksalah pada .
- (Rumus trace) Tunjukkan bahwa banyaknya seluruh jalan tertutup berpanjang (dari semua titik awal) adalah , lalu periksalah pada segitiga.
Bagian V — Sebuah cincin barisan: diagonalisasi serentak. Tetapkan , misalkan , dan misalkan geseran siklik: (indeks modulo , dengan kolom berindeks ).
- Tunjukkan bahwa adalah matriks pendamping bagi , lalu turunkan , dan bahwa dapat didiagonalkan dengan nilai eigen sederhana beserta vektor eigen .
- Matriks sirkulan adalah . Tunjukkan bahwa semua sirkulan saling komutatif, bahwa basis mendiagonalkan semuanya serentak, dan bahwa nilai eigen adalah , .
- Turunkan , lalu periksa bahwa memulihkan pemfaktoran pada Latihan 2.8.
- (Rata-rata kalung) Misalkan dengan : masing-masing dari bilangan yang tersusun melingkar diganti dengan rata-rata kedua tetangganya. Tunjukkan bahwa nilai eigen adalah , dan bahwa koefisien pada adalah rata-rata (jumlahkan koordinat tiap ).
- Simpulkan: untuk ganjil, konvergen ke vektor konstan yang nilainya rata-rata nilai awalnya; sedangkan untuk , tunjukkan nilai eigen yang bertanggung jawab atas ketakkonvergenannya beserta halangannya yang tepat (yaitu koefisien rata-rata berselang-seling yang wajib nol).
- (Rangkuman) Dengan satu kalimat untuk masing-masing: bagaimana matriks pendamping mengubah telaah menjadi reduksi; di mana lema penguraian kernel sama sekali tidak memerlukan dimensi hingga; mengapa nilai eigen dominan menguasai laju tumbuh dan galat Diophantus; mengapa pangkat matriks ketetanggaan mencacah jalan; dan apa yang dibeli oleh matriks yang saling komutatif. Sebutkan kedua puncaknya: teorema dasar rekurensi linear, dan — untuk matriks positif pada Bagian IV, di jilid Tahun ke-3 — teorema Perron–Frobenius.
Solusi
Solusi Soal 3.1.
1. Sebanyak koordinat pertama pada adalah (karena superdiagonalnya menggeser), dan yang terakhir adalah . Jadi berlaku untuk setiap bila dan hanya bila koordinat terakhirnya cocok untuk setiap , yakni bila dan hanya bila berlaku. Dengan mengiterasikannya, .
2. Uraikan sepanjang kolom pertama: kedua unsurnya yang tak nol adalah (pada kedudukan ) dan (pada kedudukan ). Minor pertamanya berbentuk untuk koefisien ; minor keduanya segitiga atas dengan diagonal , jadi determinannya , dengan tanda dari kedudukannya. Induksi pada (dengan pangkal : ) memberi
Untuk : karena untuk setiap polinomial, dan punya penganihilasi yang sama, jadi punya polinomial minimal yang sama. Untuk : kolomnya berbunyi , …, , sehingga tak lain basis kanoniknya: bebas. Maka polinomial berderajat punya (sebab ia kombinasi tak trivial atas vektor basis), jadi . Karena dengan : .
3. Untuk : baris sampai pada memberi , yakni kali unsur pertama ; sedangkan baris terakhirnya memberi . Jadi . Sebaliknya, persamaan untuk berbunyi : jadi setiap vektor eigen sebanding dengan — artinya tiap ruang eigen berdimensi tepat . Dapat didiagonalkan bila dan hanya bila dimensi ruang eigennya berjumlah (Teorema 3.6), bila dan hanya bila ada nilai eigen berbeda, bila dan hanya bila punya akar berbeda (sebab nilai eigennya adalah akar ).
4. Tiap menyelesaikan , sebab . Kebebasannya: kombinasi yang nol, untuk , merupakan sistem Vandermonde (Latihan 2.11) pada : jadi semua . Ruang penyelesaiannya berdimensi (pertanyaan 6, yang buktinya dasar dan berdiri sendiri): jadi penyelesaian bebas membentuk basis, dan koordinatnya tunggal.
5. : penyelesaian umumnya . Syarat awalnya: , , jadi dan :
(Periksa: dan .)
6. adalah barisan : ia nol bila dan hanya bila berlaku, jadi himpunan penyelesaiannya adalah , sebuah subruang. Pemetaan , , bersifat linear, injektif (sebab rekurensinya menentukan dari nilai pertamanya, secara induktif) dan surjektif (tetapkan secara rekursif dari data awal apa pun): jadi dimensinya .
7. Bukti Teorema 3.14 hanya memakai kesamaan Bézout di serta kenyataan bahwa polinomial dalam satu endomorfisma tetap saling komutatif. Tak satu pun menyinggung dimensi ruang sekitarnya: jadi lemanya berlaku kata demi kata bagi . Karenanya
8. Untuk : barisan bersuku ke- , dengan berderajat (sebab suku utamanya saling coret). Dengan mengiterasikannya, , dan bila : jadi himpunan di ruas kanan termuat di kernelnya. Kernel itu subruang berdimensi : barisan , , bersifat bebas, sebab untuk setiap memaksa (setelah dibagi ) polinomial bernilai nol di setiap , jadi memaksanya menjadi nol. Sebaliknya : setelah diuraikan, persamaan menjadi rekurensi linear berorde (dengan koefisien utama ), sehingga ditentukan oleh seperti pada pertanyaan 6. Kesamaan dimensinya merampungkan buktinya.
9. Gabungkan pertanyaan 7 dan 8: setiap penyelesaian terurai secara tunggal sebagai jumlah unsur , yakni dengan ; polinomial itu tunggal karena penguraiannya langsung dan, di dalam tiap sukunya, koefisien adalah koordinat pada basis (pertanyaan 8). Pemeriksaan kewarasan pada dimensinya: .
10. : penyelesaiannya . Data awalnya: , , jadi :
Periksa: , dan .
11. Tulis ; tiap rasionya bermodulus , jadi kurungnya menuju : karenanya . Khususnya untuk yang besar, dan
12. Hitunglah:
Karena , diperoleh . Secara struktural: dan pemetaan linear mengalikan faktor dengan serta faktor dengan (hitunglah: ); jadi hasil kalinya dikalikan pada tiap langkah.
13. Karena , berlaku
dengan memakai (secara induktif keduanya naik) sehingga . Nilai eigen : , dengan akar ; karena punya komponen tak nol pada vektor eigen dominannya (semua unsurnya positif), berlaku dengan (pertanyaan 11). Karenanya galatnya : peluruhan geometri dengan rasio .
14. (a) Dari pertanyaan 9: , dan tiap untuk : jumlahkan konstantanya. (b) Misalkan dan dengan koefisien utama . Maka dengan , dan
(sebab geometri mengalahkan polinomial). Jadi
Periksa pada pertanyaan 10: untuk rasionya adalah
15. Induksi pada . Untuk , mencacah jalan berpanjang . Langkahnya: jalan berpanjang dari ke adalah jalan berpanjang dari ke suatu simpul yang disusul rusuk :
16. Di sini dengan proyeksi pada sepanjang bidang (sebab karena ). Maka , dan karena dan merupakan proyeksi yang saling melengkapi,
sehingga diperoleh kedua rumus yang tertulis tadi. Pada : diagonalnya (yaitu jalan lewat kedua tetangga ); di luar diagonal (yaitu satu-satunya jalan lewat simpul ketiga).
17. Misalkan mencacah kata yang sah dan berpanjang , berturut-turut yang berakhiran dan . Menambahkan satu huruf: angka boleh menyusul apa saja, angka hanya boleh menyusul :
Setelah dijumlahkan, (atau: syaratkan huruf pertamanya). Dengan , : secara induktif (sebab , , dengan rekurensi yang sama). Laju tumbuhnya: akar adalah (Latihan 3.5), dan komponen -nya tak nol (sebab positif dan ), jadi pertanyaan 11 memberi .
18. Di sini . Periksa:
sehingga nilai eigennya (). Uraikan pada basis eigennya lalu baca koordinat ketiganya, atau pakailah kesetangkupan: dengan , , terperiksa , sehingga untuk
yang nol untuk ganjil (grafnya bipartit: kedua ujungnya berjarak genap), dan untuk genap. Pada : , yang cocok dengan kedua jalan dan .
19. Jalan tertutup berpanjang dari berjumlah ; menjumlahkannya atas memberi . Setelah ditrigonalkan (atas ), menjadi segitiga dengan diagonal : jadi . Untuk segitiganya: , yakni spektrum , yang selaras dengan pertanyaan 16.
20. Kolom : untuk dan ; setelah dinamai ulang menurut urutan inilah persis matriks pendamping bagi (dengan dan untuk yang lain). Menurut pertanyaan 2: . Akarnya () adalah akar ke- dari satu yang berbeda: jadi dapat didiagonalkan (pertanyaan 3, atau Latihan 3.8: sebab ). Vektor eigennya: .
21. Sirkulan adalah polinomial dalam , dan polinomial dalam satu matriks tetap saling komutatif. Tiap merupakan vektor eigen bagi setiap pangkatnya: , jadi
maka basis (bebas: Vandermonde atas yang berbeda, Latihan 2.11) mendiagonalkan setiap sirkulan sekaligus, dengan nilai eigen seperti dinyatakan tadi.
22. Determinannya adalah hasil kali nilai eigennya (diagonalkan saja): . Untuk , dengan , , dan :
dan : jadi persis pemfaktoran pada Latihan 2.8.
23. adalah sirkulan (sebab ), dengan nilai eigen pada basis yang sama. Koordinatnya: tulis . Koordinat berjumlah , yang bernilai untuk dan selain itu (jumlah geometri dengan rasio ). Menjumlahkan koordinat : , jadi , yakni rata-ratanya.
24. Di sini . Untuk ganjil, bagi setiap (sebab sudutnya tak pernah atau ), jadi semua sukunya kecuali menuju : , yakni vektor konstan yang sama dengan rata-ratanya — perataan pada cincin ganjil menyeragamkan. Untuk nilai eigennya : suku , yakni dengan , berayun selamanya. Halangannya adalah rata-rata berselang-seling: setelah koordinat dikalikan lalu dijumlahkan, perhitungan jumlah geometri yang sama memberi : jadi prosesnya konvergen bila dan hanya bila , dan ketika itu ia konvergen ke rata-ratanya.
25. Matriks pendamping mengubah rekurensi skalar berorde menjadi rekurensi vektor berorde satu, sehingga rumus tertutupnya menjadi pernyataan tentang — yakni kandang reduksi sendiri (pertanyaan 1–5). Lema penguraian kernel murni aljabar polinomial (Bézout ditambah kekomutatifan), jadi ia memecah walaupun berdimensi tak hingga (pertanyaan 7–9). Nilai eigen dominan menguasai laju tumbuh karena setiap sumbangan lain terabaikan secara geometri setelah dinormalkan — dan itu pula sebabnya galat Pell meluruh secepat kuadrat akar dominannya (pertanyaan 11–14). Pangkat matriks ketetanggaan mencacah jalan karena perkalian matriks menjumlah atas simpul antaranya, sehingga spektrumnya mencacah jalan tertutup (pertanyaan 15–19). Matriks yang komutatif berbagi basis eigen, dan satu basis Fourier lalu mendiagonalkan seluruh aljabar sirkulan dalam satu tarikan (pertanyaan 20–24). Puncaknya: teorema dasar rekurensi linear (pertanyaan 9); dan untuk matriks tak negatif, alasan mengapa akar dominan seperti atau otomatis real, positif dan sederhana adalah teorema Perron–Frobenius, yang dibuktikan pada jilid Tahun ke-3.