Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2

3Reductie van endomorfismen

Om een endomorfisme te doorgronden, zoekt men de richtingen die het alleen maar uitrekt. Dit hoofdstuk bouwt het gereedschap — eigenwaarden, karakteristieke en minimale veeltermen, het kernontbindingslemma — en oogst de vruchten: criteria voor diagonalisatie en trigonalisatie, Cayley–Hamilton, de Dunford-ontbinding, en het berekenen van machten en exponentiëlen waarop Hoofdstuk 16 zal teren. Overal is EE een eindigdimensionale KK-vectorruimte (K=RK = \R of C\C) en u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E), met n=dim⁡En = \dim E.

3.1 Eigenwaarden en eigenvectoren

Definitie 3.1

Een λ∈K\lambda \in K heet een eigenwaarde van uu wanneer u(x)=λxu(x) = \lambda x voor zekere x≠0x \neq 0 (een eigenvector); de eigenruimte is Eλ(u)=ker⁡(u−λ id)E_\lambda(u) = \ker(u - \lambda\,\mathrm{id}). De verzameling van de eigenwaarden is het spectrum Sp⁡(u)\operatorname{Sp}(u). Een deelruimte FF heet stabiel wanneer u(F)⊆Fu(F) \subseteq F; eigenruimten zijn stabiel, en op een stabiele deelruimte is het geïnduceerde endomorfisme u∣Fu|_F gedefinieerd.

Stelling 3.2 (Onafhankelijkheid van de eigenruimten)

Eigenvectoren bij paarsgewijs verschillende eigenwaarden vormen een vrije familie; gelijkwaardig: de som van de eigenruimten Eλ1+⋯+EλrE_{\lambda_1} + \dots + E_{\lambda_r} (met verschillende λi\lambda_i) is direct. In het bijzonder heeft uu hoogstens nn eigenwaarden.

Bewijs. Met inductie naar rr. Stel x1+⋯+xr=0x_1 + \dots + x_r = 0 met xi∈Eλix_i \in E_{\lambda_i}, en neem de uitspraak voor r−1r - 1 aan. Pas uu toe en trek λr\lambda_r maal de relatie af:

∑i=1r−1(λi−λr) xi=0,\sum_{i=1}^{r-1} (\lambda_i - \lambda_r)\, x_i = 0 ,

dus geeft de inductiehypothese (λi−λr)xi=0(\lambda_i - \lambda_r)x_i = 0, dat wil zeggen xi=0x_i = 0 voor i<ri < r, en daarna xr=0x_r = 0. Een directe som van ruimten ongelijk aan nul in een ruimte van dimensie nn heeft hoogstens nn termen. ∎

De matrix A = psmallmatrix2 & 1\\ 1 & 2 psmallmatrix werkend op het vlak: de generieke vector e_1 wordt van zijn rechte af geduwd, maar de eigenrichtingen v_1 = (1,1) en v_2 = (1,-1) worden alleen maar uitgerekt — met 3 en met 1 (zodat Av_2 = v_2: het gestippelde beeld valt samen met v_2). Diagonaliseren is overgaan op de basis (v_1, v_2), waarin A gelijk wordt aan diag(3, 1).
De matrix A=(2112)A = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 1 & 2\end{smallmatrix}\right) werkend op het vlak: de generieke vector e1e_1 wordt van zijn rechte af geduwd, maar de eigenrichtingen v1=(1,1)v_1 = (1,1) en v2=(1,−1)v_2 = (1,-1) worden alleen maar uitgerekt — met 33 en met 11 (zodat Av2=v2Av_2 = v_2: het gestippelde beeld valt samen met v2v_2). Diagonaliseren is overgaan op de basis (v1,v2)(v_1, v_2), waarin AA gelijk wordt aan diag⁡(3,1)\operatorname{diag}(3, 1).

Definitie 3.3 (Karakteristieke veelterm)

χu(X)=det⁡(X id−u)\chi_u(X) = \det(X\,\mathrm{id} - u) — in elke basis berekend als det⁡(XIn−A)\det(XI_n - A), een monische veelterm van graad nn, invariant onder gelijkvormigheid (Stelling 2.17). Haar nulpunten in KK zijn precies de eigenwaarden (λ\lambda eigenwaarde   ⟺  u−λ id\iff u - \lambda\,\mathrm{id} niet injectief   ⟺  χu(λ)=0\iff \chi_u(\lambda) = 0), en

χu(X)=Xn−(tr⁡u) Xn−1+⋯+(−1)ndet⁡u.\chi_u(X) = X^n - (\operatorname{tr} u)\, X^{n-1} + \dots + (-1)^n \det u .

De algebraïsche multipliciteit mλm_\lambda van een eigenwaarde is haar multipliciteit als nulpunt van χu\chi_u; de meetkundige multipliciteit is dim⁡Eλ\dim E_\lambda, en er geldt 1≤dim⁡Eλ≤mλ1 \leq \dim E_\lambda \leq m_\lambda.

Bewijs van de genoemde feiten. De uitspraken over de coëfficiënten: ontwikkel det⁡(XI−A)\det(XI - A) met de permutatieformule; de identieke permutatie draagt ∏i(X−aii)=Xn−(∑aii)Xn−1+…\prod_i (X - a_{ii}) = X^n - (\sum a_{ii})X^{n-1} + \dots bij, en elke andere permutatie houdt hoogstens n−2n - 2 diagonaalplaatsen vast en draagt dus graad ≤n−2\leq n - 2 bij: de twee hoogste coëfficiënten zijn zoals beweerd; en X=0X = 0 geeft de constante term det⁡(−A)=(−1)ndet⁡A\det(-A) = (-1)^n\det A.

Meetkundig ≤\leq algebraïsch: zij d=dim⁡Eλd = \dim E_\lambda en vul een basis van EλE_\lambda aan tot een basis van EE; de matrix van uu is dan blokbovendriehoekig met linksboven het blok λId\lambda I_d, zodat χu(X)=(X−λ)d χ(onderste blok)(X)\chi_u(X) = (X - \lambda)^d\, \chi_{\text{(onderste blok)}}(X): de multipliciteit van λ\lambda is minstens dd. ∎

Voorbeeld 3.4 (Dezelfde χ\chi, andere meetkunde)

De matrices

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

hebben dezelfde karakteristieke veelterm (X−2)2(X - 2)^2, hetzelfde spoor, dezelfde determinant en hetzelfde spectrum — en toch zijn zij niet gelijkvormig: bij de eerste heeft E2E_2 dimensie 22 (meetkundige multipliciteit 22), bij de tweede dimensie 11. De karakteristieke veelterm ziet alleen de algebraïsche multipliciteiten; de dimensies van de eigenruimten zijn de fijnere invariant, en de minimale veelterm beslist (X−2X - 2 tegenover (X−2)2(X - 2)^2). Moraal voor elke bespreking van diagonaliseerbaarheid: χ\chi stelt de kandidatenlijst op, maar de kernen brengen de stemmen uit.

Definitie 3.5 (Diagonaliseerbaar, trigonaliseerbaar)

uu heet diagonaliseerbaar wanneer EE een basis van eigenvectoren bezit (voor een matrix: gelijkvormig met een diagonaalmatrix), en trigonaliseerbaar wanneer haar matrix in een zekere basis bovendriehoekig is.

Stelling 3.6 (Criteria voor diagonaliseerbaarheid)

De volgende uitspraken zijn gelijkwaardig:

  1. uu is diagonaliseerbaar;
  2. E=⨁λ∈Sp⁡uEλE = \bigoplus_{\lambda \in \operatorname{Sp} u} E_\lambda;
  3. χu\chi_u valt over KK in lineaire factoren uiteen en dim⁡Eλ=mλ\dim E_\lambda = m_\lambda voor elke eigenwaarde;
  4. (voldoende, niet nodig) χu\chi_u heeft nn verschillende nulpunten in KK.

Bewijs. (1   ⟺  \iff 2): een basis van eigenvectoren valt uiteen in basissen van de EλE_\lambda, en omgekeerd geeft het aaneenschakelen van basissen van de directe termen een basis van EE (Stelling 3.2 maakt de som direct; de gelijkheid van dimensies maakt haar alles).

(2   ⟺  \iff 3): in de diagonale basis valt χu=∏(X−λ)dim⁡Eλ\chi_u = \prod (X - \lambda)^{\dim E_\lambda} uiteen, met kloppende multipliciteiten. Omgekeerd, stel dat χu\chi_u uiteenvalt met overal dim⁡Eλ=mλ\dim E_\lambda = m_\lambda; dan heeft de directe som van de eigenruimten (direct volgens Stelling 3.2) dimensie

∑λdim⁡Eλ=∑λmλ=deg⁡χu=n,\sum_{\lambda}\dim E_\lambda = \sum_{\lambda} m_\lambda = \deg\chi_u = n ,

waarbij de middelste gelijkheid geldt omdat de graad van een veelterm die in lineaire factoren uiteenvalt de som van haar nulpuntmultipliciteiten is: de som is heel EE. Merk op waar elke hypothese werd gebruikt: het uiteenvallen vulde de graad, de gelijkheid van multipliciteiten vulde de dimensies.

(4 ⇒\Rightarrow 1): nn verschillende eigenwaarden leveren nn onafhankelijke eigenvectoren (Stelling 3.2): een basis. ∎

Methode 3.7 (Diagonaliseerbaarheid beslissen)

Test in de praktijk in deze volgorde — elke stap kan het werk al afmaken. (1) Dient zich een annihilerende veelterm aan die in lineaire factoren met enkelvoudige nulpunten uiteenvalt (u2=idu^2 = \mathrm{id}, u2=uu^2 = u, uk=idu^k = \mathrm{id})? Zo ja: dan is uu diagonaliseerbaar, zonder rekenwerk (Gevolg 3.17 hieronder). (2) Bereken χu\chi_u; heeft zij nn verschillende nulpunten in KK, dan is uu diagonaliseerbaar (Stelling 3.6 (4)). (3) Zo niet, vergelijk dan, uitsluitend voor elk meervoudig nulpunt λ\lambda, de waarde dim⁡ker⁡(u−λ id)\dim\ker(u - \lambda\,\mathrm{id}) met de multipliciteit mλm_\lambda: elk tekort doodt de diagonaliseerbaarheid, en overal gelijkheid bewijst haar. Bereken nooit de eigenruimten van enkelvoudige nulpunten (hun dimensie is gedwongen 11), en trigonaliseer nooit alleen om te beslissen.

Voorbeeld 3.8 (Diagonalisatie aan het werk)

A=I+J=(211121112)A = I + J = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 1\\ 1 & 1 & 2\end{smallmatrix}\right), met JJ de matrix vol enen: uit Sp⁡(J)={3,0}\operatorname{Sp}(J) = \{3, 0\} (Voorbeeld 2.19) volgt Sp⁡(A)={4,1}\operatorname{Sp}(A) = \{4, 1\}, met eigenruimten R(1,1,1)\R(1,1,1) en het vlak {x+y+z=0}\{x + y + z = 0\}: dimensies 1+2=31 + 2 = 3, dus diagonaliseerbaar (Stelling 3.6 (2)). Machten zonder ook maar één basisovergangsmatrix: met Π=J/3\Pi = J/3 de projector op R(1,1,1)\R(1,1,1) geldt

A=4 Π+1⋅(I−Π)⟹Ak=4k Π+(I−Π)=4k−13 J+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 .

(Controle voor k=1k = 1: 4−13J+I=A\frac{4-1}3 J + I = A.) Het inzicht om te onthouden: zodra de eigenruimten zichtbaar zijn, berekenen spectrale projectoren machten sneller dan PDP−1PDP^{-1} ooit zal doen — en de formule toont de dynamica: AkA^k groeit als 4k4^k langs (1,1,1)(1,1,1) en blijft op het orthogonale vlak staan waar het staat.

Stelling 3.9 (Trigonalisatie)

uu is trigonaliseerbaar over KK dan en slechts dan als χu\chi_u over KK in lineaire factoren uiteenvalt. In het bijzonder is elk endomorfisme van een C\C-vectorruimte trigonaliseerbaar.

Bewijs. (⇒\Rightarrow) De karakteristieke veelterm van een driehoeksmatrix is ∏(X−tii)\prod(X - t_{ii}): die valt uiteen.

(⇐\Leftarrow) Inductie naar nn. Omdat χu\chi_u uiteenvalt, heeft zij een nulpunt λ\lambda: kies een eigenvector e1e_1. In een basis die met e1e_1 begint, is de matrix (λ∗0B)\begin{pmatrix} \lambda & \ast\\ 0 & B\end{pmatrix}, en χu=(X−λ)χB\chi_u = (X - \lambda)\chi_B: dus valt ook χB\chi_B uiteen. De inductiehypothese toegepast op de (n−1)×(n−1)(n-1) \times (n-1)-matrix BB geeft een inverteerbare QQ met Q−1BQQ^{-1}BQ bovendriehoekig; de hele matrix conjugeren met (100Q)\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & Q\end{pmatrix} maakt haar driehoekig. ∎

Voorbeeld 3.10 (Met de hand trigonaliseren)

B=(3−111)B = \begin{pmatrix}3 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}: hier is χB=X2−4X+4=(X−2)2\chi_B = X^2 - 4X + 4 = (X - 2)^2, en ker⁡(B−2I)=ker⁡(1−11−1)\ker(B - 2I) = \ker\left(\begin{smallmatrix}1 & -1\\ 1 & -1\end{smallmatrix}\right) is de rechte opgespannen door e1′=(1,1)e_1' = (1, 1): één eigenwaarde, een eendimensionale eigenruimte — niet diagonaliseerbaar, maar wel trigonaliseerbaar (Stelling 3.9). Vul de basis aan met e2′=(1,0)e_2' = (1, 0) en reken:

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

zodat de matrix in de basis (e1′,e2′)(e_1', e_2') gelijk is aan T=(2102)T = \left(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 0 & 2\end{smallmatrix}\right). Het inzicht om te onthouden: de diagonaal van TT lag vast (beide elementen moeten de dubbele eigenwaarde 22 zijn); alleen het hoekelement hing van de keuze van e2′e_2' af, en door e2′e_2' te herschalen kan het elke waarde ongelijk aan nul krijgen — de hardnekkige “11” is de schaduw van het nilpotente deel dat Dunford zal isoleren.

3.2 Veeltermen van een endomorfisme

Definitie 3.11

Zet voor P=∑akXk∈K[X]P = \sum a_k X^k \in K[X] de afbeelding P(u)=∑akuk∈L(E)P(u) = \sum a_k u^k \in \mathcal{L}(E). De afbeelding P↦P(u)P \mapsto P(u) is een morfisme van algebra’s K[X]→L(E)K[X] \to \mathcal{L}(E) (Definitie 1.33); haar kern {P:P(u)=0}\{P : P(u) = 0\} is een ideaal van K[X]K[X], ongelijk aan nul (de familie (id,u,…,un2)(\mathrm{id}, u, \dots, u^{n^2}) is afhankelijk in het n2n^2-dimensionale L(E)\mathcal{L}(E)), en wordt dus voortgebracht door een unieke monische veelterm μu\mu_u: de minimale veelterm (Stelling 1.26).

Propositie 3.12

  1. P(u)=0  ⟺  μu∣PP(u) = 0 \iff \mu_u \mid P; de eigenwaarden van uu zijn nulpunten van elke annihilerende veelterm, en de nulpunten van μu\mu_u zijn precies de eigenwaarden.
  2. Is FF stabiel, dan geldt μu∣F∣μu\mu_{u|_F} \mid \mu_u.

Bewijs. (1) De deelbaarheid is de definitie van een voortbrenger. Geldt u(x)=λxu(x) = \lambda x met x≠0x \neq 0, dan is 0=P(u)(x)=P(λ)x0 = P(u)(x) = P(\lambda)x, dus P(λ)=0P(\lambda) = 0: eigenwaarden zijn nulpunten van annihilerende veeltermen, in het bijzonder van μu\mu_u. Omgekeerd, is λ\lambda een nulpunt, dan is μu=(X−λ)Q\mu_u = (X - \lambda)Q met Q(u)≠0Q(u) \neq 0 (de graad van μu\mu_u is minimaal): kies yy met Q(u)(y)≠0Q(u)(y) \neq 0; dan toont (u−λ)(Q(u)(y))=μu(u)(y)=0(u - \lambda)(Q(u)(y)) = \mu_u(u)(y) = 0 de eigenvector Q(u)(y)Q(u)(y).

(2) Er geldt μu(u∣F)=μu(u)∣F=0\mu_u(u|_F) = \mu_u(u)|_F = 0; pas nu (1) toe op u∣Fu|_F. ∎

Voorbeeld 3.13 (Minimale veeltermen met de hand gevonden)

De minimale veelterm wordt gevonden door achtereenvolgende graden te proberen. Voor de matrix J∈M3(R)J \in \mathcal{M}_3(\R) vol enen: J≠λIJ \neq \lambda I (graad 11 valt af), en J2=3JJ^2 = 3J, dus

μJ=X2−3X=X(X−3):\mu_J = X^2 - 3X = X(X - 3) :

graad 22, uiteenvallend, met enkelvoudige nulpunten — dus is JJ diagonaliseerbaar met spectrum {0,3}\{0, 3\} (Gevolg 3.17 hieronder), wat Voorbeeld 2.19 bevestigt zonder ook maar één determinant. Voor de verwisselingsmatrix AA uit Voorbeeld 3.15: uit A≠±IA \neq \pm I en A2=IA^2 = I volgt μA=X2−1\mu_A = X^2 - 1. In beide gevallen is het patroon hetzelfde: raad uit de structuur een identiteit van lage graad (rang één dwingt J2=(tr⁡J) JJ^2 = (\operatorname{tr}J)\,J af; een involutie dwingt A2=IA^2 = I af) en ga daarna na dat geen echte deler annihileert. Minimale veeltermen worden meestal gevonden, niet uit χ\chi berekend.

Stelling 3.14 (Kernontbindingslemma)

Is P=P1P2⋯PrP = P_1 P_2 \cdots P_r met paarsgewijs onderling ondeelbare PiP_i, dan geldt

ker⁡P(u)=ker⁡P1(u)⊕⋯⊕ker⁡Pr(u),\ker P(u) = \ker P_1(u) \oplus \dots \oplus \ker P_r(u),

en de projecties op de termen zijn veeltermen in uu.

Bewijs. Het volstaat het geval r=2r = 2 te behandelen en daarna te induceren. Bézout in K[X]K[X] (Stelling 1.26) geeft UP1+VP2=1U P_1 + V P_2 = 1, dus voor elke 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}.

Ligt x∈ker⁡P(u)x \in \ker P(u), dan is P2(u)(x2)=U(u) P(u)(x)=0P_2(u)(x_2) = U(u)\,P(u)(x) = 0 (veeltermen in uu commuteren), dus x2∈ker⁡P2(u)x_2 \in \ker P_2(u), en symmetrisch x1∈ker⁡P1(u)x_1 \in \ker P_1(u): de som vult ker⁡P(u)\ker P(u); beide termen liggen in ker⁡P(u)\ker P(u) omdat Pi∣PP_i \mid P. Directheid: uit x∈ker⁡P1(u)∩ker⁡P2(u)x \in \ker P_1(u) \cap \ker P_2(u) volgt 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. De formules voor x1x_1 en x2x_2 tonen de projecties als V(u)P2(u)V(u)P_2(u) en U(u)P1(u)U(u)P_1(u). ∎

Voorbeeld 3.15 (Het kernlemma met expliciete projectoren)

Zij A=(010100001)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{smallmatrix}\right) (verwissel de eerste twee coördinaten). Dan is A2=IA^2 = I: de veelterm X2−1=(X−1)(X+1)X^2 - 1 = (X - 1)(X + 1) annihileert AA, haar factoren zijn onderling ondeelbaar, en Bézout is expliciet:

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

Volgens het bewijs van Stelling 3.14 zijn de projecties op ker⁡(A−I)\ker(A - I) en ker⁡(A+I)\ker(A + I) de veeltermen in AA

π+=A+I2=12(110110002),π−=I−A2=12(1−10−110000).\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}.

Controle: π++π−=I\pi_+ + \pi_- = I, π+π−=0\pi_+\pi_- = 0, π±2=π±\pi_\pm^2 = \pi_\pm, en de beelden zijn het vlak {x=y}\{x = y\} (symmetrische vectoren, eigenwaarde 11) en de rechte R(1,−1,0)\R(1, -1, 0) (antisymmetrisch, eigenwaarde −1-1). Het kernlemma is geen uitspraak over bestaan alleen: de coëfficiënten van Bézout zijn de formules voor de projectoren.

Voorbeeld 3.16 (Projectoren berekenen ook de exponentiële)

Dezelfde verwisselingsmatrix, één opbrengst verder. Omdat A=π+−π−A = \pi_+ - \pi_- met projectoren die in algebraïsche zin orthogonaal zijn (π+π−=0\pi_+\pi_- = 0), voldoet elke macht aan Ak=π++(−1)kπ−A^k = \pi_+ + (-1)^k\pi_-, en de exponentiële reeks hergroepeert zich per projector:

etA=∑ktkk!(π++(−1)kπ−)=et π++e−t π−=(cosh⁡tsinh⁡t0sinh⁡tcosh⁡t000et).\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}.

(Controle voor t=0t = 0: de identiteit; afgeleide in 00: AA.) De eigenontbinding zet een matrixreeks om in twee scalaire reeksen — precies het mechanisme dat Hoofdstuk 16 op elk diagonaliseerbaar stelsel zal laten lopen, en de reden dat hyperbolische functies symmetrische koppelingen besturen.

Gevolg 3.17 (Diagonaliseerbaarheid via de minimale veelterm)

uu is diagonaliseerbaar   ⟺  \iff μu\mu_u valt over KK uiteen met enkelvoudige nulpunten   ⟺  \iff een zekere annihilerende veelterm van uu valt uiteen met enkelvoudige nulpunten.

Bewijs. Geldt P(u)=0P(u) = 0 met P=∏i(X−λi)P = \prod_{i}(X - \lambda_i) (verschillende λi\lambda_i), dan geeft het lemma E=ker⁡P(u)=⨁iker⁡(u−λi)E = \ker P(u) = \bigoplus_i \ker(u - \lambda_i): een directe som van eigenruimten, dus is uu diagonaliseerbaar (Stelling 3.6). Omgekeerd wordt een diagonaliseerbare uu gedood door ∏λ∈Sp⁡u(X−λ)\prod_{\lambda \in \operatorname{Sp}u}(X - \lambda) (die doodt elke eigenruimte), en die veelterm valt uiteen met enkelvoudige nulpunten; en μu\mu_u deelt haar terwijl beide dezelfde nulpunten hebben (Propositie 3.12): μu\mu_u is precies dat product. ∎

Voorbeeld 3.18

Projecties voldoen aan p2=pp^2 = p: geannihileerd door X(X−1)X(X-1), dat uiteenvalt met enkelvoudige nulpunten — dus diagonaliseerbaar met spectrum ⊆{0,1}\subseteq \{0, 1\}, en E=ker⁡p⊕ker⁡(p−id)E = \ker p \oplus \ker(p - \mathrm{id}): de meetkundige analyse uit bachelorjaar 1, in één regel opnieuw bewezen. Symmetrieën (s2=ids^2 = \mathrm{id}, annihilator X2−1X^2 - 1): diagonaliseerbaar zodra char⁡K≠2\operatorname{char} K \neq 2, met spectrum ⊆{±1}\subseteq \{\pm 1\}. Een endomorfisme met u3=u2u^3 = u^2 en u2≠uu^2 \neq u: geannihileerd door X2(X−1)X^2(X - 1), en niet noodzakelijk diagonaliseerbaar — het criterium ziet dat (het dubbele nulpunt 00 moet worden getest: diagonaliseerbaar dan en slechts dan als bovendien ker⁡u2=ker⁡u\ker u^2 = \ker u).

Voorbeeld 3.19 (Het lichaam beslist: een rotatie in R3\R^3)

Zij RR de kwartslag om de zz-as:

R=(0−10100001),χR=(X−1)(X2+1).R = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}, \qquad \chi_R = (X - 1)(X^2 + 1).

Over R\R: de enige eigenwaarde is 11, met als eigenruimte de as Re3\R e_3 — één rechte van vaste vectoren en geen verdere reductie: RR is in M3(R)\mathcal{M}_3(\R) noch diagonaliseerbaar noch trigonaliseerbaar (χR\chi_R valt niet uiteen). Over C\C: drie verschillende eigenwaarden 1,i,−i1, \iu, -\iu, dus is RR diagonaliseerbaar, met eigenvectoren e3e_3 en e1∓ie2e_1 \mp \iu e_2. De meetkunde was in de algebra al hoorbaar: rotaties in het vlak hebben geen reële invariante richtingen, en de complexe eigenwaarden ±i\pm\iu van modulus 11 bewaren de hoek (±π2\pm\frac\pi2) die de reële matrix alleen door coördinaten te mengen kan uitdrukken.

Voorbeeld 3.20 (Minimaal tegenover karakteristiek)

Voor D=diag⁡(2,2,3)D = \operatorname{diag}(2, 2, 3) is χD=(X−2)2(X−3)\chi_D = (X - 2)^2(X - 3) maar μD=(X−2)(X−3)\mu_D = (X - 2)(X - 3), want (D−2I)(D−3I)=0(D - 2I)(D - 3I) = 0 (ga het op de canonieke basis na), terwijl geen van beide factoren DD alleen doodt. Voor het verschuivingsblok N=(0100)⊕(3)N = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right) \oplus (3), dat wil zeggen N′=(010000003)N' = \left(\begin{smallmatrix}0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 3\end{smallmatrix}\right), geldt χN′=X2(X−3)\chi_{N'} = X^2(X - 3) én μN′=X2(X−3)\mu_{N'} = X^2(X - 3) — het dubbele nulpunt is hier werkelijk nodig, omdat N′N' aan de kernkant niet diagonaliseerbaar is (N′e2=e1≠0N'e_2 = e_1 \neq 0). Vuistregel: μ\mu en χ\chi hebben dezelfde nulpunten (Propositie 3.12); de multipliciteit in μ\mu meet de grootte van het grootste nilpotente blok, die in χ\chi de totale dimensie van de karakteristieke deelruimte.

Stelling 3.21 (Cayley–Hamilton)

Er geldt χu(u)=0\chi_u(u) = 0; bijgevolg μu∣χu\mu_u \mid \chi_u en deg⁡μu≤n\deg \mu_u \leq n.

Bewijs. Leg x≠0x \neq 0 vast en zij dd maximaal zodanig dat (x,u(x),…,ud−1(x))(x, u(x), \dots, u^{d-1}(x)) vrij is; schrijf

ud(x)=−a0x−a1u(x)−⋯−ad−1ud−1(x),u^d(x) = -a_0 x - a_1 u(x) - \dots - a_{d-1}u^{d-1}(x),

en zet Px=Xd+ad−1Xd−1+⋯+a0P_x = X^d + a_{d-1}X^{d-1} + \dots + a_0, zodat Px(u)(x)=0P_x(u)(x) = 0. Vul de vrije familie aan tot een basis van EE: daarin heeft uu de blokvorm (C∗0D)\begin{pmatrix} C & \ast\\ 0 & D\end{pmatrix}, waarbij CC de begeleidende matrix van PxP_x is, waarvan de karakteristieke veelterm PxP_x is (ontwikkel det⁡(XI−C)\det(XI - C) langs de eerste kolom, met inductie naar dd). Bijgevolg is χu=Px⋅χD\chi_u = P_x \cdot \chi_D, en

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

Het argument geldt voor elke xx: dus χu(u)=0\chi_u(u) = 0. ∎

Voorbeeld 3.22 (Cayley–Hamilton aan het werk)

A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4\end{pmatrix}: hier is χA=X2−5X−2\chi_A = X^2 - 5X - 2, dus A2=5A+2IA^2 = 5A + 2I. Elke macht van AA klapt in elkaar tot een combinatie van II en 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},

en de inverse krijgen we er gratis bij: uit A(A−5I)=2IA(A - 5I) = 2I volgt

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

Het inzicht om te onthouden: Cayley–Hamilton perst de hele algebra K[A]K[A] samen tot Vect⁡(I,A,…,An−1)\operatorname{Vect}(I, A, \dots, A^{n-1}) — dim⁡K[A]=deg⁡μA≤n\dim K[A] = \deg\mu_A \leq n, hoe hoog de machten ook zijn die je nodig hebt.

Opmerking 3.23 (Klassieke valkuilen)

(i) Eigenwaarden tellen niet op: Sp⁡(A+B)\operatorname{Sp}(A + B) is niet Sp⁡A+Sp⁡B\operatorname{Sp}A + \operatorname{Sp}B, en een som van diagonaliseerbare matrices hoeft niet diagonaliseerbaar te zijn — (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) is een som van twee diagonaliseerbare matrices (elk met verschillende eigenwaarden) en is niet diagonaliseerbaar; alleen commuterende families gedragen zich netjes (Oefening 3.9). (ii) “χu\chi_u valt uiteen” is een hypothese over het lichaam: een rotatie in het vlak heeft χ=X2−2cos⁡θ X+1\chi = X^2 - 2\cos\theta\,X + 1, die over C\C wel en over R\R niet uiteenvalt — diagonaliseerbaar in M2(C)\mathcal{M}_2(\C), niet trigonaliseerbaar in M2(R)\mathcal{M}_2(\R). (iii) De ongelijkheid loopt van meetkundig naar algebraïsch, nooit andersom; alleen dim⁡Eλ≥1\dim E_\lambda \geq 1 nagaan bewijst niets over diagonaliseerbaarheid. (iv) μu\mu_u is niet χu\chi_u: gelijkheid geldt precies wanneer elke eigenwaarde één enkele blokketen heeft (bijvoorbeeld bij begeleidende matrices, de weekendopgave van dit hoofdstuk); χ\chi gebruiken waar μ\mu nodig is, blaast elke machtsberekening op. (v) De dd en ν\nu van Dunford zijn veeltermen in uu — een ontbinding u=d′+ν′u = d' + \nu' met de juiste eigenschappen maar met d′ν′≠ν′d′d'\nu' \neq \nu'd' is geen Dunford en is nooit eenduidig.

Opmerking 3.24 (Waar dit hoofdstuk wordt gebruikt)

De reductie is het werkpaard van de rest van het boek: machten en exponentiëlen van matrices drijven de lineaire differentiaalstelsels van Hoofdstuk 16; de spectraalstelling van Hoofdstuk 12 is diagonalisatie, orthogonaal gemaakt; genererende functies (Hoofdstuk 23) leiden de asymptotiek van de recurrenties uit de weekendopgave van dit hoofdstuk analytisch opnieuw af. In het volume van bachelorjaar 3 loopt hetzelfde programma in oneindige dimensie: de spectraaltheorie van compacte zelftoegevoegde operatoren, waar rijen van eigenwaarden de plaats van eindige spectra innemen, en de theorie van Perron–Frobenius voor positieve matrices, die verklaart waarom de dominante eigenwaarden van telproblemen positief en enkelvoudig zijn.

3.3 Nilpotenten en de Dunford-ontbinding

Propositie 3.25 (Nilpotente endomorfismen)

Voor uu waarvan χu\chi_u uiteenvalt zijn de volgende uitspraken gelijkwaardig: un=0u^n = 0; uk=0u^k = 0 voor zekere kk; Sp⁡(u)={0}\operatorname{Sp}(u) = \{0\}; χu=Xn\chi_u = X^n; uu is trigonaliseerbaar met nuldiagonaal. Een nilpotent endomorfisme heeft μu=X(nilpotentie-index)\mu_u = X^{\text{(nilpotentie-index)}}, en de index is ≤n\leq n.

Bewijs. Uit uk=0u^k = 0 volgt dat elke eigenwaarde een nulpunt van XkX^k is: spectrum {0}\{0\} (niet leeg zodra χ\chi uiteenvalt — over C\C altijd). Dan is χu=Xn\chi_u = X^n (alle nulpunten zijn nul) en geeft Cayley–Hamilton un=0u^n = 0; trigonalisatie (Stelling 3.9) zet nullen op de diagonaal (de diagonaal draagt de eigenwaarden). Omgekeerd, zij AA strikt bovendriehoekig: aij=0a_{ij} = 0 voor j≤ij \leq i. We tonen met inductie aan dat

(Ak)ij=0zodra j≤i+k−1,(A^k)_{ij} = 0 \qquad \text{zodra } j \leq i + k - 1,

dat wil zeggen: elke macht duwt het nulgebied één diagonaal hoger. Voor k=1k = 1 is dat de hypothese. Voor de stap:

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

en elke term verdwijnt: ofwel ℓ≤i+k−1\ell \leq i + k - 1 (de eerste factor is 00 volgens de inductiehypothese), ofwel ℓ≥i+k\ell \geq i + k, en dan doodt j≤i+k≤ℓj \leq i + k \leq \ell de tweede factor. Bij k=nk = n geldt de voorwaarde j≤i+n−1j \leq i + n - 1 voor alle i,j≤ni, j \leq n: dus An=0A^n = 0. De minimale veelterm deelt XnX^n, en de annihilatie definieert de index. ∎

Stelling 3.26 (Dunford-ontbinding)

Neem aan dat χu\chi_u over KK uiteenvalt (automatisch voor K=CK = \C). Dan bestaat er een uniek paar (d,ν)(d, \nu) met

u=d+ν,d diagonaliseerbaar,ν nilpotent,dν=νd,u = d + \nu, \qquad d \text{ diagonaliseerbaar}, \quad \nu \text{ nilpotent}, \quad d\nu = \nu d ,

en bovendien zijn dd en ν\nu veeltermen in uu.

Bewijs. Bestaan. Schrijf χu=∏i=1r(X−λi)mi\chi_u = \prod_{i=1}^{r} (X - \lambda_i)^{m_i} (verschillende λi\lambda_i) en zet Ni=ker⁡(u−λi)miN_i = \ker(u - \lambda_i)^{m_i}, de karakteristieke deelruimten. Volgens Cayley–Hamilton en het kernlemma (Stelling 3.14) is

E=N1⊕⋯⊕Nr,E = N_1 \oplus \dots \oplus N_r ,

met projecties πi\pi_i die veeltermen in uu zijn; elke NiN_i is stabiel (veeltermen in uu commuteren met uu). Definieer d=∑iλiπid = \sum_i \lambda_i \pi_i: een veelterm in uu, diagonaliseerbaar (zij werkt op NiN_i als λi\lambda_i, zodat EE in haar eigenruimten uiteenvalt). Dan is ν=u−d\nu = u - d een veelterm in uu (en commuteert dus met dd), en op elke NiN_i werkt zij als u−λiu - \lambda_i, waar (u−λi)mi=0(u - \lambda_i)^{m_i} = 0: dus νmax⁡mi=0\nu^{\max m_i} = 0 op elke term, en ν\nu is nilpotent.

Eenduidigheid. Zij u=d′+ν′u = d' + \nu' een tweede zulk paar. Omdat d′d' en ν′\nu' met elkaar commuteren, commuteren zij met u=d′+ν′u = d' + \nu' en dus met elke veelterm in uu — in het bijzonder met dd en ν\nu. Dan is d−d′d - d' diagonaliseerbaar (twee commuterende diagonaliseerbare afbeeldingen zijn simultaan diagonaliseerbaar: Oefening 3.9) en gelijk aan ν′−ν\nu' - \nu, dat nilpotent is: geldt νk=0\nu^k = 0 en ν′k′=0\nu'^{k'} = 0, dan staat de commutatie de binomiale ontwikkeling toe:

(ν′−ν)k+k′−1=∑j=0k+k′−1(k+k′−1j) ν′ j (−ν)k+k′−1−j,(\nu' - \nu)^{k + k' - 1} = \sum_{j=0}^{k+k'-1}\binom{k + k' - 1}{j} \,\nu'^{\,j}\,(-\nu)^{k + k' - 1 - j} ,

waarin elke term sterft: ofwel j≥k′j \geq k' (eerste factor nul), ofwel k+k′−1−j≥kk + k' - 1 - j \geq k (tweede factor nul), en één van beide geldt altijd. Een diagonaliseerbare nilpotent is nul (haar spectrum is {0}\{0\} en zij is in een zekere basis diagonaal): dus d=d′d = d' en ν=ν′\nu = \nu'. ∎

Voorbeeld 3.27 (Machten en exponentiëlen)

A=(31−11)A = \begin{pmatrix} 3 & 1\\ -1 & 1\end{pmatrix}: hier is χA=X2−4X+4=(X−2)2\chi_A = X^2 - 4X + 4 = (X-2)^2, één eigenwaarde 22, met een eigenruimte van dimensie 11: niet diagonaliseerbaar. Dunford: D=2ID = 2I, N=A−2I=(11−1−1)N = A - 2I = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ -1 & -1\end{pmatrix}, met N2=0N^2 = 0. Dan is

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

volgens het binomium voor commuterende termen, respectievelijk de exponentiële reeks (Hoofdstuk 16) gesplitst over commuterende termen. Reductie maakt van matrixdynamica scalaire dynamica.

Opmerking 3.28 (Vooruitblik binnen dit volume)

De reductie is een knooppunt; let op deze vier spaken. In Hoofdstuk 5 maken aangepaste normen van “alle eigenwaarden hebben modulus <1< 1” de uitspraak “een zekere operatornorm is <1< 1”, zodat spectra de convergentie van machten en reeksen gaan besturen. In Hoofdstuk 16 wordt het recept van Voorbeeld 3.27 de algemene oplossing van X′=AXX' = AX: Dunford splitst etA\eu^{tA} in blokken van het type veelterm maal exponentiële, en de stabiliteit is af te lezen aan de reële delen van de eigenwaarden. In Hoofdstuk 12 dwingt een inproduct af wat lineaire algebra alleen niet kan: symmetrische matrices worden orthogonaal diagonaliseerbaar, zonder enig nilpotent deel. En in Hoofdstuk 23 keert de asymptotiek van de dominante eigenwaarde uit de weekendopgave van dit hoofdstuk analytisch terug, als de kleinste singulariteit van een genererende functie — twee talen voor één groeisnelheid.

3.4 Oefeningen

Oefening 3.1 ★

Diagonaliseer (eigenwaarden, basissen van de eigenruimten, een inverteerbare 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}.
Oplossing

Oplossing van Oefening 3.1.

AA: hier is χA=X2−2X−3=(X−3)(X+1)\chi_A = X^2 - 2X - 3 = (X - 3)(X + 1). Eigenvectoren: bij 33 de vector (1,1)(1,1), bij −1-1 de vector (1,−1)(1,-1). Met P=(111−1)P = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} geldt dus P−1AP=diag⁡(3,−1)P^{-1}AP = \operatorname{diag}(3, -1).

B=J−IB = J - I, met JJ de matrix vol enen. JJ heeft rang 11 met Jv=3vJv = 3v voor v=(1,1,1)v = (1,1,1) en Jw=0Jw = 0 op het vlak x+y+z=0x + y + z = 0: het spectrum van BB is {2,−1}\{2, -1\} met eigenruimten Vect⁡(1,1,1)\operatorname{Vect}(1,1,1) (dimensie 11) en {x+y+z=0}\{x + y + z = 0\} (dimensie 22, met basis (1,−1,0),(1,0,−1)(1,-1,0), (1,0,-1)). De matrix PP met deze drie kolommen geeft P−1BP=diag⁡(2,−1,−1)P^{-1}BP = \operatorname{diag}(2, -1, -1).

Oefening 3.2 ★

Toon op twee manieren aan dat C=(1101)C = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 0 & 1\end{pmatrix} niet diagonaliseerbaar is: via de eigenruimten en via de minimale veelterm.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.2.

Via de eigenruimten: χC=(X−1)2\chi_C = (X-1)^2, met als enige eigenwaarde 11; ker⁡(C−I)=ker⁡(0100)\ker(C - I) = \ker\begin{pmatrix} 0&1\\ 0&0\end{pmatrix} is de rechte Vect⁡(e1)\operatorname{Vect}(e_1): dimensie 1<2=m11 < 2 = m_1, dus niet diagonaliseerbaar (Stelling 3.6).

Via de minimale veelterm: μC\mu_C deelt (X−1)2(X-1)^2 en C≠IC \neq I, dus μC=(X−1)2\mu_C = (X-1)^2: een dubbel nulpunt, en dus niet diagonaliseerbaar (Gevolg 3.17).

Oefening 3.3 ★

Zij uu zodanig dat u2−5u+6 id=0u^2 - 5u + 6\,\mathrm{id} = 0. Bewijs dat uu diagonaliseerbaar is, bepaal de mogelijke spectra, en bereken uku^k als combinatie van id\mathrm{id} en uu.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.3.

X2−5X+6=(X−2)(X−3)X^2 - 5X + 6 = (X-2)(X-3): uiteenvallend met enkelvoudige nulpunten, dus is uu diagonaliseerbaar (Gevolg 3.17), met Sp⁡(u)⊆{2,3}\operatorname{Sp}(u) \subseteq \{2, 3\}. Mogelijke spectra: {2}\{2\} (u=2 idu = 2\,\mathrm{id}), {3}\{3\} (u=3 idu = 3\,\mathrm{id}) of {2,3}\{2, 3\}.

Machten: zoek uk=ak id+bk uu^k = a_k\,\mathrm{id} + b_k\,u. Op de eigenruimten luidt dit 2k=ak+2bk2^k = a_k + 2b_k en 3k=ak+3bk3^k = a_k + 3b_k; oplossen geeft bk=3k−2kb_k = 3^k - 2^k en ak=3⋅2k−2⋅3ka_k = 3\cdot2^k - 2\cdot 3^k:

uk=(3⋅2k−2⋅3k) id+(3k−2k) u.u^k = (3\cdot 2^k - 2\cdot 3^k)\,\mathrm{id} + (3^k - 2^k)\, u .

(Dit geldt voor alle drie de spectra: de identiteiten gelden per eigenwaarde.)

Oefening 3.4 ★★

Zij uu diagonaliseerbaar en FF een stabiele deelruimte. Bewijs dat u∣Fu|_F diagonaliseerbaar is (beperk een annihilerende veelterm met enkelvoudige nulpunten die uiteenvalt).

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.4.

Omdat uu diagonaliseerbaar is, annihileert P=∏λ(X−λ)P = \prod_{\lambda}(X - \lambda) over het spectrum de afbeelding uu, en PP valt uiteen met enkelvoudige nulpunten. Dan is P(u∣F)=P(u)∣F=0P(u|_F) = P(u)|_F = 0: de beperking wordt geannihileerd door een uiteenvallende veelterm met enkelvoudige nulpunten en is dus diagonaliseerbaar (Gevolg 3.17).

Oefening 3.5 ★★

(Fibonacci) Zij A=(1110)A = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}. Diagonaliseer AA over R\R en leid daaruit de formule van Binet af voor de rij van Fibonacci (F0=0F_0 = 0, F1=1F_1 = 1, Fn+1=Fn+Fn−1F_{n+1} = F_n + F_{n-1}):

Fn=φn−ψn5,φ=1+52, ψ=1−52.F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt 5}, \qquad \varphi = \frac{1 + \sqrt5}{2},\ \psi = \frac{1 - \sqrt5}{2}.
Oplossing

Oplossing van Oefening 3.5.

χA=X2−X−1\chi_A = X^2 - X - 1, met nulpunten φ\varphi en ψ\psi (verschillend): dus diagonaliseerbaar, met eigenvectoren (φ,1)(\varphi, 1) en (ψ,1)(\psi, 1). De recurrentie geeft (Fn+1Fn)=An(10)\begin{pmatrix} F_{n+1}\\ F_n \end{pmatrix} = A^n \begin{pmatrix}1\\ 0\end{pmatrix}. Ontbind (1,0)(1, 0) op de eigenvectoren: (1,0)=1φ−ψ((φ,1)−(ψ,1))(1,0) = \frac{1}{\varphi - \psi}\bigl((\varphi, 1) - (\psi, 1)\bigr) met φ−ψ=5\varphi - \psi = \sqrt5. Het toepassen van AnA^n vermenigvuldigt elke eigencomponent met de nn-de macht van haar eigenwaarde; de tweede coördinaat aflezen geeft

Fn=φn−ψn5.F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt 5} .

(Controle: voor n=1n = 1 geeft dit φ−ψ5=1\frac{\varphi - \psi}{\sqrt5} = 1.)

Oefening 3.6 ★★

Zij u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) met u2u^2 diagonaliseerbaar en uu inverteerbaar (K=CK = \C). Bewijs dat uu diagonaliseerbaar is. Geef een tegenvoorbeeld wanneer uu niet inverteerbaar is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.6.

Zij P=∏i(X−μi)P = \prod_i (X - \mu_i) een annihilerende veelterm van u2u^2 die uiteenvalt met enkelvoudige nulpunten μi\mu_i (het spectrum van u2u^2). Omdat uu inverteerbaar is, is 00 geen eigenwaarde van u2u^2 (det⁡u2=(det⁡u)2≠0\det u^2 = (\det u)^2 \neq 0), dus zijn alle μi≠0\mu_i \neq 0. Dan annihileert

Q(X)=∏i(X2−μi)=∏i(X−μi)(X+μi)Q(X) = \prod_i (X^2 - \mu_i) = \prod_i (X - \sqrt{\mu_i})(X + \sqrt{\mu_i})

de afbeelding uu: immers Q(u)=∏i(u2−μi id)=P(u2)=0Q(u) = \prod_i (u^2 - \mu_i\,\mathrm{id}) = P(u^2) = 0. Haar nulpunten ±μi\pm \sqrt{\mu_i} (complexe vierkantswortels) zijn paarsgewijs verschillend omdat de μi\mu_i verschillend en ongelijk aan nul zijn (uit μi=−μj\sqrt{\mu_i} = -\sqrt{\mu_j} zou μi=μj\mu_i = \mu_j volgen). Uiteenvallend met enkelvoudige nulpunten: dus is uu diagonaliseerbaar.

Tegenvoorbeeld zonder inverteerbaarheid: u=(0100)u = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix}; hier is u2=0u^2 = 0 diagonaliseerbaar en uu niet.

Oefening 3.7 ★★

Bereken de Dunford-ontbinding, AkA^k en etA\eu^{tA} voor

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

Oplossing van Oefening 3.7.

A=2I+NA = 2I + N met NN de verschuiving (Ne2=e1N e_2 = e_1, Ne3=e2Ne_3 = e_2), N3=0N^3 = 0 en N2=E13N^2 = E_{13}: dit is de Dunford-ontbinding (2I2I diagonaal, NN nilpotent, en zij commuteren; de eenduidigheid maakt het de enige). Het binomium voor commuterende termen geeft

Ak=2kI+k2k−1N+(k2)2k−2N2=(2kk2k−1(k2)2k−202kk2k−1002k),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}.

Oefening 3.8 ★★

Zij A∈Mn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) met Ak=IA^k = I voor zekere k≥1k \geq 1. Bewijs dat AA diagonaliseerbaar is en dat haar eigenwaarden kk-de eenheidswortels zijn. Leid af dat een inverteerbare complexe matrix van eindige orde die gelijkvormig is met een driehoeksmatrix met diagonaal vol enen, de identiteit is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.8.

Xk−1X^k - 1 annihileert AA en valt over C\C uiteen met de kk verschillende nulpunten e2iπj/k\eu^{2\iu\pi j/k}: dus is AA diagonaliseerbaar (Gevolg 3.17) en zijn haar eigenwaarden, als nulpunten van Xk−1X^k - 1, kk-de eenheidswortels.

Is AA bovendien gelijkvormig met een driehoeksmatrix met diagonaal vol enen, dan zijn alle eigenwaarden gelijk aan 11, en is AA, diagonaliseerbaar met enige eigenwaarde 11, gelijk aan P I P−1=IP\,I\,P^{-1} = I.

Oefening 3.9 ★★★

(Simultane diagonalisatie) Zijn u,vu, v diagonaliseerbaar en commuterend. Bewijs dat zij simultaan diagonaliseerbaar zijn: een zekere basis diagonaliseert beide. (Elke eigenruimte van uu is vv-stabiel; diagonaliseer daar de beperkingen van vv, met Oefening 3.4.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.9.

Schrijf E=⨁λEλ(u)E = \bigoplus_\lambda E_\lambda(u) (Stelling 3.6). Elke Eλ(u)E_\lambda(u) is vv-stabiel: voor x∈Eλx \in E_\lambda is u(v(x))=v(u(x))=λv(x)u(v(x)) = v(u(x)) = \lambda v(x). De beperking van vv tot Eλ(u)E_\lambda(u) is diagonaliseerbaar (Oefening 3.4): kies een basis van Eλ(u)E_\lambda(u) die uit eigenvectoren van vv bestaat. Deze basissen over alle λ\lambda aaneenschakelen geeft een basis van EE waarvan de vectoren eigenvectoren van zowel uu (omdat zij in Eλ(u)E_\lambda(u) liggen) als vv (per constructie) zijn.

Oefening 3.10 ★★★

Zij u∈L(Cn)u \in \mathcal{L}(\C^n). Bewijs dat uu diagonaliseerbaar is dan en slechts dan als elke uu-stabiele deelruimte een uu-stabiel complement bezit. (Voor ⇐\Leftarrow: pas de eigenschap toe op F=∑λEλ(u)F = \sum_\lambda E_\lambda(u), de som van alle eigenruimten; was een stabiel complement GG ongelijk aan nul, dan zou het trigonaliseren van u∣Gu|_G een eigenvector van uu binnen GG opleveren — in strijd met G∩F={0}G \cap F = \{0\}.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.10.

(⇒\Rightarrow) Zij uu diagonaliseerbaar en FF stabiel. Dan is u∣Fu|_F diagonaliseerbaar (Oefening 3.4): FF heeft een basis van eigenvectoren, die zich binnen elke globale eigenruimte EλE_\lambda tot een basis van EλE_\lambda laat uitbreiden (de onvolledige-basisstelling binnen EλE_\lambda, uitgaande van het deel van de basis van FF dat daar ligt — merk op dat F=⨁λ(F∩Eλ)F = \bigoplus_\lambda (F \cap E_\lambda) omdat u∣Fu|_F diagonaliseerbaar is). De toegevoegde vectoren spannen een stabiel complement op (elk ligt in een zekere EλE_\lambda, dus is hun opspansel uu-stabiel).

(⇐\Leftarrow) Zij F=∑λEλ(u)F = \sum_\lambda E_\lambda(u) (een stabiele deelruimte) en GG een stabiel complement. Was G≠{0}G \neq \{0\}, dan valt χu∣G\chi_{u|_G} over C\C uiteen, dus heeft u∣Gu|_G een eigenvector x∈Gx \in G (Stelling 3.9, of rechtstreeks het bestaan van een nulpunt); maar elke eigenvector van uu ligt in FF, dus x∈F∩G={0}x \in F \cap G = \{0\}: tegenspraak. Bijgevolg is G={0}G = \{0\} en E=FE = F: de eigenruimten vullen EE, dat wil zeggen uu is diagonaliseerbaar.

Oefening 3.11 ★★★

(Spectraalstraal in het klein, een voorproefje van de analyse die komt) Zij A∈M2(C)A \in \mathcal{M}_2(\C) met beide eigenwaarden van modulus <1< 1. Bewijs dat Ak→0A^k \to 0 element voor element als k→∞k \to \infty. (Trigonaliseer: A=P(T)P−1A = P(T)P^{-1} met TT bovendriehoekig; bereken TkT^k expliciet — onderscheid gelijke en verschillende eigenwaarden — en schat af.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.11.

Trigonaliseer: A=PTP−1A = PTP^{-1} met T=(λc0μ)T = \begin{pmatrix} \lambda & c\\ 0 & \mu\end{pmatrix} en ∣λ∣,∣μ∣<1\abs\lambda, \abs\mu < 1. Dan is Ak=PTkP−1A^k = PT^kP^{-1}, en het volstaat dat Tk→0T^k \to 0.

Verschillende eigenwaarden: inductie geeft

Tk=(λkc λk−μkλ−μ0μk),T^k = \begin{pmatrix} \lambda^k & c\,\dfrac{\lambda^k - \mu^k}{\lambda - \mu}\\[4pt] 0 & \mu^k \end{pmatrix},

en elk element gaat naar 00 (want ∣λ∣k,∣μ∣k→0\abs{\lambda}^k, \abs\mu^k \to 0).

Gelijke eigenwaarden (μ=λ\mu = \lambda): hier is T=λI+cE12T = \lambda I + cE_{12} en Tk=λkI+kλk−1cE12T^k = \lambda^k I + k\lambda^{k-1}cE_{12}; het element kλk−1k\lambda^{k-1} gaat naar 00 omdat ∣λ∣<1\abs\lambda < 1 (meetkundig wint van polynomiaal). In beide gevallen gaat TkT^k element voor element naar 00, en dus Ak=PTkP−1→0A^k = PT^kP^{-1} \to 0 (vermenigvuldigen met vaste PP en P−1P^{-1} is continu in de elementen — elk element van het product is een vaste lineaire combinatie).

Oefening 3.12 ★★

Zij u∈L(Cn)u \in \mathcal{L}(\C^n) met rk⁡u=1\operatorname{rk} u = 1 (n≥2n \geq 2). Toon aan dat χu=Xn−1(X−tr⁡u)\chi_u = X^{n-1}(X - \operatorname{tr} u), en dat uu diagonaliseerbaar is dan en slechts dan als tr⁡u≠0\operatorname{tr} u \neq 0. (Herinner uit Oefening 2.5 dat u2=(tr⁡u) uu^2 = (\operatorname{tr} u)\,u.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.12.

ker⁡u\ker u heeft dimensie n−1n - 1 (dimensiestelling), dus is 00 een eigenwaarde met meetkundige multipliciteit n−1n - 1, en is χu\chi_u deelbaar door Xn−1X^{n-1} (Definitie 3.3: meetkundig ≤\leq algebraïsch). Schrijf χu=Xn−1(X−α)\chi_u = X^{n-1}(X - \alpha); omdat de coëfficiënt van Xn−1X^{n-1} gelijk is aan −tr⁡u-\operatorname{tr} u, volgt α=tr⁡u\alpha = \operatorname{tr} u: dus χu=Xn−1(X−tr⁡u)\chi_u = X^{n-1}(X - \operatorname{tr} u).

Is tr⁡u≠0\operatorname{tr} u \neq 0, dan is de eigenwaarde tr⁡u\operatorname{tr} u een nulpunt van χu\chi_u en draagt zij dus een eigenvector; de eigenruimten bij 00 en bij tr⁡u\operatorname{tr} u hebben dimensies n−1n - 1 en ≥1\geq 1, samen ≥n\geq n: zij vullen EE, en uu is diagonaliseerbaar (Stelling 3.6). Is tr⁡u=0\operatorname{tr} u = 0, dan geeft Oefening 2.5 dat u2=(tr⁡u)u=0u^2 = (\operatorname{tr} u)u = 0 met u≠0u \neq 0: uu is een nilpotent ongelijk aan nul, en een diagonaliseerbare nilpotent is nul (Propositie 3.25): dus niet diagonaliseerbaar.

3.5 Probleem: Lineaire recurrenties en begeleidende matrices

Een lineaire recurrentie un+k=ak−1un+k−1+⋯+a0unu_{n+k} = a_{k-1}u_{n+k-1} + \dots + a_0 u_n is een vermomde matrixmacht, en de reductie zet haar om in gesloten formules, groeisnelheden en foutschattingen. Deze weekendopgave bouwt het woordenboek op — begeleidende matrices aan de ene kant, de verschuivingsoperator op de ruimte van rijen aan de andere —, bewijst de hoofdstelling over lineaire recurrenties (de algemene oplossing is ∑iQi(n)λin\sum_i Q_i(n)\lambda_i^n over de nulpunten van de karakteristieke veelterm) en besteedt de opbrengst aan de diofantische benadering van 2\sqrt2, aan het tellen van wandelingen en woorden, en aan een ring van gekoppelde rijen die alleen door simultane diagonalisatie te ontwarren is.

Probleem 3.1

Weekendopgave — de hoofdstelling over lineaire recurrenties

Leg k≥1k \geq 1 vast, scalairen a0,…,ak−1∈Ca_0, \dots, a_{k-1} \in \C met a0≠0a_0 \neq 0, de monische veelterm P=Xk−ak−1Xk−1−⋯−a1X−a0P = X^k - a_{k-1}X^{k-1} - \dots - a_1 X - a_0, en de recurrentie

(R) ⁣:un+k=ak−1un+k−1+⋯+a1un+1+a0un(n≥0).(\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).

De begeleidende matrix van PP is

C=(01⋱⋱01a0a1⋯ak−1)∈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).

Deel I — Het woordenboek van de begeleidende matrix.

  1. Toon aan dat een rij (un)(u_n) aan (R)(\mathcal R) voldoet dan en slechts dan als de vectoren vn=(un,un+1,…,un+k−1)Tv_n = (u_n, u_{n+1}, \dots, u_{n+k-1})^{\mathsf T} voldoen aan vn+1=Cvnv_{n+1} = Cv_n, en dus vn=Cnv0v_n = C^n v_0.
  2. Bewijs dat χC=P\chi_C = P (ontwikkel det⁡(XI−C)\det(XI - C) langs de eerste kolom en induceer naar kk), en vervolgens dat ook μC=P\mu_C = P (ga over op CTC^{\mathsf T}, waarvoor e1e_1 cyclisch is, en merk op dat een matrix en haar getransponeerde dezelfde minimale veelterm hebben).
  3. Toon aan dat voor elk nulpunt λ\lambda van PP de vector (1,λ,…,λk−1)T(1, \lambda, \dots, \lambda^{k-1})^{\mathsf T} de eigenruimte van CC bij λ\lambda opspant; leid af dat elke eigenruimte van CC dimensie 11 heeft, en dat CC diagonaliseerbaar is dan en slechts dan als PP kk verschillende nulpunten heeft.
  4. Neem aan dat PP verschillende nulpunten λ1,…,λk\lambda_1, \dots, \lambda_k heeft. Toon aan dat de meetkundige rijen (λin)n(\lambda_i^n)_n een basis vormen van de oplossingsruimte van (R)(\mathcal R), zodat elke oplossing un=∑iciλinu_n = \sum_i c_i\lambda_i^n is voor eenduidig bepaalde constanten cic_i.
  5. Los volledig op: un+2=un+1+6unu_{n+2} = u_{n+1} + 6u_n, u0=1u_0 = 1, u1=8u_1 = 8.

Deel II — De verschuivingsoperator en de hoofdstelling. Zij S\mathcal{S} de C\C-vectorruimte van alle complexe rijen en S∈L(S)S \in \mathcal{L}(\mathcal{S}) de verschuiving, S((un)n)=(un+1)nS\bigl((u_n)_n\bigr) = (u_{n+1})_n.

  1. Toon aan dat de oplossingsverzameling van (R)(\mathcal R) gelijk is aan ker⁡P(S)\ker P(S), en dat zij precies dimensie kk heeft (stuur een oplossing naar haar beginwaarden).
  2. Leg uit waarom het kernontbindingslemma (Stelling 3.14) zonder enige wijziging op SS toepasbaar is op het oneindigdimensionale S\mathcal{S}, en schrijf de resulterende ontbinding van ker⁡P(S)\ker P(S) op voor P=∏i=1r(X−λi)miP = \prod_{i=1}^{r}(X - \lambda_i)^{m_i} (verschillende λi\lambda_i, alle ongelijk aan nul omdat a0≠0a_0 \neq 0).
  3. Toon voor λ≠0\lambda \neq 0 en m≥1m \geq 1 aan dat

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

    van dimensie mm. (Bereken (S−λ)(Q(n)λn)=λn+1(ΔQ)(n)(S - \lambda)\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr) = \lambda^{n+1}(\Delta Q)(n) met ΔQ=Q(X+1)−Q(X)\Delta Q = Q(X + 1) - Q(X), en gebruik dat Δ\Delta de graad verlaagt; begrens voor de dimensie door mm via de beginwaarden.)

  4. (De hoofdstelling over lineaire recurrenties) Besluit: is P=∏i=1r(X−λi)miP = \prod_{i=1}^{r}(X - \lambda_i)^{m_i} met verschillende λi\lambda_i die alle ongelijk aan nul zijn, dan zijn de oplossingen van (R)(\mathcal R) precies de rijen

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

    met eenduidig bepaalde veeltermen QiQ_i.

  5. Los volledig op: un+2=4un+1−4unu_{n+2} = 4u_{n+1} - 4u_n, u0=1u_0 = 1, u1=0u_1 = 0, en controleer het antwoord op u2u_2.

Deel III — Dominante nulpunten en diofantische opbrengsten.

  1. Neem aan dat de nulpunten enkelvoudig zijn met ∣λ1∣>∣λi∣\abs{\lambda_1} > \abs{\lambda_i} voor i≥2i \geq 2, en dat un=∑iciλinu_n = \sum_i c_i \lambda_i^n met c1≠0c_1 \neq 0. Toon aan dat un∼c1λ1nu_n \sim c_1\lambda_1^n en un+1/un→λ1u_{n+1}/u_n \to \lambda_1.
  2. (Pell) Definieer an+1=an+2bna_{n+1} = a_n + 2b_n, bn+1=an+bnb_{n+1} = a_n + b_n, met a0=b0=1a_0 = b_0 = 1. Toon aan dat q(a,b)=a2−2b2q(a, b) = a^2 - 2b^2 voldoet aan q(an+1,bn+1)=−q(an,bn)q(a_{n+1}, b_{n+1}) = -q(a_n, b_n), en dus an2−2bn2=(−1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (-1)^{n+1}; breng dit in verband met de determinant van M=(1211)M = \left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 1 & 1\end{smallmatrix}\right).
  3. Leid de foutschatting

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

    af, en toon aan dat zij meetkundig afneemt met factor 3−223 - 2\sqrt2 (bepaal de eigenwaarden van MM en de groei van bnb_n).

  4. (Algemene groei) Bewijs uit vraag 9: (a) voldoet elk nulpunt aan ∣λi∣≤ρ\abs{\lambda_i} \leq \rho, dan is ∣un∣≤C nm−1ρn\abs{u_n} \leq C\,n^{m-1}\rho^n met m=max⁡imim = \max_i m_i; (b) is er precies één nulpunt λ1\lambda_1 van maximale modulus en is Q1≠0Q_1 \neq 0, dan geldt un+1/un→λ1u_{n+1}/u_n \to \lambda_1 — ga dit na op de oplossing van vraag 10.

Deel IV — Wandelingen en woorden tellen. Voor een eindige graaf met knopenverzameling {1,…,N}\{1, \dots, N\} heeft de adjacentiematrix AA als elementen Aij=1A_{ij} = 1 wanneer ijij een rib is, en anders 00.

  1. Bewijs dat (An)ij(A^n)_{ij} het aantal wandelingen van lengte nn van ii naar jj is (rijen van nn ribben, waarbij elke stap langs een rib loopt).
  2. (De driehoek) Voor de volledige graaf op 33 knopen is A=J−IA = J - I: toon met het spectrum van JJ (Voorbeeld 2.19) aan dat

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

    en controleer beide voor n=2n = 2 door de wandelingen op te sommen.

  3. (Woorden zonder 1111) Zij wnw_n het aantal binaire woorden van lengte nn zonder twee opeenvolgende enen. Codeer de woorden naar hun laatste letter om een overdrachtsmatrix te krijgen, toon aan dat wn+2=wn+1+wnw_{n+2} = w_{n+1} + w_n, leid af dat wn=Fn+2w_n = F_{n+2} (Fibonacci, Oefening 3.5), en geef de groeisnelheid lim⁡wn+1/wn\lim w_{n+1}/w_n.
  4. (Het pad) Toon voor de padgraaf 1−2−31 - 2 - 3 aan dat de eigenwaarden van AA gelijk zijn aan 2,0,−2\sqrt2, 0, -\sqrt2 met eigenvectoren (1,±2,1)(1, \pm\sqrt2, 1) en (1,0,−1)(1, 0, -1), en leid af dat het aantal wandelingen van lengte nn van het ene uiteinde naar het andere gelijk is aan ((2)n+(−2)n)/4\bigl((\sqrt2)^n + (-\sqrt2)^n\bigr)/4: nul voor oneven nn, en 2 n/2−12^{\,n/2 - 1} voor even nn. Controleer dit voor n=4n = 4.
  5. (Spoorformule) Toon aan dat het totale aantal gesloten wandelingen van lengte nn (over alle beginpunten) gelijk is aan tr⁡(An)=∑iλin\operatorname{tr}(A^n) = \sum_i \lambda_i^n, en ga dit na op de driehoek.

Deel V — Een ring van rijen: simultane diagonalisatie. Leg k≥3k \geq 3 vast, zij ω=e2iπ/k\omega = \eu^{2\iu\pi/k}, en zij W∈Mk(C)W \in \mathcal{M}_k(\C) de cyclische verschuiving: Wei=ei+1W e_i = e_{i+1} (indices modulo kk, kolommen genummerd 0,…,k−10, \dots, k-1).

  1. Toon aan dat WTW^{\mathsf T} de begeleidende matrix van Xk−1X^k - 1 is, leid af dat χW=μW=Xk−1\chi_W = \mu_W = X^k - 1, en dat WW diagonaliseerbaar is met de kk enkelvoudige eigenwaarden ωj\omega^j en eigenvectoren fj=(1,ω−j,ω−2j,…,ω−(k−1)j)Tf_j = (1, \omega^{-j}, \omega^{-2j}, \dots, \omega^{-(k-1)j})^{\mathsf T}.
  2. Een circulante matrix is C=c0I+c1W+⋯+ck−1Wk−1C = c_0 I + c_1 W + \dots + c_{k-1}W^{k-1}. Toon aan dat alle circulante matrices commuteren, dat de basis (f0,…,fk−1)(f_0, \dots, f_{k-1}) ze alle tegelijk diagonaliseert, en dat de eigenwaarden van CC gelijk zijn aan c^(ωj)=∑mcmωjm\widehat c(\omega^j) = \sum_m c_m \omega^{jm}, j=0,…,k−1j = 0, \dots, k-1.
  3. Leid af dat det⁡C=∏j=0k−1c^(ωj)\det C = \prod_{j=0}^{k-1} \widehat c(\omega^j), en ga na dat k=3k = 3 de factorisatie van Oefening 2.8 teruggeeft.
  4. (Het halssnoergemiddelde) Zij x(n+1)=Mx(n)x^{(n+1)} = Mx^{(n)} met M=12(W+W−1)M = \frac12(W + W^{-1}): elk van kk getallen die in een ring liggen wordt vervangen door het gemiddelde van zijn twee buren. Toon aan dat de eigenwaarden van MM gelijk zijn aan cos⁡(2πj/k)\cos(2\pi j/k), en dat de coëfficiënt van x(0)x^{(0)} op f0f_0 het gemiddelde 1k∑mxm(0)\frac1k\sum_m x^{(0)}_m is (tel de coördinaten van de fjf_j op).
  5. Besluit: voor oneven kk convergeert x(n)x^{(n)} naar de constante vector met als waarde het gemiddelde van de beginwaarden; geef voor k=4k = 4 de eigenwaarde die voor de niet-convergentie verantwoordelijk is, en de exacte hindernis (een coëfficiënt van het alternerende gemiddelde die nul moet zijn).
  6. (Synthese) In telkens één zin: hoe de begeleidende matrix de analyse van (R)(\mathcal R) omzet in reductie; waar het kernontbindingslemma geen eindige dimensie nodig had; waarom dominante eigenwaarden de groeisnelheden en de diofantische fout besturen; waarom machten van de adjacentiematrix wandelingen tellen; en wat commuterende matrices opleveren. Noem de twee toppen: de hoofdstelling over lineaire recurrenties, en — voor de positieve matrices van Deel IV, in het volume van bachelorjaar 3 — de stelling van Perron–Frobenius.
Oplossing

Oplossing van Probleem 3.1.

1. De eerste k−1k - 1 coördinaten van CvnCv_n zijn un+1,…,un+k−1u_{n+1}, \dots, u_{n+k-1} (de bovendiagonaal verschuift), en de laatste is a0un+⋯+ak−1un+k−1a_0 u_n + \dots + a_{k-1}u_{n+k-1}. Dus geldt vn+1=Cvnv_{n+1} = Cv_n voor alle nn dan en slechts dan als de laatste coördinaten voor alle nn overeenkomen, dat wil zeggen dan en slechts dan als (R)(\mathcal R) geldt. Itereren geeft vn=Cnv0v_n = C^nv_0.

2. Ontwikkel Dk(X)=det⁡(XIk−C)D_k(X) = \det(XI_k - C) langs de eerste kolom: de twee elementen ongelijk aan nul zijn XX (plaats (1,1)(1,1)) en −a0-a_0 (plaats (k,1)(k,1)). De eerste minor heeft de vorm van Dk−1D_{k-1} voor de coëfficiënten a1,…,ak−1a_1, \dots, a_{k-1}; de tweede minor is bovendriehoekig met diagonaal −1-1: determinant (−1)k−1(-1)^{k-1}, met teken (−1)k+1(-1)^{k+1} vanwege de plaats. Inductie naar kk (basisgeval k=1k = 1: X−a0X - a_0) geeft

Dk(X)=X(Xk−1−ak−1Xk−2−⋯−a1)−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).

Voor μC\mu_C: omdat Q(CT)=Q(C)TQ(C^{\mathsf T}) = Q(C)^{\mathsf T} voor elke veelterm, hebben CC en CTC^{\mathsf T} dezelfde annihilerende veeltermen en dus dezelfde minimale veelterm. Voor CTC^{\mathsf T} luiden de kolommen CTe1=e2C^{\mathsf T}e_1 = e_2, …, CTek−1=ekC^{\mathsf T}e_{k-1} = e_k, zodat (e1,CTe1,…,(CT)k−1e1)(e_1, C^{\mathsf T}e_1, \dots, (C^{\mathsf T})^{k-1}e_1) de canonieke basis is: vrij. Een veelterm Q≠0Q \neq 0 van graad <k< k voldoet dan aan Q(CT)e1≠0Q(C^{\mathsf T})e_1 \neq 0 (het is een niet-triviale combinatie van basisvectoren): dus deg⁡μ≥k\deg\mu \geq k. Omdat μ∣χ=P\mu \mid \chi = P met deg⁡P=k\deg P = k, volgt μC=P\mu_C = P.

3. Voor v=(1,λ,…,λk−1)Tv = (1, \lambda, \dots, \lambda^{k-1})^{\mathsf T} geven de rijen 11 tot k−1k-1 van CvCv de waarden λ,λ2,…,λk−1\lambda, \lambda^2, \dots, \lambda^{k-1}, dat wil zeggen λ\lambda maal de eerste k−1k - 1 componenten van vv; de laatste rij geeft ∑mamλm=λk−P(λ)=λk=λ⋅λk−1\sum_m a_m\lambda^m = \lambda^k - P(\lambda) = \lambda^k = \lambda\cdot\lambda^{k-1}. Dus Cv=λvCv = \lambda v. Omgekeerd luiden de vergelijkingen (Cx)i=λxi(Cx)_i = \lambda x_i voor i<ki < k juist xi+1=λxix_{i+1} = \lambda x_i: elke eigenvector is evenredig met vv — dus heeft elke eigenruimte precies dimensie 11. En CC is diagonaliseerbaar dan en slechts dan als de dimensies van de eigenruimten samen kk zijn (Stelling 3.6), dan en slechts dan als er kk verschillende eigenwaarden zijn, dan en slechts dan als PP kk verschillende nulpunten heeft (de eigenwaarden zijn de nulpunten van χC=P\chi_C = P).

4. Elke (λin)n(\lambda_i^n)_n lost (R)(\mathcal R) op: λin+k=λin λik=λin∑mamλim\lambda_i^{n+k} = \lambda_i^n\,\lambda_i^k = \lambda_i^n\sum_m a_m\lambda_i^m. Vrijheid: een verdwijnende combinatie ∑iciλin=0\sum_i c_i\lambda_i^n = 0 voor n=0,…,k−1n = 0, \dots, k-1 is een Vandermonde-stelsel (Oefening 2.11) in de cic_i: alle ci=0c_i = 0. De oplossingsruimte heeft dimensie kk (vraag 6, waarvan het bewijs elementair en onafhankelijk is): kk vrije oplossingen vormen dus een basis, en de coördinaten zijn eenduidig.

5. P=X2−X−6=(X−3)(X+2)P = X^2 - X - 6 = (X - 3)(X + 2): algemene oplossing un=A 3n+B(−2)nu_n = A\,3^n + B(-2)^n. Beginvoorwaarden: A+B=1A + B = 1 en 3A−2B=83A - 2B = 8, dus A=2A = 2 en B=−1B = -1:

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

(Controle: u2=u1+6u0=14u_2 = u_1 + 6u_0 = 14 en 2⋅9−4=142\cdot9 - 4 = 14.)

6. P(S)((un))P(S)\bigl((u_n)\bigr) is de rij n↦un+k−ak−1un+k−1−⋯−a0unn \mapsto u_{n+k} - a_{k-1}u_{n+k-1} - \dots - a_0u_n: zij verdwijnt dan en slechts dan als (R)(\mathcal R) geldt, dus is de oplossingsverzameling gelijk aan ker⁡P(S)\ker P(S), een deelruimte. De afbeelding ker⁡P(S)→Ck\ker P(S) \to \C^k, u↦(u0,…,uk−1)u \mapsto (u_0, \dots, u_{k-1}), is lineair, injectief (de recurrentie bepaalt met inductie uk,uk+1,…u_{k}, u_{k+1}, \dots uit de eerste kk waarden) en surjectief (definieer unu_n recursief uit willekeurige begingegevens): dimensie kk.

7. Het bewijs van Stelling 3.14 gebruikt alleen de identiteit van Bézout in C[X]\C[X] en het feit dat veeltermen in een vast endomorfisme commuteren. Geen van beide noemt de dimensie van de omringende ruimte: het lemma geldt woordelijk voor S∈L(S)S \in \mathcal{L}(\mathcal{S}). Bijgevolg

ker⁡P(S)=⨁i=1rker⁡ (S−λi id)mi.\ker P(S) = \bigoplus_{i=1}^{r} \ker\,(S - \lambda_i\,\mathrm{id})^{m_i}.

8. Voor Q∈C[X]Q \in \C[X] heeft (S−λ)(Q(n)λn)n(S - \lambda)\bigl(Q(n)\lambda^n\bigr)_n als nn-de term Q(n+1)λn+1−λQ(n)λn=λn+1(ΔQ)(n)Q(n{+}1)\lambda^{n+1} - \lambda Q(n)\lambda^n = \lambda^{n+1}(\Delta Q)(n), met ΔQ=Q(X+1)−Q(X)\Delta Q = Q(X{+}1) - Q(X) van graad deg⁡Q−1\deg Q - 1 (de kopterm valt weg). Itereren geeft (S−λ)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, en ΔmQ=0\Delta^m Q = 0 zodra deg⁡Q≤m−1\deg Q \leq m - 1: de verzameling in het rechterlid ligt dus in de kern. Zij is een deelruimte van dimensie mm: de rijen (njλn)n(n^j\lambda^n)_n met 0≤j<m0 \leq j < m zijn vrij, want uit ∑jcjnjλn=0\sum_j c_j n^j\lambda^n = 0 voor alle nn volgt (na deling door λn≠0\lambda^n \neq 0) dat de veelterm ∑jcjXj\sum_j c_jX^j in elke n∈Nn \in \N verdwijnt en dus nul is. Omgekeerd is dim⁡ker⁡(S−λ)m≤m\dim\ker(S - \lambda)^m \leq m: werk (S−λ)m=∑j(mj)(−λ)m−jSj(S - \lambda)^m = \sum_j \binom mj(-\lambda)^{m-j}S^j uit; de vergelijking (S−λ)mu=0(S - \lambda)^m u = 0 is een lineaire recurrentie van orde mm (met kopcoëfficiënt 11), dus wordt uu bepaald door u0,…,um−1u_0, \dots, u_{m-1} zoals in vraag 6. De gelijkheid van de dimensies besluit.

9. Combineer de vragen 7 en 8: elke oplossing ontbindt eenduidig als een som van elementen van de ker⁡(S−λi)mi\ker(S - \lambda_i)^{m_i}, dat wil zeggen un=∑iQi(n)λinu_n = \sum_i Q_i(n)\lambda_i^n met deg⁡Qi≤mi−1\deg Q_i \leq m_i - 1; de QiQ_i zijn eenduidig omdat de ontbinding direct is en, binnen elke term, de coëfficiënten van QiQ_i de coördinaten in de basis (njλin)j(n^j\lambda_i^n)_j zijn (vraag 8). Controle op de dimensies: ∑imi=k\sum_i m_i = k.

10. P=X2−4X+4=(X−2)2P = X^2 - 4X + 4 = (X - 2)^2: de oplossingen zijn (a+bn)2n(a + bn)2^n. Begingegevens: a=1a = 1 en 2(a+b)=02(a + b) = 0, dus b=−1b = -1:

un=(1−n) 2n.u_n = (1 - n)\,2^n .

Controle: u2=4u1−4u0=−4u_2 = 4u_1 - 4u_0 = -4, en (1−2)⋅4=−4(1 - 2)\cdot4 = -4.

11. Schrijf un=λ1n(c1+∑i≥2ci(λi/λ1)n)u_n = \lambda_1^n\bigl(c_1 + \sum_{i\geq2} c_i(\lambda_i/\lambda_1)^n\bigr); elke verhouding heeft modulus <1< 1, dus gaat de haak naar c1≠0c_1 \neq 0: un∼c1λ1nu_n \sim c_1\lambda_1^n. In het bijzonder is un≠0u_n \neq 0 voor grote nn, en

un+1un=λ1 c1+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. Reken uit:

q(an+1,bn+1)=(an+2bn)2−2(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).

Met q(a0,b0)=1−2=−1q(a_0, b_0) = 1 - 2 = -1 volgt an2−2bn2=(−1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (-1)^{n+1}. Structureel: q(a,b)=(a−2 b)(a+2 b)q(a, b) = (a - \sqrt2\,b)(a + \sqrt2\,b), en de lineaire afbeelding MM vermenigvuldigt de factor a+2ba + \sqrt2 b met 1+21 + \sqrt2 en de factor a−2ba - \sqrt2 b met 1−21 - \sqrt2 (reken na: an+1+2bn+1=(1+2)(an+2bn)a_{n+1} + \sqrt2 b_{n+1} = (1 + \sqrt2)(a_n + \sqrt2 b_n)); het product wordt bij elke stap vermenigvuldigd met (1+2)(1−2)=−1=det⁡M(1 + \sqrt2)(1 - \sqrt2) = -1 = \det M.

13. Omdat an2−2bn2=(an−2bn)(an+2bn)=(−1)n+1a_n^2 - 2b_n^2 = (a_n - \sqrt2 b_n)(a_n + \sqrt2 b_n) = (-1)^{n+1}, geldt

∣anbn−2∣=∣an2−2bn2∣bn(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},

waarbij an≥bn≥1a_n \geq b_n \geq 1 (met inductie: beide stijgen), zodat an+2bn≥(1+2)bn≥2bna_n + \sqrt2 b_n \geq (1 + \sqrt2)b_n \geq 2b_n. Eigenwaarden van MM: χM=X2−2X−1\chi_M = X^2 - 2X - 1, met nulpunten 1±21 \pm \sqrt2; omdat (a0,b0)(a_0, b_0) een component ongelijk aan nul heeft op de dominante eigenvector (alle componenten zijn positief), is bn∼c(1+2)nb_n \sim c(1 + \sqrt2)^n met c>0c > 0 (vraag 11). De fout is dus ≍(1+2)−2n=(3+22)−n\asymp (1 + \sqrt2)^{-2n} = (3 + 2\sqrt2)^{-n}: meetkundige afname met factor 1/(3+22)=3−22≈0.1721/(3 + 2\sqrt2) = 3 - 2\sqrt2 \approx 0.172.

14. (a) Uit vraag 9: ∣un∣≤∑i∣Qi(n)∣∣λi∣n≤(∑i∣Qi(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, en ∣Qi(n)∣≤Cinmi−1≤Cinm−1\abs{Q_i(n)} \leq C_i n^{m_i - 1} \leq C_i n^{m-1} voor n≥1n \geq 1: tel de constanten op. (b) Zij ρ′=max⁡i≥2∣λi∣<∣λ1∣\rho' = \max_{i \geq 2}\abs{\lambda_i} < \abs{\lambda_1}, d=deg⁡Q1d = \deg Q_1 en c≠0c \neq 0 de kopcoëfficiënt. Dan is un=Q1(n)λ1n+Rnu_n = Q_1(n)\lambda_1^n + R_n met ∣Rn∣≤Cnm−1ρ′n\abs{R_n} \leq Cn^{m-1}\rho'^n, en

RnQ1(n)λ1n=O(nm−1−d(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

(meetkundig wint van polynomiaal). Dus

un∼Q1(n) λ1n∼c ndλ1n,un+1un⟶λ1(want 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{(want } Q_1(n{+}1)/Q_1(n) \to 1\text{)}.

Controle op vraag 10: voor un=(1−n)2nu_n = (1-n)2^n is de verhouding

(−n)2n+1(1−n)2n=2 −n1−n⟶2=λ1.\frac{(-n)2^{n+1}}{(1-n)2^n} = 2\,\frac{-n}{1-n} \longrightarrow 2 = \lambda_1 .

15. Inductie naar nn. Voor n=1n = 1 telt AijA_{ij} de wandelingen van lengte 11. Stap: een wandeling van lengte n+1n + 1 van ii naar jj is een wandeling van lengte nn van ii naar een knoop ℓ\ell, gevolgd door een rib ℓj\ell j:

#{wandelingen}=∑ℓ(An)iℓAℓj=(An+1)ij.\#\{\text{wandelingen}\} = \sum_{\ell} (A^n)_{i\ell}A_{\ell j} = (A^{n+1})_{ij}.

16. Er geldt J=3ΠJ = 3\Pi, waarbij Π=J/3\Pi = J/3 de projectie op Vect⁡(1,1,1)\operatorname{Vect}(1,1,1) langs het vlak x+y+z=0x + y + z = 0 is (Π2=Π\Pi^2 = \Pi omdat J2=3JJ^2 = 3J). Dan is A=J−I=2Π−(I−Π)A = J - I = 2\Pi - (I - \Pi), en omdat Π\Pi en I−ΠI - \Pi complementaire projecties zijn,

An=2n Π+(−1)n(I−Π),dus(An)ij=2n3+(−1)n(δij−13),A^n = 2^n\,\Pi + (-1)^n (I - \Pi), \qquad\text{dus}\qquad (A^n)_{ij} = \frac{2^n}3 + (-1)^n\Bigl(\delta_{ij} - \frac13\Bigr),

wat de twee gevraagde formules geeft. Voor n=2n = 2: op de diagonaal (4+2)/3=2(4 + 2)/3 = 2 (de wandelingen i→ℓ→ii \to \ell \to i over de twee buren ℓ\ell); buiten de diagonaal (4−1)/3=1(4 - 1)/3 = 1 (de ene wandeling i→ℓ→ji \to \ell \to j via de derde knoop).

17. Zijn wn(0)w_n^{(0)} en wn(1)w_n^{(1)} het aantal toegelaten woorden van lengte nn die op 00 respectievelijk op 11 eindigen. Bij het toevoegen van een letter mag een 00 op alles volgen en een 11 alleen op een 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}.

Optellen geeft wn+2=wn+1+wnw_{n+2} = w_{n+1} + w_n (of: onderscheid naar de eerste letter). Met w1=2w_1 = 2 en w2=3w_2 = 3 volgt met inductie wn=Fn+2w_n = F_{n+2} (F3=2F_3 = 2, F4=3F_4 = 3, dezelfde recurrentie). Groei: de nulpunten van X2−X−1X^2 - X - 1 zijn φ>∣ψ∣\varphi > \abs\psi (Oefening 3.5), en de component bij φ\varphi is ongelijk aan nul (de wnw_n zijn positief en ψn→0\psi^n \to 0), dus geeft vraag 11 dat wn+1/wn→φ=1+52w_{n+1}/w_n \to \varphi = \frac{1 + \sqrt5}2.

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

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 :

eigenwaarden 2,−2,0\sqrt2, -\sqrt2, 0 (=2cos⁡π4,2cos⁡3π4,2cos⁡π2= 2\cos\frac\pi4, 2\cos\frac{3\pi}4, 2\cos\frac\pi2). Ontbind e1e_1 op de eigenbasis en lees de derde coördinaat af, of gebruik de symmetrie: met v±=(1,±2,1)v_\pm = (1, \pm\sqrt2, 1) en v0=(1,0,−1)v_0 = (1, 0, -1) gaat men na dat e1=14v++14v−+12v0e_1 = \frac14 v_+ + \frac14 v_- + \frac12 v_0, zodat voor n≥1n \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},

nul voor oneven nn (de graaf is bipartiet: de uiteinden liggen op even afstand), en 2⋅2n/2/4=2n/2−12\cdot 2^{n/2}/4 = 2^{n/2 - 1} voor even nn. Voor n=4n = 4: 21=22^{1} = 2, in overeenstemming met de twee wandelingen 1 2 1 2 31\,2\,1\,2\,3 en 1 2 3 2 31\,2\,3\,2\,3.

19. Het aantal gesloten wandelingen van lengte nn vanuit ii is (An)ii(A^n)_{ii}; sommeren over ii geeft tr⁡(An)\operatorname{tr}(A^n). Trigonaliseren we AA (over C\C), dan is AnA^n driehoekig met diagonaal λin\lambda_i^n: tr⁡(An)=∑iλin\operatorname{tr}(A^n) = \sum_i\lambda_i^n. Voor de driehoek: tr⁡(An)=3 2n+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, dat wil zeggen het spectrum {2,−1,−1}\{2, -1, -1\}, in overeenstemming met vraag 16.

20. De kolommen van WTW^{\mathsf T}: WTei=ei−1W^{\mathsf T}e_i = e_{i-1} voor i≥1i \geq 1 en WTe0=ek−1W^{\mathsf T}e_0 = e_{k-1}; hernoemen we in de volgorde e0,e1,…e_0, e_1, \dots, dan is dit precies de begeleidende matrix van Xk−1X^k - 1 (a0=1a_0 = 1, de overige am=0a_m = 0). Vraag 2 geeft χW=χWT=Xk−1=μW\chi_{W} = \chi_{W^{\mathsf T}} = X^k - 1 = \mu_{W}. De nulpunten ωj\omega^j (j=0,…,k−1j = 0, \dots, k-1) zijn de kk verschillende kk-de eenheidswortels: dus is WW diagonaliseerbaar (vraag 3, of Oefening 3.8: Wk=IW^k = I). Eigenvectoren: Wfj=∑mω−jmem+1=∑m′ω−j(m′−1)em′=ωjfjWf_j = \sum_m \omega^{-jm}e_{m+1} = \sum_{m'}\omega^{-j(m'-1)}e_{m'} = \omega^j f_j.

21. Circulante matrices zijn veeltermen in WW, en veeltermen in een vaste matrix commuteren onderling. Elke fjf_j is een eigenvector van elke macht: Wmfj=ωjmfjW^m f_j = \omega^{jm}f_j, dus

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

de basis (f0,…,fk−1)(f_0, \dots, f_{k-1}) (vrij: Vandermonde in de verschillende ω−j\omega^{-j}, Oefening 2.11) diagonaliseert alle circulante matrices tegelijk, met de genoemde eigenwaarden.

22. De determinant is het product van de eigenwaarden (diagonaliseer): det⁡C=∏jc^(ωj)\det C = \prod_{j}\widehat c(\omega^j). Voor k=3k = 3, met c0=ac_0 = a, c1=bc_1 = b, c2=cc_2 = c en ω=j=e2iπ/3\omega = j = \eu^{2\iu\pi/3}:

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

en j4=jj^4 = j: precies de factorisatie van Oefening 2.8.

23. M=12(W+W−1)M = \frac12(W + W^{-1}) is een circulante matrix (W−1=Wk−1W^{-1} = W^{k-1}), met eigenwaarden 12(ωj+ω−j)=cos⁡2πjk\frac12(\omega^j + \omega^{-j}) = \cos\frac{2\pi j}k op dezelfde basis fjf_j. Coördinaten: schrijf x(0)=∑jαjfjx^{(0)} = \sum_j \alpha_j f_j. De coördinaten van fjf_j tellen op tot ∑mω−jm\sum_m \omega^{-jm}, wat kk is voor j=0j = 0 en anders 00 (een meetkundige som met reden ω−j≠1\omega^{-j} \neq 1). Tellen we de coördinaten van x(0)x^{(0)} op, dan komt er ∑mxm(0)=α0 k\sum_m x^{(0)}_m = \alpha_0\,k, dus α0=1k∑mxm(0)\alpha_0 = \frac1k\sum_m x^{(0)}_m, het gemiddelde.

24. Er geldt x(n)=Mnx(0)=∑jαjcos⁡n(2πjk)fjx^{(n)} = M^nx^{(0)} = \sum_j \alpha_j\cos^n\bigl(\tfrac{2\pi j}k\bigr)f_j. Voor oneven kk is ∣cos⁡(2πj/k)∣<1\abs{\cos(2\pi j/k)} < 1 voor elke j≠0j \neq 0 (de hoek is nooit 00 of π\pi), dus gaan alle termen behalve j=0j = 0 naar 00: x(n)→α0f0x^{(n)} \to \alpha_0 f_0, de constante vector met als waarde het gemiddelde — middelen op een oneven ring maakt gelijk. Voor k=4k = 4 zijn de eigenwaarden 1,0,−1,01, 0, -1, 0: de term bij j=2j = 2, te weten α2(−1)nf2\alpha_2(-1)^nf_2 met f2=(1,−1,1,−1)Tf_2 = (1, -1, 1, -1)^{\mathsf T}, blijft eeuwig oscilleren. De hindernis is het alternerende gemiddelde: vermenigvuldigen we de coördinaten van x(0)x^{(0)} met (−1)m(-1)^m en tellen we op, dan geeft dezelfde meetkundige som ∑m(−1)mxm(0)=4α2\sum_m (-1)^mx^{(0)}_m = 4\alpha_2: het proces convergeert dan en slechts dan als x0(0)−x1(0)+x2(0)−x3(0)=0x^{(0)}_0 - x^{(0)}_1 + x^{(0)}_2 - x^{(0)}_3 = 0, en convergeert dan naar het gemiddelde.

25. De begeleidende matrix zet een scalaire recurrentie van orde kk om in een vectorrecurrentie van orde één, zodat gesloten formules uitspraken over CnC^n worden — het eigen terrein van de reductie (vragen 1–5). Het kernontbindingslemma is zuivere veeltermalgebra (Bézout plus commutatie) en splitst dus ker⁡P(S)\ker P(S) ook al is S\mathcal{S} oneindigdimensionaal (vragen 7–9). Dominante eigenwaarden besturen de groei omdat elke andere bijdrage na normalisatie meetkundig verwaarloosbaar is — en daarom neemt de fout bij Pell af als het kwadraat van het dominante nulpunt (vragen 11–14). Machten van de adjacentiematrix tellen wandelingen omdat matrixvermenigvuldiging over de tussenknopen sommeert, zodat spectra gesloten wandelingen tellen (vragen 15–19). Commuterende matrices delen een eigenbasis, en één fourierbasis diagonaliseert dan in één klap de hele algebra van de circulante matrices (vragen 20–24). De toppen: de hoofdstelling over lineaire recurrenties (vraag 9); en voor niet-negatieve matrices is de reden dat dominante nulpunten als φ\varphi of 1+21 + \sqrt2 vanzelf reëel, positief en enkelvoudig zijn, de stelling van Perron–Frobenius, bewezen in het volume van bachelorjaar 3.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst