Mathematics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Matematika Universitas — Tahun 2

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, EE adalah ruang vektor atas KK yang berdimensi hingga (K=RK = \R atau C\C) dan uL(E)u \in \mathcal{L}(E), n=dimEn = \dim E.

3.1 Nilai eigen dan vektor eigen

Definisi 3.1

λK\lambda \in K disebut nilai eigen bagi uu apabila u(x)=λxu(x) = \lambda x untuk suatu x0x \neq 0 (vektor semacam itu disebut vektor eigen); ruang eigennya adalah Eλ(u)=ker(uλid)E_\lambda(u) = \ker(u - \lambda\,\mathrm{id}). Himpunan semua nilai eigen disebut spektrum Sp(u)\operatorname{Sp}(u). Sebuah subruang FF disebut stabil apabila u(F)Fu(F) \subseteq F; ruang eigen bersifat stabil, dan subruang stabil memungkinkan endomorfisma imbasan uFu|_F.

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 Eλ1++EλrE_{\lambda_1} + \dots + E_{\lambda_r} (dengan λi\lambda_i yang berbeda) bersifat langsung. Khususnya uu punya paling banyak nn nilai eigen.

Bukti. Dengan induksi pada rr. Andaikan x1++xr=0x_1 + \dots + x_r = 0 dengan xiEλix_i \in E_{\lambda_i}, sedangkan pernyataannya sudah diketahui untuk r1r - 1. Terapkan uu lalu kurangkan λr\lambda_r kali kaitan itu:

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

jadi menurut induksi setiap (λiλr)xi=0(\lambda_i - \lambda_r)x_i = 0, yakni xi=0x_i = 0 untuk i<ri < r, lalu xr=0x_r = 0. Jumlah langsung atas ruang tak nol di dalam ruang berdimensi nn paling banyak punya nn suku.

Matriks A = psmallmatrix2 & 1\\ 1 & 2 psmallmatrix yang bekerja pada bidang: vektor umum e_1 terpental dari garisnya, sedangkan arah eigen v_1 = (1,1) dan v_2 = (1,-1) sekadar diregangkan — masing-masing oleh 3 dan oleh 1 (jadi Av_2 = v_2: peta putus-putusnya berimpit dengan v_2). Diagonalisasi tak lain pergantian ke basis (v_1, v_2), tempat A menjadi diag(3, 1).
Matriks A=(2112)A = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 1 & 2\end{smallmatrix}\right) yang bekerja pada bidang: vektor umum e1e_1 terpental dari garisnya, sedangkan arah eigen v1=(1,1)v_1 = (1,1) dan v2=(1,1)v_2 = (1,-1) sekadar diregangkan — masing-masing oleh 33 dan oleh 11 (jadi Av2=v2Av_2 = v_2: peta putus-putusnya berimpit dengan v2v_2). Diagonalisasi tak lain pergantian ke basis (v1,v2)(v_1, v_2), tempat AA menjadi diag(3,1)\operatorname{diag}(3, 1).

Definisi 3.3 (Polinomial karakteristik)

χu(X)=det(Xidu)\chi_u(X) = \det(X\,\mathrm{id} - u) — yang dihitung pada basis mana pun sebagai det(XInA)\det(XI_n - A), sebuah polinomial monik berderajat nn yang awet terhadap keserupaan (Teorema 2.17). Akarnya di KK persis semua nilai eigen (λ\lambda nilai eigen     uλid\iff u - \lambda\,\mathrm{id} tidak injektif     χu(λ)=0\iff \chi_u(\lambda) = 0), dan

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

Multiplisitas aljabar mλm_\lambda sebuah nilai eigen adalah multiplisitasnya sebagai akar χu\chi_u; sedangkan multiplisitas geometrik adalah dimEλ\dim E_\lambda, dan 1dimEλmλ1 \leq \dim E_\lambda \leq m_\lambda.

Bukti fakta yang dinyatakan. Tentang koefisiennya: uraikan det(XIA)\det(XI - A) dengan rumus permutasi; permutasi identitas menyumbang i(Xaii)=Xn(aii)Xn1+\prod_i (X - a_{ii}) = X^n - (\sum a_{ii})X^{n-1} + \dots, sedangkan setiap permutasi lain membiarkan tetap paling banyak n2n - 2 kedudukan diagonal, sehingga menyumbang derajat n2\leq n - 2: jadi dua koefisien teratasnya seperti dinyatakan; lalu X=0X = 0 memberi suku tetap det(A)=(1)ndetA\det(-A) = (-1)^n\det A.

Geometrik \leq aljabar: misalkan d=dimEλd = \dim E_\lambda lalu lengkapi basis EλE_\lambda menjadi basis EE; matriks uu menjadi segitiga atas berblok dengan blok kiri atas λId\lambda I_d, sehingga χu(X)=(Xλ)dχ(blok bawah)(X)\chi_u(X) = (X - \lambda)^d\, \chi_{\text{(blok bawah)}}(X): jadi multiplisitas λ\lambda sedikitnya dd.

Contoh 3.4 (χ\chi yang sama, geometri yang berbeda)

Kedua matriks

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

berbagi polinomial karakteristik (X2)2(X - 2)^2, trace, determinan, dan spektrum — namun keduanya tidak serupa: yang pertama punya E2E_2 berdimensi 22 (multiplisitas geometrik 22), yang kedua berdimensi 11. Polinomial karakteristik hanya melihat multiplisitas aljabar; dimensi ruang eigen adalah invarian yang lebih halus, dan polinomial minimal yang memutuskan (X2X - 2 lawan (X2)2(X - 2)^2). Pelajaran bagi semua pembahasan tentang keterdiagonalan: χ\chi menyaring calonnya, tetapi kernel yang memberikan suara.

Definisi 3.5 (Dapat didiagonalkan, dapat ditrigonalkan)

uu disebut dapat didiagonalkan apabila EE 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:

  1. uu dapat didiagonalkan;
  2. E=λSpuEλE = \bigoplus_{\lambda \in \operatorname{Sp} u} E_\lambda;
  3. χu\chi_u terurai lengkap atas KK dan dimEλ=mλ\dim E_\lambda = m_\lambda untuk setiap nilai eigen;
  4. (syarat cukup, bukan syarat perlu) χu\chi_u punya nn akar berbeda di KK.

Bukti. (1     \iff 2): sebuah basis berisi vektor eigen tersortir menjadi basis tiap EλE_\lambda, dan sebaliknya menyambung basis suku-suku jumlah langsungnya memberi basis EE (Teorema 3.2 membuat jumlahnya langsung; kesamaan dimensi membuatnya seluruh ruang).

(2     \iff 3): pada basis diagonalnya, χu=(Xλ)dimEλ\chi_u = \prod (X - \lambda)^{\dim E_\lambda} terurai lengkap dengan multiplisitas yang cocok. Sebaliknya, andaikan χu\chi_u terurai lengkap dengan dimEλ=mλ\dim E_\lambda = m_\lambda di mana-mana; maka jumlah langsung ruang eigennya (langsung menurut Teorema 3.2) berdimensi

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

sebab kesamaan di tengah berlaku karena derajat polinomial yang terurai lengkap sama dengan jumlah multiplisitas akarnya: jadi jumlahnya seluruh EE. Perhatikan tempat tiap hipotesis bekerja: keteruraiannya mengisi derajatnya, kesamaan multiplisitasnya mengisi dimensinya.

(4 \Rightarrow 1): nn nilai eigen yang berbeda memberi nn 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 (u2=idu^2 = \mathrm{id}, u2=uu^2 = u, uk=idu^k = \mathrm{id})? Jika ada: dapat didiagonalkan, tanpa perhitungan (Akibat 3.17 di bawah). (2) Hitung χu\chi_u; jika ia punya nn akar berbeda di KK: dapat didiagonalkan (Teorema 3.6 (4)). (3) Jika tidak, hanya untuk tiap akar berulang λ\lambda, bandingkan dimker(uλid)\dim\ker(u - \lambda\,\mathrm{id}) dengan multiplisitas mλm_\lambda: kekurangan sekecil apa pun mematikan keterdiagonalannya, sedangkan kesamaan di mana-mana membuktikannya. Jangan pernah menghitung ruang eigen akar sederhana (dimensinya sudah pasti 11), dan jangan pernah mentrigonalkan hanya untuk memutuskan.

Contoh 3.8 (Diagonalisasi dalam kerja)

Ambil A=I+J=(211121112)A = I + J = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 1\\ 1 & 1 & 2\end{smallmatrix}\right), dengan JJ matriks yang semua unsurnya satu: dari Sp(J)={3,0}\operatorname{Sp}(J) = \{3, 0\} (Contoh 2.19) diperoleh Sp(A)={4,1}\operatorname{Sp}(A) = \{4, 1\}, dengan ruang eigen R(1,1,1)\R(1,1,1) dan bidang {x+y+z=0}\{x + y + z = 0\}: dimensinya 1+2=31 + 2 = 3, jadi dapat didiagonalkan (Teorema 3.6 (2)). Pangkatnya pun terhitung tanpa matriks pergantian basis: dengan Π=J/3\Pi = J/3 sebagai proyektor pada 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 .

(Periksa k=1k = 1: 413J+I=A\frac{4-1}3 J + I = A.) Pelajaran penutupnya: ketika ruang eigennya kasatmata, proyektor spektral menghitung pangkat lebih cepat daripada PDP1PDP^{-1} mana pun — dan rumusnya memperlihatkan dinamikanya: AkA^k tumbuh seperti 4k4^k sepanjang (1,1,1)(1,1,1) dan diam saja pada bidang ortogonalnya.

Teorema 3.9 (Trigonalisasi)

uu dapat ditrigonalkan atas KK bila dan hanya bila χu\chi_u terurai lengkap atas KK. Khususnya setiap endomorfisma ruang vektor atas C\C dapat ditrigonalkan.

Bukti. (\Rightarrow) Polinomial karakteristik sebuah matriks segitiga adalah (Xtii)\prod(X - t_{ii}): terurai lengkap.

(\Leftarrow) Induksi pada nn. Karena χu\chi_u terurai lengkap, ia punya akar λ\lambda: pilihlah vektor eigen e1e_1. Pada basis yang diawali e1e_1, matriksnya menjadi (λ0B)\begin{pmatrix} \lambda & \ast\\ 0 & B\end{pmatrix}, dan χu=(Xλ)χB\chi_u = (X - \lambda)\chi_B: jadi χB\chi_B pun terurai lengkap. Menurut hipotesis induksi yang diterapkan pada matriks berukuran (n1)×(n1)(n-1) \times (n-1), yakni BB, ada QQ berinvers dengan Q1BQQ^{-1}BQ segitiga atas; mengonjugasikan seluruh matriks itu dengan (100Q)\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & Q\end{pmatrix} membuatnya segitiga.

Contoh 3.10 (Mentrigonalkan dengan tangan)

Ambil B=(3111)B = \begin{pmatrix}3 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}: di sini χB=X24X+4=(X2)2\chi_B = X^2 - 4X + 4 = (X - 2)^2, dan ker(B2I)=ker(1111)\ker(B - 2I) = \ker\left(\begin{smallmatrix}1 & -1\\ 1 & -1\end{smallmatrix}\right) adalah garis yang direntang e1=(1,1)e_1' = (1, 1): satu nilai eigen dengan ruang eigen berdimensi satu — jadi tidak dapat didiagonalkan, tetapi dapat ditrigonalkan (Teorema 3.9). Lengkapi basisnya dengan e2=(1,0)e_2' = (1, 0) lalu hitung:

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' ,

sehingga pada basis (e1,e2)(e_1', e_2') matriksnya menjadi T=(2102)T = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 0 & 2\end{smallmatrix}\right). Pelajaran penutupnya: diagonal TT sudah terpaksa (kedua unsurnya wajib berupa nilai eigen ganda 22); hanya unsur pojoknya yang bergantung pada pilihan e2e_2', dan menskalakan e2e_2' dapat membuatnya bernilai tak nol apa pun — “11” yang membandel itu adalah bayangan bagian nilpoten yang kelak dipisahkan Dunford.

3.2 Polinomial sebuah endomorfisma

Definisi 3.11

Untuk P=akXkK[X]P = \sum a_k X^k \in K[X], tetapkan P(u)=akukL(E)P(u) = \sum a_k u^k \in \mathcal{L}(E). Pemetaan PP(u)P \mapsto P(u) adalah morfisma aljabar K[X]L(E)K[X] \to \mathcal{L}(E) (Definisi 1.33); kernelnya {P:P(u)=0}\{P : P(u) = 0\} merupakan ideal K[X]K[X] yang tak nol (sebab keluarga (id,u,,un2)(\mathrm{id}, u, \dots, u^{n^2}) saling terkait di dalam ruang berdimensi n2n^2, yaitu L(E)\mathcal{L}(E)), jadi ia dibangun oleh sebuah polinomial monik tunggal μu\mu_u: itulah polinomial minimal (Teorema 1.26).

Proposisi 3.12

  1. P(u)=0    μuPP(u) = 0 \iff \mu_u \mid P; nilai eigen uu adalah akar setiap polinomial penganihilasi, dan akar μu\mu_u persis semua nilai eigen.
  2. Jika FF stabil, maka μuFμu\mu_{u|_F} \mid \mu_u.

Bukti. (1) Keterbagiannya tak lain definisi sebuah pembangun. Jika u(x)=λxu(x) = \lambda x dengan x0x \neq 0, maka 0=P(u)(x)=P(λ)x0 = P(u)(x) = P(\lambda)x, jadi P(λ)=0P(\lambda) = 0: nilai eigen adalah akar polinomial penganihilasi, khususnya akar μu\mu_u. Sebaliknya, jika λ\lambda sebuah akar, maka μu=(Xλ)Q\mu_u = (X - \lambda)Q dengan Q(u)0Q(u) \neq 0 (sebab derajat μu\mu_u minimal): pilih yy dengan Q(u)(y)0Q(u)(y) \neq 0; maka (uλ)(Q(u)(y))=μu(u)(y)=0(u - \lambda)(Q(u)(y)) = \mu_u(u)(y) = 0 memperlihatkan vektor eigen Q(u)(y)Q(u)(y).

(2) Kita punya μu(uF)=μu(u)F=0\mu_u(u|_F) = \mu_u(u)|_F = 0, lalu terapkan (1) pada uFu|_F.

Contoh 3.13 (Polinomial minimal yang dicari dengan tangan)

Polinomial minimal dihitung dengan menguji derajat berturut-turut. Untuk matriks JM3(R)J \in \mathcal{M}_3(\R) yang semua unsurnya satu: JλIJ \neq \lambda I (jadi derajat 11 tersingkir), dan J2=3JJ^2 = 3J, sehingga

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

derajatnya 22, terurai lengkap, berakar sederhana — jadi JJ dapat didiagonalkan dengan spektrum {0,3}\{0, 3\} (Akibat 3.17 di bawah), yang menegaskan Contoh 2.19 tanpa satu pun determinan. Untuk matriks penukar AA pada Contoh 3.15: dari A±IA \neq \pm I dan A2=IA^2 = I diperoleh μA=X21\mu_A = X^2 - 1. Pada kedua kasus polanya sama: tebaklah kesamaan berderajat rendah dari strukturnya (rank satu memaksa J2=(trJ)JJ^2 = (\operatorname{tr}J)\,J; sebuah involusi memaksa A2=IA^2 = I), lalu periksa bahwa tak ada pembagi sejatinya yang menganihilasi. Polinomial minimal biasanya ditemukan, bukan dihitung dari χ\chi.

Teorema 3.14 (Lema penguraian kernel)

Jika P=P1P2PrP = P_1 P_2 \cdots P_r dengan PiP_i saling prima sepasang demi sepasang, maka

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

dan proyeksi pada tiap sukunya berupa polinomial dalam uu.

Bukti. Cukuplah menangani r=2r = 2 lalu berinduksi. Bézout di K[X]K[X] (Teorema 1.26) memberi UP1+VP2=1U P_1 + V P_2 = 1, sehingga untuk setiap 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}.

Jika xkerP(u)x \in \ker P(u): maka P2(u)(x2)=U(u)P(u)(x)=0P_2(u)(x_2) = U(u)\,P(u)(x) = 0 (polinomial dalam uu saling komutatif), jadi x2kerP2(u)x_2 \in \ker P_2(u), dan setangkup dengan itu x1kerP1(u)x_1 \in \ker P_1(u): jadi jumlahnya mengisi kerP(u)\ker P(u); kedua sukunya berada di dalam kerP(u)\ker P(u) (sebab PiPP_i \mid P). Kelangsungannya: xkerP1(u)kerP2(u)x \in \ker P_1(u) \cap \ker P_2(u) memberi 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. Rumus untuk x1,x2x_1, x_2 tadi memperlihatkan proyeksinya sebagai V(u)P2(u)V(u)P_2(u) dan U(u)P1(u)U(u)P_1(u).

Contoh 3.15 (Lema kernel dengan proyektor yang gamblang)

Misalkan A=(010100001)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{smallmatrix}\right) (yang menukar dua koordinat pertama). Maka A2=IA^2 = I: polinomial X21=(X1)(X+1)X^2 - 1 = (X - 1)(X + 1) menganihilasi AA, faktornya saling prima, dan Bézout-nya gamblang:

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

Dengan mengikuti bukti Teorema 3.14, proyeksi pada ker(AI)\ker(A - I) dan ker(A+I)\ker(A + I) adalah polinomial dalam AA berikut:

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}.

Periksa: π++π=I\pi_+ + \pi_- = I, π+π=0\pi_+\pi_- = 0, π±2=π±\pi_\pm^2 = \pi_\pm, dan petanya adalah bidang {x=y}\{x = y\} (vektor setangkup, bernilai eigen 11) dan garis R(1,1,0)\R(1, -1, 0) (antisetangkup, bernilai eigen 1-1). 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 A=π+πA = \pi_+ - \pi_- dengan proyektor yang ortogonal dalam arti aljabar (π+π=0\pi_+\pi_- = 0), setiap pangkatnya menuruti Ak=π++(1)kπA^k = \pi_+ + (-1)^k\pi_-, dan deret eksponensialnya berkelompok menurut proyektor:

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}.

(Periksa t=0t = 0: identitasnya; turunan di 00: AA.) 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)

uu dapat didiagonalkan     \iff μu\mu_u terurai lengkap atas KK dengan akar sederhana     \iff ada polinomial penganihilasi uu yang terurai lengkap dengan akar sederhana.

Bukti. Jika P(u)=0P(u) = 0 dengan P=i(Xλi)P = \prod_{i}(X - \lambda_i) (λi\lambda_i berbeda), maka lemanya memberi E=kerP(u)=iker(uλi)E = \ker P(u) = \bigoplus_i \ker(u - \lambda_i): yakni jumlah langsung ruang eigen, jadi uu dapat didiagonalkan (Teorema 3.6). Sebaliknya, uu yang dapat didiagonalkan ditolkan oleh λSpu(Xλ)\prod_{\lambda \in \operatorname{Sp}u}(X - \lambda) (yang menolkan tiap ruang eigen), dan polinomial itu terurai lengkap dengan akar sederhana; sedangkan μu\mu_u membaginya sambil berakar sama (Proposisi 3.12): jadi μu\mu_u tepat sama dengan hasil kali itu.

Contoh 3.18

Proyeksi memenuhi p2=pp^2 = p: ditolkan oleh X(X1)X(X-1) yang terurai lengkap dengan akar sederhana — jadi dapat didiagonalkan dengan spektrum {0,1}\subseteq \{0, 1\}, dan E=kerpker(pid)E = \ker p \oplus \ker(p - \mathrm{id}): itulah telaah geometrik Tahun ke-1, yang dibuktikan ulang dalam satu baris. Simetri (s2=ids^2 = \mathrm{id}, dengan penganihilasi X21X^2 - 1) dapat didiagonalkan bila charK2\operatorname{char} K \neq 2, dengan spektrum {±1}\subseteq \{\pm 1\}. Adapun endomorfisma dengan u3=u2u^3 = u^2 dan u2uu^2 \neq u ditolkan oleh X2(X1)X^2(X - 1), dan tidak harus dapat didiagonalkan — kriterianya mendeteksi hal itu (akar ganda 00 wajib diuji: dapat didiagonalkan bila dan hanya bila lagi-lagi keru2=keru\ker u^2 = \ker u).

Contoh 3.19 (Lapangannya yang memutuskan: sebuah rotasi di R3\R^3)

Misalkan RR perputaran seperempat mengelilingi sumbu 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).

Atas R\R: satu-satunya nilai eigennya 11, dengan ruang eigen berupa sumbu Re3\R e_3 — satu garis vektor tetap, dan tanpa reduksi lebih jauh: RR tidak dapat didiagonalkan maupun ditrigonalkan di M3(R)\mathcal{M}_3(\R) (sebab χR\chi_R tidak terurai lengkap). Atas C\C: ada tiga nilai eigen berbeda 1,i,i1, \iu, -\iu, jadi RR dapat didiagonalkan, dengan vektor eigen e3e_3 dan e1ie2e_1 \mp \iu e_2. Geometrinya terdengar di dalam aljabarnya: rotasi pada bidang tidak punya arah invarian yang real, dan nilai eigen kompleks ±i\pm\iu yang bermodulus 11 menyimpan sudut (±π2\pm\frac\pi2) yang hanya dapat diungkapkan matriks realnya lewat pencampuran koordinat.

Contoh 3.20 (Minimal lawan karakteristik)

Untuk D=diag(2,2,3)D = \operatorname{diag}(2, 2, 3): χD=(X2)2(X3)\chi_D = (X - 2)^2(X - 3) tetapi μD=(X2)(X3)\mu_D = (X - 2)(X - 3), sebab (D2I)(D3I)=0(D - 2I)(D - 3I) = 0 (periksa pada basis kanoniknya) sementara tak satu pun faktornya sendiri menolkan DD. Untuk blok geser N=(0100)(3)N = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right) \oplus (3), yakni N=(010000003)N' = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 3\end{smallmatrix}\right): di sini χN=X2(X3)\chi_{N'} = X^2(X - 3) dan μN=X2(X3)\mu_{N'} = X^2(X - 3) — akar gandanya sungguh diperlukan karena NN' tidak dapat didiagonalkan di sisi ker\ker-nya (Ne2=e10N'e_2 = e_1 \neq 0). Pedoman praktis: μ\mu dan χ\chi berakar sama (Proposisi 3.12); multiplisitas pada μ\mu menakar besarnya blok nilpoten terbesar, sedangkan yang pada χ\chi menakar dimensi total subruang karakteristiknya.

Teorema 3.21 (Cayley–Hamilton)

χu(u)=0\chi_u(u) = 0; akibatnya μuχu\mu_u \mid \chi_u, dan degμun\deg \mu_u \leq n.

Bukti. Tetapkan x0x \neq 0 lalu misalkan dd terbesar sehingga (x,u(x),,ud1(x))(x, u(x), \dots, u^{d-1}(x)) bebas; tulis

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

lalu tetapkan Px=Xd+ad1Xd1++a0P_x = X^d + a_{d-1}X^{d-1} + \dots + a_0, sehingga Px(u)(x)=0P_x(u)(x) = 0. Lengkapi keluarga bebas itu menjadi basis EE: pada basis itu uu berbentuk blok (C0D)\begin{pmatrix} C & \ast\\ 0 & D\end{pmatrix} dengan CC matriks pendamping PxP_x, yang polinomial karakteristiknya adalah PxP_x (uraikan det(XIC)\det(XI - C) sepanjang kolom pertama, dengan induksi pada dd). Karenanya χu=PxχD\chi_u = P_x \cdot \chi_D, dan

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

Hujah itu berlaku untuk setiap xx: jadi χu(u)=0\chi_u(u) = 0.

Contoh 3.22 (Cayley–Hamilton dalam kerja)

Untuk A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4\end{pmatrix}: χA=X25X2\chi_A = X^2 - 5X - 2, jadi A2=5A+2IA^2 = 5A + 2I. Setiap pangkat AA menyusut menjadi kombinasi II dan 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},

dan inversnya diperoleh cuma-cuma: dari A(A5I)=2IA(A - 5I) = 2I,

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

Pelajaran penutupnya: Cayley–Hamilton memampatkan seluruh aljabar K[A]K[A] menjadi Vect(I,A,,An1)\operatorname{Vect}(I, A, \dots, A^{n-1})dimK[A]=degμAn\dim K[A] = \deg\mu_A \leq n, sebesar apa pun pangkat yang diperlukan.

Catatan 3.23 (Jebakan yang sering muncul)

(i) Nilai eigen tidak menjumlah: Sp(A+B)\operatorname{Sp}(A + B) bukan SpA+SpB\operatorname{Sp}A + \operatorname{Sp}B, dan jumlah dua matriks yang dapat didiagonalkan belum tentu dapat didiagonalkan(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) 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) “χu\chi_u terurai lengkap” adalah hipotesis tentang lapangannya: rotasi bidang punya χ=X22cosθX+1\chi = X^2 - 2\cos\theta\,X + 1, yang terurai lengkap atas C\C tetapi tidak atas R\R — jadi dapat didiagonalkan di M2(C)\mathcal{M}_2(\C), tidak dapat ditrigonalkan di M2(R)\mathcal{M}_2(\R). (iii) Ketaksamaannya berjalan geometrik \leq aljabar, tak pernah sebaliknya; menguji dimEλ1\dim E_\lambda \geq 1 saja tidak membuktikan apa pun tentang keterdiagonalan. (iv) μu\mu_u bukan χu\chi_u: keduanya sama persis ketika tiap nilai eigen punya satu rantai blok tunggal (misalnya matriks pendamping, lihat soal akhir pekan bab ini); memakai χ\chi di tempat μ\mu diperlukan hanya menggelembungkan setiap perhitungan pangkat. (v) Adapun dd dan ν\nu milik Dunford berupa polinomial dalam uu — penguraian u=d+νu = d' + \nu' yang bersifat benar tetapi dννdd'\nu' \neq \nu'd' 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 uu yang χu\chi_u-nya terurai lengkap, pernyataan berikut setara: un=0u^n = 0; uk=0u^k = 0 untuk suatu kk; Sp(u)={0}\operatorname{Sp}(u) = \{0\}; χu=Xn\chi_u = X^n; uu dapat ditrigonalkan dengan diagonal nol. Endomorfisma nilpoten punya μu=X(indeks kenilpotenan)\mu_u = X^{\text{(indeks kenilpotenan)}}, dengan indeks n\leq n.

Bukti. Dari uk=0u^k = 0 setiap nilai eigen menjadi akar XkX^k: jadi spektrumnya {0}\{0\} (tak kosong ketika χ\chi terurai lengkap — atas C\C selalu demikian). Maka χu=Xn\chi_u = X^n (semua akarnya nol) dan Cayley–Hamilton memberi un=0u^n = 0; sedangkan trigonalisasi (Teorema 3.9) menaruh nol pada diagonalnya (sebab diagonal mengusung nilai eigennya). Sebaliknya, misalkan AA segitiga atas tegas: aij=0a_{ij} = 0 untuk jij \leq i. Kita tunjukkan secara induktif bahwa

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

yakni tiap pangkatnya mendorong daerah nolnya satu diagonal lebih tinggi. Untuk k=1k = 1 inilah hipotesisnya. Adapun langkah induksinya,

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

dan tiap sukunya lenyap: entah i+k1\ell \leq i + k - 1 (faktor pertamanya 00 menurut induksi) atau i+k\ell \geq i + k, dan dalam hal itu ji+kj \leq i + k \leq \ell menolkan faktor keduanya. Pada k=nk = n syarat ji+n1j \leq i + n - 1 berlaku untuk setiap i,jni, j \leq n: jadi An=0A^n = 0. Polinomial minimalnya membagi XnX^n dan penolkannya mendefinisikan indeksnya.

Teorema 3.26 (Penguraian Dunford)

Andaikan χu\chi_u terurai lengkap atas KK (yang otomatis untuk K=CK = \C). Maka ada tepat satu pasangan (d,ν)(d, \nu) dengan

u=d+ν,d dapat didiagonalkan,ν nilpoten,dν=νd,u = d + \nu, \qquad d \text{ dapat didiagonalkan}, \quad \nu \text{ nilpoten}, \quad d\nu = \nu d ,

dan lebih lanjut dd dan ν\nu berupa polinomial dalam uu.

Bukti. Keberadaan. Tulis χu=i=1r(Xλi)mi\chi_u = \prod_{i=1}^{r} (X - \lambda_i)^{m_i} (dengan λi\lambda_i berbeda) lalu tetapkan Ni=ker(uλi)miN_i = \ker(u - \lambda_i)^{m_i}, yaitu subruang karakteristiknya. Menurut Cayley–Hamilton dan lema kernel (Teorema 3.14),

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

dengan proyeksi πi\pi_i berupa polinomial dalam uu; tiap NiN_i bersifat stabil (polinomial dalam uu komutatif dengan uu). Tetapkan d=iλiπid = \sum_i \lambda_i \pi_i: sebuah polinomial dalam uu yang dapat didiagonalkan (ia bekerja sebagai λi\lambda_i pada NiN_i, jadi EE terurai menjadi ruang eigennya). Maka ν=ud\nu = u - d juga polinomial dalam uu (sehingga komutatif dengan dd), dan pada tiap NiN_i ia bekerja sebagai uλiu - \lambda_i dengan (uλi)mi=0(u - \lambda_i)^{m_i} = 0 di sana: jadi νmaxmi=0\nu^{\max m_i} = 0 pada tiap suku, sehingga ν\nu nilpoten.

Ketunggalan. Misalkan u=d+νu = d' + \nu' pasangan lain yang seperti itu. Karena dd' dan ν\nu' saling komutatif, keduanya komutatif dengan u=d+νu = d' + \nu', jadi komutatif dengan setiap polinomial dalam uu — khususnya dengan dd dan ν\nu. Maka ddd - d' dapat didiagonalkan (dua pemetaan komutatif yang dapat didiagonalkan dapat didiagonalkan serentak: Latihan 3.9) dan sama dengan νν\nu' - \nu, yang nilpoten: jika νk=0\nu^k = 0 dan νk=0\nu'^{k'} = 0, kekomutatifannya mengizinkan penguraian binomial

(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} ,

yang di dalamnya setiap suku mati: entah jkj \geq k' (faktor pertamanya nol) atau k+k1jkk + k' - 1 - j \geq k (faktor keduanya nol), dan salah satu dari keduanya selalu berlaku. Sedangkan nilpoten yang dapat didiagonalkan pastilah nol (spektrumnya {0}\{0\} dan ia diagonal pada suatu basis): jadi d=dd = d' dan ν=ν\nu = \nu'.

Contoh 3.27 (Pangkat dan eksponensial)

Untuk 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, satu nilai eigen 22, dengan ruang eigen berdimensi 11: jadi tidak dapat didiagonalkan. Dunford: D=2ID = 2I, N=A2I=(1111)N = A - 2I = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ -1 & -1\end{pmatrix}, N2=0N^2 = 0. Maka

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),

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 <1< 1” menjadi “suatu norma operator <1< 1”, sehingga spektrum menguasai kekonvergenan pangkat dan deret. Pada Bab 16, resep pada Contoh 3.27 menjadi penyelesaian umum X=AXX' = AX: Dunford memecah etA\eu^{tA} 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 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}.
Solusi

Solusi Latihan 3.1.

AA: χA=X22X3=(X3)(X+1)\chi_A = X^2 - 2X - 3 = (X - 3)(X + 1). Vektor eigennya: untuk 33: (1,1)(1,1); untuk 1-1: (1,1)(1,-1). Jadi P=(1111)P = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} memberi P1AP=diag(3,1)P^{-1}AP = \operatorname{diag}(3, -1).

B=JIB = J - I dengan JJ matriks yang semua unsurnya satu. Matriks JJ berank 11 dengan Jv=3vJv = 3v untuk v=(1,1,1)v = (1,1,1) dan Jw=0Jw = 0 pada bidang x+y+z=0x + y + z = 0: jadi spektrum BB adalah {2,1}\{2, -1\} dengan ruang eigen Vect(1,1,1)\operatorname{Vect}(1,1,1) (berdimensi 11) dan {x+y+z=0}\{x + y + z = 0\} (berdimensi 22, dengan basis (1,1,0),(1,0,1)(1,-1,0), (1,0,-1)). Maka PP yang berkolomkan ketiganya memberi P1BP=diag(2,1,1)P^{-1}BP = \operatorname{diag}(2, -1, -1).

Latihan 3.2

Tunjukkan bahwa C=(1101)C = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 0 & 1\end{pmatrix} tidak dapat didiagonalkan, dengan dua cara: lewat ruang eigen, dan lewat polinomial minimal.

Solusi

Solusi Latihan 3.2.

Lewat ruang eigen: χC=(X1)2\chi_C = (X-1)^2, dengan satu nilai eigen 11; ker(CI)=ker(0100)\ker(C - I) = \ker\begin{pmatrix} 0&1\\ 0&0\end{pmatrix} adalah garis Vect(e1)\operatorname{Vect}(e_1), berdimensi 1<2=m11 < 2 = m_1, jadi tidak dapat didiagonalkan (Teorema 3.6).

Lewat polinomial minimal: μC\mu_C membagi (X1)2(X-1)^2 dan CIC \neq I, jadi μC=(X1)2\mu_C = (X-1)^2: akarnya ganda, sehingga tidak dapat didiagonalkan (Akibat 3.17).

Latihan 3.3

Misalkan uu memenuhi u25u+6id=0u^2 - 5u + 6\,\mathrm{id} = 0. Buktikan bahwa uu dapat didiagonalkan, tentukan spektrum yang mungkin, lalu hitung uku^k sebagai kombinasi id\mathrm{id} dan uu.

Solusi

Solusi Latihan 3.3.

X25X+6=(X2)(X3)X^2 - 5X + 6 = (X-2)(X-3): terurai lengkap dengan akar sederhana, jadi uu dapat didiagonalkan (Akibat 3.17), dengan Sp(u){2,3}\operatorname{Sp}(u) \subseteq \{2, 3\}. Spektrum yang mungkin: {2}\{2\} (yaitu u=2idu = 2\,\mathrm{id}), {3}\{3\} (yaitu u=3idu = 3\,\mathrm{id}), atau {2,3}\{2, 3\}.

Pangkatnya: carilah uk=akid+bkuu^k = a_k\,\mathrm{id} + b_k\,u. Pada ruang eigennya, syarat itu berbunyi 2k=ak+2bk2^k = a_k + 2b_k dan 3k=ak+3bk3^k = a_k + 3b_k; setelah diselesaikan, bk=3k2kb_k = 3^k - 2^k dan 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 .

(Berlaku untuk ketiga spektrumnya: kesamaannya berlaku nilai eigen demi nilai eigen.)

Latihan 3.4 ★★

Misalkan uu dapat didiagonalkan dan FF subruang yang stabil. Buktikan bahwa uFu|_F dapat didiagonalkan (batasi sebuah polinomial penganihilasi yang terurai lengkap dengan akar sederhana).

Solusi

Solusi Latihan 3.4.

Karena uu dapat didiagonalkan, P=λ(Xλ)P = \prod_{\lambda}(X - \lambda) atas spektrumnya menganihilasi uu, terurai lengkap, dan berakar sederhana. Maka P(uF)=P(u)F=0P(u|_F) = P(u)|_F = 0: pembatasannya dianihilasi oleh polinomial terurai lengkap yang berakar sederhana, jadi ia dapat didiagonalkan (Akibat 3.17).

Latihan 3.5 ★★

(Fibonacci) Misalkan A=(1110)A = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}. Diagonalkan AA atas R\R, lalu turunkan rumus Binet untuk barisan 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}.
Solusi

Solusi Latihan 3.5.

Di sini χA=X2X1\chi_A = X^2 - X - 1, dengan akar φ\varphi dan ψ\psi yang berbeda: jadi dapat didiagonalkan, dengan vektor eigen (φ,1)(\varphi, 1) dan (ψ,1)(\psi, 1). Rekurensinya memberi (Fn+1Fn)=An(10)\begin{pmatrix} F_{n+1}\\ F_n \end{pmatrix} = A^n \begin{pmatrix}1\\ 0\end{pmatrix}. Uraikan (1,0)(1, 0) pada vektor eigennya: (1,0)=1φψ((φ,1)(ψ,1))(1,0) = \frac{1}{\varphi - \psi}\bigl((\varphi, 1) - (\psi, 1)\bigr) dengan φψ=5\varphi - \psi = \sqrt5. Menerapkan AnA^n mengalikan tiap komponen eigennya dengan pangkat ke-nn nilai eigennya; setelah koordinat keduanya dibaca:

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

(Periksa: n=1n = 1 memberi φψ5=1\frac{\varphi - \psi}{\sqrt5} = 1.)

Latihan 3.6 ★★

Misalkan uL(E)u \in \mathcal{L}(E) dengan u2u^2 dapat didiagonalkan dan uu punya invers (K=CK = \C). Buktikan bahwa uu dapat didiagonalkan. Berilah contoh penyangkal ketika uu tidak punya invers.

Solusi

Solusi Latihan 3.6.

Misalkan P=i(Xμi)P = \prod_i (X - \mu_i) menganihilasi u2u^2, terurai lengkap dengan akar sederhana μi\mu_i (yaitu spektrum u2u^2). Karena uu punya invers, 00 bukan nilai eigen u2u^2 (sebab detu2=(detu)20\det u^2 = (\det u)^2 \neq 0), jadi semua μi0\mu_i \neq 0. Maka

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})

menganihilasi uu:   Q(u)=i(u2μiid)=P(u2)=0\;Q(u) = \prod_i (u^2 - \mu_i\,\mathrm{id}) = P(u^2) = 0. Akarnya ±μi\pm \sqrt{\mu_i} (yakni akar kuadrat kompleks) berbeda sepasang demi sepasang karena μi\mu_i berbeda dan tak nol (sebab μi=μj\sqrt{\mu_i} = -\sqrt{\mu_j} akan memberi μi=μj\mu_i = \mu_j). Terurai lengkap dan berakar sederhana: jadi uu dapat didiagonalkan.

Contoh penyangkal tanpa keterbalikan: u=(0100)u = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix}: di sini u2=0u^2 = 0 dapat didiagonalkan, uu tidak.

Latihan 3.7 ★★

Hitung penguraian Dunford, AkA^k, dan etA\eu^{tA} untuk

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

Solusi Latihan 3.7.

A=2I+NA = 2I + N dengan NN geseran (Ne2=e1N e_2 = e_1, Ne3=e2Ne_3 = e_2), N3=0N^3 = 0, N2=E13N^2 = E_{13}: inilah tepat penguraian Dunfordnya (2I2I diagonal, NN nilpoten, dan keduanya komutatif; ketunggalannya menjadikannya satu-satunya). Binomial atas suku yang komutatif memberi

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}.

Latihan 3.8 ★★

Misalkan AMn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) dengan Ak=IA^k = I untuk suatu k1k \geq 1. Buktikan bahwa AA dapat didiagonalkan dan nilai eigennya adalah akar ke-kk dari satu. Turunkan bahwa matriks kompleks berinvers dan berorde hingga yang serupa dengan matriks segitiga berdiagonal satu adalah identitas.

Solusi

Solusi Latihan 3.8.

Xk1X^k - 1 menganihilasi AA dan terurai lengkap atas C\C dengan kk akar berbeda e2iπj/k\eu^{2\iu\pi j/k}: jadi AA dapat didiagonalkan (Akibat 3.17) dan nilai eigennya, sebagai akar Xk1X^k - 1, adalah akar ke-kk dari satu.

Jika lagi-lagi AA serupa dengan matriks segitiga berdiagonal satu: semua nilai eigennya sama dengan 11, dan AA yang dapat didiagonalkan dengan nilai eigen tunggal 11 pastilah PIP1=IP\,I\,P^{-1} = I.

Latihan 3.9 ★★★

(Diagonalisasi serentak) Misalkan u,vu, v dapat didiagonalkan dan saling komutatif. Buktikan bahwa keduanya dapat didiagonalkan serentak: ada basis yang mendiagonalkan keduanya. (Tiap ruang eigen uu stabil terhadap vv; diagonalkan pembatasan vv di sana, dengan memakai Latihan 3.4.)

Solusi

Solusi Latihan 3.9.

Tulis E=λEλ(u)E = \bigoplus_\lambda E_\lambda(u) (Teorema 3.6). Tiap Eλ(u)E_\lambda(u) stabil terhadap vv: untuk xEλx \in E_\lambda berlaku u(v(x))=v(u(x))=λv(x)u(v(x)) = v(u(x)) = \lambda v(x). Pembatasan vv pada Eλ(u)E_\lambda(u) dapat didiagonalkan (Latihan 3.4): pilihlah basis Eλ(u)E_\lambda(u) yang terdiri atas vektor eigen vv. Menyambung basis-basis itu atas semua λ\lambda memberi basis EE yang vektornya adalah vektor eigen bagi keduanya, yakni uu (lewat keanggotaan di Eλ(u)E_\lambda(u)) dan vv (menurut konstruksinya).

Latihan 3.10 ★★★

Misalkan uL(Cn)u \in \mathcal{L}(\C^n). Buktikan bahwa uu dapat didiagonalkan bila dan hanya bila setiap subruang yang stabil terhadap uu punya subruang pelengkap yang juga stabil terhadap uu. (Untuk \Leftarrow: terapkan sifat itu pada F=λEλ(u)F = \sum_\lambda E_\lambda(u), jumlah semua ruang eigen; jika pelengkap stabil GG tak nol, mentrigonalkan uGu|_G akan menghasilkan vektor eigen uu di dalam GG — yang bertentangan dengan GF={0}G \cap F = \{0\}.)

Solusi

Solusi Latihan 3.10.

(\Rightarrow) Misalkan uu dapat didiagonalkan dan FF stabil. Maka uFu|_F dapat didiagonalkan (Latihan 3.4): jadi FF punya basis berisi vektor eigen, yang di dalam tiap ruang eigen global EλE_\lambda dapat diperluas menjadi basis EλE_\lambda (lewat teorema basis tak lengkap di dalam EλE_\lambda, berawal dari bagian basis FF yang terletak di sana — perhatikan F=λ(FEλ)F = \bigoplus_\lambda (F \cap E_\lambda) sebab uFu|_F dapat didiagonalkan). Vektor yang ditambahkan tadi merentang pelengkap yang stabil (masing-masing terletak di suatu EλE_\lambda, jadi rentangnya stabil terhadap uu).

(\Leftarrow) Misalkan F=λEλ(u)F = \sum_\lambda E_\lambda(u) (sebuah subruang stabil) dan GG pelengkapnya yang stabil. Jika G{0}G \neq \{0\}, maka χuG\chi_{u|_G} terurai lengkap atas C\C, sehingga uGu|_G punya vektor eigen xGx \in G (Teorema 3.9, atau langsung lewat keberadaan akarnya); tetapi setiap vektor eigen uu terletak di FF, jadi xFG={0}x \in F \cap G = \{0\}: kontradiksi. Karenanya G={0}G = \{0\} dan E=FE = F: ruang eigennya mengisi EE, yakni uu dapat didiagonalkan.

Latihan 3.11 ★★★

(Jari-jari spektral ala Gelfand ringan, cicipan analisis pada 2×22\times2) Misalkan AM2(C)A \in \mathcal{M}_2(\C) dengan kedua nilai eigennya bermodulus <1< 1. Buktikan bahwa Ak0A^k \to 0 unsur demi unsur ketika kk \to \infty. (Trigonalkan: A=P(T)P1A = P(T)P^{-1} dengan TT segitiga atas; hitung TkT^k secara gamblang — bedakan nilai eigen yang sama dan yang berbeda — lalu batasi.)

Solusi

Solusi Latihan 3.11.

Trigonalkan: A=PTP1A = PTP^{-1}, T=(λc0μ)T = \begin{pmatrix} \lambda & c\\ 0 & \mu\end{pmatrix}, dengan λ,μ<1\abs\lambda, \abs\mu < 1. Maka Ak=PTkP1A^k = PT^kP^{-1}, sehingga cukuplah menunjukkan Tk0T^k \to 0.

Nilai eigen berbeda: induksi memberi

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

dan tiap unsurnya menuju 00 (sebab λk,μk0\abs{\lambda}^k, \abs\mu^k \to 0).

Nilai eigen sama (μ=λ\mu = \lambda): di sini T=λI+cE12T = \lambda I + cE_{12} dan Tk=λkI+kλk1cE12T^k = \lambda^k I + k\lambda^{k-1}cE_{12}; unsur kλk10k\lambda^{k-1} \to 0 karena λ<1\abs\lambda < 1 (geometri mengalahkan polinomial). Pada kedua kasusnya Tk0T^k \to 0 unsur demi unsur, sehingga Ak=PTkP10A^k = PT^kP^{-1} \to 0 (perkalian matriks oleh P,P1P, P^{-1} yang tetap bersifat kontinu pada unsurnya — tiap unsur hasil kalinya adalah kombinasi linear yang tetap).

Latihan 3.12 ★★

Misalkan uL(Cn)u \in \mathcal{L}(\C^n) dengan rku=1\operatorname{rk} u = 1 (n2n \geq 2). Tunjukkan bahwa χu=Xn1(Xtru)\chi_u = X^{n-1}(X - \operatorname{tr} u), dan bahwa uu dapat didiagonalkan bila dan hanya bila tru0\operatorname{tr} u \neq 0. (Ingat kembali dari Latihan 2.5 bahwa u2=(tru)uu^2 = (\operatorname{tr} u)\,u.)

Solusi

Solusi Latihan 3.12.

Kernel keru\ker u berdimensi n1n - 1 (rank–nulitas), jadi 00 adalah nilai eigen bermultiplisitas geometrik n1n - 1, dan χu\chi_u habis dibagi Xn1X^{n-1} (Definisi 3.3: geometrik \leq aljabar). Tulis χu=Xn1(Xα)\chi_u = X^{n-1}(X - \alpha); karena koefisien Xn1X^{n-1} adalah tru-\operatorname{tr} u, diperoleh α=tru\alpha = \operatorname{tr} u, yakni χu=Xn1(Xtru)\chi_u = X^{n-1}(X - \operatorname{tr} u).

Jika tru0\operatorname{tr} u \neq 0: nilai eigen tru\operatorname{tr} u adalah akar χu\chi_u, jadi ia mengusung vektor eigen; ruang eigen untuk 00 dan untuk tru\operatorname{tr} u berdimensi n1n - 1 dan 1\geq 1, yang berjumlah n\geq n: keduanya mengisi EE, sehingga uu dapat didiagonalkan (Teorema 3.6). Jika tru=0\operatorname{tr} u = 0: menurut Latihan 2.5, u2=(tru)u=0u^2 = (\operatorname{tr} u)u = 0 padahal u0u \neq 0, jadi uu 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 un+k=ak1un+k1++a0unu_{n+k} = a_{k-1}u_{n+k-1} + \dots + a_0 u_n 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 iQi(n)λin\sum_i Q_i(n)\lambda_i^n atas akar polinomial karakteristiknya), lalu membelanjakan panennya untuk penghampiran Diophantus atas 2\sqrt2, 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 k1k \geq 1, skalar a0,,ak1Ca_0, \dots, a_{k-1} \in \C dengan a00a_0 \neq 0, polinomial monik P=Xkak1Xk1a1Xa0P = X^k - a_{k-1}X^{k-1} - \dots - a_1 X - a_0, dan rekurensi

(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).

Matriks pendamping bagi PP adalah

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).

Bagian I — Kamus pendamping.

  1. Tunjukkan bahwa sebuah barisan (un)(u_n) memenuhi (R)(\mathcal R) bila dan hanya bila vektor vn=(un,un+1,,un+k1)Tv_n = (u_n, u_{n+1}, \dots, u_{n+k-1})^{\mathsf T} memenuhi vn+1=Cvnv_{n+1} = Cv_n, sehingga vn=Cnv0v_n = C^n v_0.
  2. Buktikan bahwa χC=P\chi_C = P (uraikan det(XIC)\det(XI - C) sepanjang kolom pertama lalu berinduksi pada kk), lalu bahwa μC=P\mu_C = P juga (beralihlah ke CTC^{\mathsf T}, yang e1e_1-nya siklik, dan perhatikan bahwa sebuah matriks dan transposnya punya polinomial minimal yang sama).
  3. Tunjukkan bahwa untuk tiap akar λ\lambda pada PP, vektor (1,λ,,λk1)T(1, \lambda, \dots, \lambda^{k-1})^{\mathsf T} merentang ruang eigen CC bagi λ\lambda; lalu turunkan bahwa setiap ruang eigen CC berdimensi 11, dan bahwa CC dapat didiagonalkan bila dan hanya bila PP punya kk akar yang berbeda.
  4. Andaikan PP punya akar berbeda λ1,,λk\lambda_1, \dots, \lambda_k. Tunjukkan bahwa barisan geometri (λin)n(\lambda_i^n)_n membentuk basis ruang penyelesaian (R)(\mathcal R), sehingga setiap penyelesaiannya berbentuk un=iciλinu_n = \sum_i c_i\lambda_i^n untuk konstanta cic_i yang tunggal.
  5. Selesaikan seluruhnya: un+2=un+1+6unu_{n+2} = u_{n+1} + 6u_n, u0=1u_0 = 1, u1=8u_1 = 8.

Bagian II — Operator geser dan teorema dasarnya. Misalkan S\mathcal{S} ruang vektor atas C\C yang berisi semua barisan kompleks dan SL(S)S \in \mathcal{L}(\mathcal{S}) operator geser, S((un)n)=(un+1)nS\bigl((u_n)_n\bigr) = (u_{n+1})_n.

  1. Tunjukkan bahwa himpunan penyelesaian (R)(\mathcal R) adalah kerP(S)\ker P(S), dan bahwa dimensinya tepat kk (petakan sebuah penyelesaian ke nilai awalnya).
  2. Jelaskan mengapa lema penguraian kernel (Teorema 3.14) berlaku bagi SS pada S\mathcal{S} yang berdimensi tak hingga tanpa perubahan apa pun, lalu tuliskan penguraian kerP(S)\ker P(S) yang dihasilkannya untuk P=i=1r(Xλi)miP = \prod_{i=1}^{r}(X - \lambda_i)^{m_i} (dengan λi\lambda_i berbeda dan semuanya tak nol karena a00a_0 \neq 0).
  3. Untuk λ0\lambda \neq 0 dan m1m \geq 1, tunjukkan bahwa

    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\},

    yang berdimensi mm. (Hitung (Sλ)(Q(n)λn)=λn+1(ΔQ)(n)(S - \lambda)\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr) = \lambda^{n+1}(\Delta Q)(n) dengan ΔQ=Q(X+1)Q(X)\Delta Q = Q(X + 1) - Q(X), lalu pakai kenyataan bahwa Δ\Delta menurunkan derajatnya; untuk dimensinya, batasi dengan mm lewat nilai awalnya.)

  4. (Teorema dasar rekurensi linear) Simpulkan: jika P=i=1r(Xλi)miP = \prod_{i=1}^{r}(X - \lambda_i)^{m_i} dengan λi\lambda_i berbeda dan tak nol, maka penyelesaian (R)(\mathcal R) persis semua barisan

    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],

    dengan polinomial QiQ_i yang tertentu secara tunggal.

  5. Selesaikan seluruhnya: un+2=4un+14unu_{n+2} = 4u_{n+1} - 4u_n, u0=1u_0 = 1, u1=0u_1 = 0, lalu periksa jawabannya pada u2u_2.

Bagian III — Akar dominan dan panen Diophantus.

  1. Andaikan akarnya sederhana dengan λ1>λi\abs{\lambda_1} > \abs{\lambda_i} untuk i2i \geq 2, dan un=iciλinu_n = \sum_i c_i \lambda_i^n dengan c10c_1 \neq 0. Tunjukkan unc1λ1nu_n \sim c_1\lambda_1^n dan un+1/unλ1u_{n+1}/u_n \to \lambda_1.
  2. (Pell) Tetapkan 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. Tunjukkan bahwa q(a,b)=a22b2q(a, b) = a^2 - 2b^2 memenuhi q(an+1,bn+1)=q(an,bn)q(a_{n+1}, b_{n+1}) = -q(a_n, b_n), sehingga an22bn2=(1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (-1)^{n+1}; lalu kaitkan hal itu dengan determinan M=(1211)M = \left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 1 & 1\end{smallmatrix}\right).
  3. Turunkan taksiran galat

    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},

    lalu tunjukkan bahwa galat itu meluruh secara geometri dengan rasio 3223 - 2\sqrt2 (carilah nilai eigen MM dan laju tumbuh bnb_n).

  4. (Laju tumbuh umum) Dari pertanyaan 9, buktikan: (a) jika setiap akarnya memenuhi λiρ\abs{\lambda_i} \leq \rho, maka unCnm1ρn\abs{u_n} \leq C\,n^{m-1}\rho^n dengan m=maximim = \max_i m_i; (b) jika ada satu akar tunggal λ1\lambda_1 yang modulusnya maksimal dan Q10Q_1 \neq 0, maka un+1/unλ1u_{n+1}/u_n \to \lambda_1 — periksalah hal itu pada penyelesaian pertanyaan 10.

Bagian IV — Mencacah jalan dan kata. Untuk sebuah graf hingga dengan himpunan simpul {1,,N}\{1, \dots, N\}, matriks ketetanggaan AA punya Aij=1A_{ij} = 1 bila ijij sebuah rusuk, dan 00 bila bukan.

  1. Buktikan bahwa (An)ij(A^n)_{ij} adalah banyaknya jalan berpanjang nn dari ii ke jj (rangkaian nn rusuk, tiap langkahnya menyusuri sebuah rusuk).
  2. (Segitiga) Untuk graf lengkap atas 33 simpul, berlaku A=JIA = J - I: dengan memakai spektrum JJ (Contoh 2.19), tunjukkan

    (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),

    lalu periksa keduanya pada n=2n = 2 dengan mendaftar jalannya.

  3. (Kata tanpa 1111) Misalkan wnw_n banyaknya kata biner berpanjang nn yang tidak punya dua angka 11 berurutan. Sandikan katanya menurut huruf terakhirnya untuk memperoleh matriks transfer, tunjukkan wn+2=wn+1+wnw_{n+2} = w_{n+1} + w_n, turunkan wn=Fn+2w_n = F_{n+2} (Fibonacci, Latihan 3.5), lalu berikan laju tumbuhnya limwn+1/wn\lim w_{n+1}/w_n.
  4. (Lintasan) Untuk graf lintasan 1231 - 2 - 3, tunjukkan bahwa nilai eigen AA adalah 2,0,2\sqrt2, 0, -\sqrt2 dengan vektor eigen (1,±2,1)(1, \pm\sqrt2, 1) dan (1,0,1)(1, 0, -1), lalu turunkan bahwa banyaknya jalan berpanjang nn dari ujung ke ujung adalah ((2)n+(2)n)/4\bigl((\sqrt2)^n + (-\sqrt2)^n\bigr)/4: nol untuk nn ganjil, dan 2n/212^{\,n/2 - 1} untuk nn genap. Periksalah pada n=4n = 4.
  5. (Rumus trace) Tunjukkan bahwa banyaknya seluruh jalan tertutup berpanjang nn (dari semua titik awal) adalah tr(An)=iλin\operatorname{tr}(A^n) = \sum_i \lambda_i^n, lalu periksalah pada segitiga.

Bagian V — Sebuah cincin barisan: diagonalisasi serentak. Tetapkan k3k \geq 3, misalkan ω=e2iπ/k\omega = \eu^{2\iu\pi/k}, dan misalkan WMk(C)W \in \mathcal{M}_k(\C) geseran siklik: Wei=ei+1W e_i = e_{i+1} (indeks modulo kk, dengan kolom berindeks 0,,k10, \dots, k-1).

  1. Tunjukkan bahwa WTW^{\mathsf T} adalah matriks pendamping bagi Xk1X^k - 1, lalu turunkan χW=μW=Xk1\chi_W = \mu_W = X^k - 1, dan bahwa WW dapat didiagonalkan dengan kk nilai eigen sederhana ωj\omega^j beserta vektor eigen fj=(1,ωj,ω2j,,ω(k1)j)Tf_j = (1, \omega^{-j}, \omega^{-2j}, \dots, \omega^{-(k-1)j})^{\mathsf T}.
  2. Matriks sirkulan adalah C=c0I+c1W++ck1Wk1C = c_0 I + c_1 W + \dots + c_{k-1}W^{k-1}. Tunjukkan bahwa semua sirkulan saling komutatif, bahwa basis (f0,,fk1)(f_0, \dots, f_{k-1}) mendiagonalkan semuanya serentak, dan bahwa nilai eigen CC adalah c^(ωj)=mcmωjm\widehat c(\omega^j) = \sum_m c_m \omega^{jm}, j=0,,k1j = 0, \dots, k-1.
  3. Turunkan detC=j=0k1c^(ωj)\det C = \prod_{j=0}^{k-1} \widehat c(\omega^j), lalu periksa bahwa k=3k = 3 memulihkan pemfaktoran pada Latihan 2.8.
  4. (Rata-rata kalung) Misalkan x(n+1)=Mx(n)x^{(n+1)} = Mx^{(n)} dengan M=12(W+W1)M = \frac12(W + W^{-1}): masing-masing dari kk bilangan yang tersusun melingkar diganti dengan rata-rata kedua tetangganya. Tunjukkan bahwa nilai eigen MM adalah cos(2πj/k)\cos(2\pi j/k), dan bahwa koefisien x(0)x^{(0)} pada f0f_0 adalah rata-rata 1kmxm(0)\frac1k\sum_m x^{(0)}_m (jumlahkan koordinat tiap fjf_j).
  5. Simpulkan: untuk kk ganjil, x(n)x^{(n)} konvergen ke vektor konstan yang nilainya rata-rata nilai awalnya; sedangkan untuk k=4k = 4, tunjukkan nilai eigen yang bertanggung jawab atas ketakkonvergenannya beserta halangannya yang tepat (yaitu koefisien rata-rata berselang-seling yang wajib nol).
  6. (Rangkuman) Dengan satu kalimat untuk masing-masing: bagaimana matriks pendamping mengubah telaah (R)(\mathcal R) 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 k1k - 1 koordinat pertama pada CvnCv_n adalah un+1,,un+k1u_{n+1}, \dots, u_{n+k-1} (karena superdiagonalnya menggeser), dan yang terakhir adalah a0un++ak1un+k1a_0 u_n + \dots + a_{k-1}u_{n+k-1}. Jadi vn+1=Cvnv_{n+1} = Cv_n berlaku untuk setiap nn bila dan hanya bila koordinat terakhirnya cocok untuk setiap nn, yakni bila dan hanya bila (R)(\mathcal R) berlaku. Dengan mengiterasikannya, vn=Cnv0v_n = C^nv_0.

2. Uraikan Dk(X)=det(XIkC)D_k(X) = \det(XI_k - C) sepanjang kolom pertama: kedua unsurnya yang tak nol adalah XX (pada kedudukan (1,1)(1,1)) dan a0-a_0 (pada kedudukan (k,1)(k,1)). Minor pertamanya berbentuk Dk1D_{k-1} untuk koefisien a1,,ak1a_1, \dots, a_{k-1}; minor keduanya segitiga atas dengan diagonal 1-1, jadi determinannya (1)k1(-1)^{k-1}, dengan tanda (1)k+1(-1)^{k+1} dari kedudukannya. Induksi pada kk (dengan pangkal k=1k = 1: Xa0X - a_0) memberi

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).

Untuk μC\mu_C: karena Q(CT)=Q(C)TQ(C^{\mathsf T}) = Q(C)^{\mathsf T} untuk setiap polinomial, CC dan CTC^{\mathsf T} punya penganihilasi yang sama, jadi punya polinomial minimal yang sama. Untuk CTC^{\mathsf T}: kolomnya berbunyi CTe1=e2C^{\mathsf T}e_1 = e_2, …, CTek1=ekC^{\mathsf T}e_{k-1} = e_k, sehingga (e1,CTe1,,(CT)k1e1)(e_1, C^{\mathsf T}e_1, \dots, (C^{\mathsf T})^{k-1}e_1) tak lain basis kanoniknya: bebas. Maka polinomial Q0Q \neq 0 berderajat <k< k punya Q(CT)e10Q(C^{\mathsf T})e_1 \neq 0 (sebab ia kombinasi tak trivial atas vektor basis), jadi degμk\deg\mu \geq k. Karena μχ=P\mu \mid \chi = P dengan degP=k\deg P = k: μC=P\mu_C = P.

3. Untuk v=(1,λ,,λk1)Tv = (1, \lambda, \dots, \lambda^{k-1})^{\mathsf T}: baris 11 sampai k1k-1 pada CvCv memberi λ,λ2,,λk1\lambda, \lambda^2, \dots, \lambda^{k-1}, yakni λ\lambda kali k1k - 1 unsur pertama vv; sedangkan baris terakhirnya memberi mamλm=λkP(λ)=λk=λλk1\sum_m a_m\lambda^m = \lambda^k - P(\lambda) = \lambda^k = \lambda\cdot\lambda^{k-1}. Jadi Cv=λvCv = \lambda v. Sebaliknya, persamaan (Cx)i=λxi(Cx)_i = \lambda x_i untuk i<ki < k berbunyi xi+1=λxix_{i+1} = \lambda x_i: jadi setiap vektor eigen sebanding dengan vv — artinya tiap ruang eigen berdimensi tepat 11. Dapat didiagonalkan bila dan hanya bila dimensi ruang eigennya berjumlah kk (Teorema 3.6), bila dan hanya bila ada kk nilai eigen berbeda, bila dan hanya bila PP punya kk akar berbeda (sebab nilai eigennya adalah akar χC=P\chi_C = P).

4. Tiap (λin)n(\lambda_i^n)_n menyelesaikan (R)(\mathcal R), sebab λin+k=λinλik=λinmamλim\lambda_i^{n+k} = \lambda_i^n\,\lambda_i^k = \lambda_i^n\sum_m a_m\lambda_i^m. Kebebasannya: kombinasi yang nol, iciλin=0\sum_i c_i\lambda_i^n = 0 untuk n=0,,k1n = 0, \dots, k-1, merupakan sistem Vandermonde (Latihan 2.11) pada cic_i: jadi semua ci=0c_i = 0. Ruang penyelesaiannya berdimensi kk (pertanyaan 6, yang buktinya dasar dan berdiri sendiri): jadi kk penyelesaian bebas membentuk basis, dan koordinatnya tunggal.

5. P=X2X6=(X3)(X+2)P = X^2 - X - 6 = (X - 3)(X + 2): penyelesaian umumnya un=A3n+B(2)nu_n = A\,3^n + B(-2)^n. Syarat awalnya: A+B=1A + B = 1, 3A2B=83A - 2B = 8, jadi A=2A = 2 dan B=1B = -1:

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

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

6. P(S)((un))P(S)\bigl((u_n)\bigr) adalah barisan nun+kak1un+k1a0unn \mapsto u_{n+k} - a_{k-1}u_{n+k-1} - \dots - a_0u_n: ia nol bila dan hanya bila (R)(\mathcal R) berlaku, jadi himpunan penyelesaiannya adalah kerP(S)\ker P(S), sebuah subruang. Pemetaan kerP(S)Ck\ker P(S) \to \C^k, u(u0,,uk1)u \mapsto (u_0, \dots, u_{k-1}), bersifat linear, injektif (sebab rekurensinya menentukan uk,uk+1,u_{k}, u_{k+1}, \dots dari kk nilai pertamanya, secara induktif) dan surjektif (tetapkan unu_n secara rekursif dari data awal apa pun): jadi dimensinya kk.

7. Bukti Teorema 3.14 hanya memakai kesamaan Bézout di C[X]\C[X] serta kenyataan bahwa polinomial dalam satu endomorfisma tetap saling komutatif. Tak satu pun menyinggung dimensi ruang sekitarnya: jadi lemanya berlaku kata demi kata bagi SL(S)S \in \mathcal{L}(\mathcal{S}). Karenanya

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

8. Untuk QC[X]Q \in \C[X]: barisan (Sλ)(Q(n)λn)n(S - \lambda)\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr)_n bersuku ke-nn 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), dengan ΔQ=Q(X+1)Q(X)\Delta Q = Q(X{+}1) - Q(X) berderajat degQ1\deg Q - 1 (sebab suku utamanya saling coret). Dengan mengiterasikannya, (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, dan ΔmQ=0\Delta^m Q = 0 bila degQm1\deg Q \leq m - 1: jadi himpunan di ruas kanan termuat di kernelnya. Kernel itu subruang berdimensi mm: barisan (njλn)n(n^j\lambda^n)_n, 0j<m0 \leq j < m, bersifat bebas, sebab jcjnjλn=0\sum_j c_j n^j\lambda^n = 0 untuk setiap nn memaksa (setelah dibagi λn0\lambda^n \neq 0) polinomial jcjXj\sum_j c_jX^j bernilai nol di setiap nNn \in \N, jadi memaksanya menjadi nol. Sebaliknya dimker(Sλ)mm\dim\ker(S - \lambda)^m \leq m: setelah (Sλ)m=j(mj)(λ)mjSj(S - \lambda)^m = \sum_j \binom mj(-\lambda)^{m-j}S^j diuraikan, persamaan (Sλ)mu=0(S - \lambda)^m u = 0 menjadi rekurensi linear berorde mm (dengan koefisien utama 11), sehingga uu ditentukan oleh u0,,um1u_0, \dots, u_{m-1} seperti pada pertanyaan 6. Kesamaan dimensinya merampungkan buktinya.

9. Gabungkan pertanyaan 7 dan 8: setiap penyelesaian terurai secara tunggal sebagai jumlah unsur ker(Sλi)mi\ker(S - \lambda_i)^{m_i}, yakni un=iQi(n)λinu_n = \sum_i Q_i(n)\lambda_i^n dengan degQimi1\deg Q_i \leq m_i - 1; polinomial QiQ_i itu tunggal karena penguraiannya langsung dan, di dalam tiap sukunya, koefisien QiQ_i adalah koordinat pada basis (njλin)j(n^j\lambda_i^n)_j (pertanyaan 8). Pemeriksaan kewarasan pada dimensinya: imi=k\sum_i m_i = k.

10. P=X24X+4=(X2)2P = X^2 - 4X + 4 = (X - 2)^2: penyelesaiannya (a+bn)2n(a + bn)2^n. Data awalnya: a=1a = 1, 2(a+b)=02(a + b) = 0, jadi b=1b = -1:

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

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

11. Tulis 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); tiap rasionya bermodulus <1< 1, jadi kurungnya menuju c10c_1 \neq 0: karenanya unc1λ1nu_n \sim c_1\lambda_1^n. Khususnya un0u_n \neq 0 untuk nn yang besar, dan

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. Hitunglah:

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).

Karena q(a0,b0)=12=1q(a_0, b_0) = 1 - 2 = -1, diperoleh an22bn2=(1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (-1)^{n+1}. Secara struktural: q(a,b)=(a2b)(a+2b)q(a, b) = (a - \sqrt2\,b)(a + \sqrt2\,b) dan pemetaan linear MM mengalikan faktor a+2ba + \sqrt2 b dengan 1+21 + \sqrt2 serta faktor a2ba - \sqrt2 b dengan 121 - \sqrt2 (hitunglah: an+1+2bn+1=(1+2)(an+2bn)a_{n+1} + \sqrt2 b_{n+1} = (1 + \sqrt2)(a_n + \sqrt2 b_n)); jadi hasil kalinya dikalikan (1+2)(12)=1=detM(1 + \sqrt2)(1 - \sqrt2) = -1 = \det M pada tiap langkah.

13. Karena 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}, berlaku

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},

dengan memakai anbn1a_n \geq b_n \geq 1 (secara induktif keduanya naik) sehingga an+2bn(1+2)bn2bna_n + \sqrt2 b_n \geq (1 + \sqrt2)b_n \geq 2b_n. Nilai eigen MM: χM=X22X1\chi_M = X^2 - 2X - 1, dengan akar 1±21 \pm \sqrt2; karena (a0,b0)(a_0, b_0) punya komponen tak nol pada vektor eigen dominannya (semua unsurnya positif), berlaku bnc(1+2)nb_n \sim c(1 + \sqrt2)^n dengan c>0c > 0 (pertanyaan 11). Karenanya galatnya (1+2)2n=(3+22)n\asymp (1 + \sqrt2)^{-2n} = (3 + 2\sqrt2)^{-n}: peluruhan geometri dengan rasio 1/(3+22)=3220.1721/(3 + 2\sqrt2) = 3 - 2\sqrt2 \approx 0.172.

14. (a) Dari pertanyaan 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, dan tiap Qi(n)Cinmi1Cinm1\abs{Q_i(n)} \leq C_i n^{m_i - 1} \leq C_i n^{m-1} untuk n1n \geq 1: jumlahkan konstantanya. (b) Misalkan ρ=maxi2λi<λ1\rho' = \max_{i \geq 2}\abs{\lambda_i} < \abs{\lambda_1} dan d=degQ1d = \deg Q_1 dengan koefisien utama c0c \neq 0. Maka un=Q1(n)λ1n+Rnu_n = Q_1(n)\lambda_1^n + R_n dengan RnCnm1ρn\abs{R_n} \leq Cn^{m-1}\rho'^n, dan

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

(sebab geometri mengalahkan polinomial). Jadi

unQ1(n)λ1ncndλ1n,un+1unλ1(sebab 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{(sebab } Q_1(n{+}1)/Q_1(n) \to 1\text{)}.

Periksa pada pertanyaan 10: untuk un=(1n)2nu_n = (1-n)2^n rasionya adalah

(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. Induksi pada nn. Untuk n=1n = 1, AijA_{ij} mencacah jalan berpanjang 11. Langkahnya: jalan berpanjang n+1n + 1 dari ii ke jj adalah jalan berpanjang nn dari ii ke suatu simpul \ell yang disusul rusuk j\ell j:

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

16. Di sini J=3ΠJ = 3\Pi dengan Π=J/3\Pi = J/3 proyeksi pada Vect(1,1,1)\operatorname{Vect}(1,1,1) sepanjang bidang x+y+z=0x + y + z = 0 (sebab Π2=Π\Pi^2 = \Pi karena J2=3JJ^2 = 3J). Maka A=JI=2Π(IΠ)A = J - I = 2\Pi - (I - \Pi), dan karena Π\Pi dan IΠI - \Pi merupakan proyeksi yang saling melengkapi,

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

sehingga diperoleh kedua rumus yang tertulis tadi. Pada n=2n = 2: diagonalnya (4+2)/3=2(4 + 2)/3 = 2 (yaitu jalan iii \to \ell \to i lewat kedua tetangga \ell); di luar diagonal (41)/3=1(4 - 1)/3 = 1 (yaitu satu-satunya jalan iji \to \ell \to j lewat simpul ketiga).

17. Misalkan wn(0),wn(1)w_n^{(0)}, w_n^{(1)} mencacah kata yang sah dan berpanjang nn, berturut-turut yang berakhiran 00 dan 11. Menambahkan satu huruf: angka 00 boleh menyusul apa saja, angka 11 hanya boleh menyusul 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}.

Setelah dijumlahkan, wn+2=wn+1+wnw_{n+2} = w_{n+1} + w_n (atau: syaratkan huruf pertamanya). Dengan w1=2w_1 = 2, w2=3w_2 = 3: secara induktif wn=Fn+2w_n = F_{n+2} (sebab F3=2F_3 = 2, F4=3F_4 = 3, dengan rekurensi yang sama). Laju tumbuhnya: akar X2X1X^2 - X - 1 adalah φ>ψ\varphi > \abs\psi (Latihan 3.5), dan komponen φ\varphi-nya tak nol (sebab wnw_n positif dan ψn0\psi^n \to 0), jadi pertanyaan 11 memberi wn+1/wnφ=1+52w_{n+1}/w_n \to \varphi = \frac{1 + \sqrt5}2.

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

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 :

sehingga nilai eigennya 2,2,0\sqrt2, -\sqrt2, 0 (=2cosπ4,2cos3π4,2cosπ2= 2\cos\frac\pi4, 2\cos\frac{3\pi}4, 2\cos\frac\pi2). Uraikan e1e_1 pada basis eigennya lalu baca koordinat ketiganya, atau pakailah kesetangkupan: dengan v±=(1,±2,1)v_\pm = (1, \pm\sqrt2, 1), v0=(1,0,1)v_0 = (1, 0, -1), terperiksa e1=14v++14v+12v0e_1 = \frac14 v_+ + \frac14 v_- + \frac12 v_0, sehingga untuk 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},

yang nol untuk nn ganjil (grafnya bipartit: kedua ujungnya berjarak genap), dan 22n/2/4=2n/212\cdot 2^{n/2}/4 = 2^{n/2 - 1} untuk nn genap. Pada n=4n = 4: 21=22^{1} = 2, yang cocok dengan kedua jalan 121231\,2\,1\,2\,3 dan 123231\,2\,3\,2\,3.

19. Jalan tertutup berpanjang nn dari ii berjumlah (An)ii(A^n)_{ii}; menjumlahkannya atas ii memberi tr(An)\operatorname{tr}(A^n). Setelah AA ditrigonalkan (atas C\C), AnA^n menjadi segitiga dengan diagonal λin\lambda_i^n: jadi tr(An)=iλin\operatorname{tr}(A^n) = \sum_i\lambda_i^n. Untuk segitiganya: 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, yakni spektrum {2,1,1}\{2, -1, -1\}, yang selaras dengan pertanyaan 16.

20. Kolom WTW^{\mathsf T}: WTei=ei1W^{\mathsf T}e_i = e_{i-1} untuk i1i \geq 1 dan WTe0=ek1W^{\mathsf T}e_0 = e_{k-1}; setelah dinamai ulang menurut urutan e0,e1,e_0, e_1, \dots inilah persis matriks pendamping bagi Xk1X^k - 1 (dengan a0=1a_0 = 1 dan am=0a_m = 0 untuk yang lain). Menurut pertanyaan 2: χW=χWT=Xk1=μW\chi_{W} = \chi_{W^{\mathsf T}} = X^k - 1 = \mu_{W}. Akarnya ωj\omega^j (j=0,,k1j = 0, \dots, k-1) adalah kk akar ke-kk dari satu yang berbeda: jadi WW dapat didiagonalkan (pertanyaan 3, atau Latihan 3.8: sebab Wk=IW^k = I). Vektor eigennya: 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. Sirkulan adalah polinomial dalam WW, dan polinomial dalam satu matriks tetap saling komutatif. Tiap fjf_j merupakan vektor eigen bagi setiap pangkatnya: Wmfj=ωjmfjW^m f_j = \omega^{jm}f_j, jadi

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

maka basis (f0,,fk1)(f_0, \dots, f_{k-1}) (bebas: Vandermonde atas ωj\omega^{-j} yang berbeda, Latihan 2.11) mendiagonalkan setiap sirkulan sekaligus, dengan nilai eigen seperti dinyatakan tadi.

22. Determinannya adalah hasil kali nilai eigennya (diagonalkan saja): detC=jc^(ωj)\det C = \prod_{j}\widehat c(\omega^j). Untuk k=3k = 3, dengan c0=ac_0 = a, c1=bc_1 = b, c2=cc_2 = c dan 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),

dan j4=jj^4 = j: jadi persis pemfaktoran pada Latihan 2.8.

23. M=12(W+W1)M = \frac12(W + W^{-1}) adalah sirkulan (sebab W1=Wk1W^{-1} = W^{k-1}), dengan nilai eigen 12(ωj+ωj)=cos2πjk\frac12(\omega^j + \omega^{-j}) = \cos\frac{2\pi j}k pada basis fjf_j yang sama. Koordinatnya: tulis x(0)=jαjfjx^{(0)} = \sum_j \alpha_j f_j. Koordinat fjf_j berjumlah mωjm\sum_m \omega^{-jm}, yang bernilai kk untuk j=0j = 0 dan 00 selain itu (jumlah geometri dengan rasio ωj1\omega^{-j} \neq 1). Menjumlahkan koordinat x(0)x^{(0)}: mxm(0)=α0k\sum_m x^{(0)}_m = \alpha_0\,k, jadi α0=1kmxm(0)\alpha_0 = \frac1k\sum_m x^{(0)}_m, yakni rata-ratanya.

24. Di sini 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. Untuk kk ganjil, cos(2πj/k)<1\abs{\cos(2\pi j/k)} < 1 bagi setiap j0j \neq 0 (sebab sudutnya tak pernah 00 atau π\pi), jadi semua sukunya kecuali j=0j = 0 menuju 00: x(n)α0f0x^{(n)} \to \alpha_0 f_0, yakni vektor konstan yang sama dengan rata-ratanya — perataan pada cincin ganjil menyeragamkan. Untuk k=4k = 4 nilai eigennya 1,0,1,01, 0, -1, 0: suku j=2j = 2, yakni α2(1)nf2\alpha_2(-1)^nf_2 dengan f2=(1,1,1,1)Tf_2 = (1, -1, 1, -1)^{\mathsf T}, berayun selamanya. Halangannya adalah rata-rata berselang-seling: setelah koordinat x(0)x^{(0)} dikalikan (1)m(-1)^m lalu dijumlahkan, perhitungan jumlah geometri yang sama memberi m(1)mxm(0)=4α2\sum_m (-1)^mx^{(0)}_m = 4\alpha_2: jadi prosesnya konvergen bila dan hanya bila x0(0)x1(0)+x2(0)x3(0)=0x^{(0)}_0 - x^{(0)}_1 + x^{(0)}_2 - x^{(0)}_3 = 0, dan ketika itu ia konvergen ke rata-ratanya.

25. Matriks pendamping mengubah rekurensi skalar berorde kk menjadi rekurensi vektor berorde satu, sehingga rumus tertutupnya menjadi pernyataan tentang CnC^n — yakni kandang reduksi sendiri (pertanyaan 1–5). Lema penguraian kernel murni aljabar polinomial (Bézout ditambah kekomutatifan), jadi ia memecah kerP(S)\ker P(S) walaupun S\mathcal{S} 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 φ\varphi atau 1+21 + \sqrt2 otomatis real, positif dan sederhana adalah teorema Perron–Frobenius, yang dibuktikan pada jilid Tahun ke-3.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium