Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3
3Modulen over een hoofdideaaldomein
Lineaire algebra over een ring in plaats van over een lichaam: die kleine wijziging in de hypothesen levert een van de grote unificatiestellingen van de algebra op. Een moduul over is een abelse groep; een moduul over is een vectorruimte met een endomorfisme erop. De structuurstelling voor eindig voortgebrachte modulen over een hoofdideaaldomein classificeert dus in één klap alle eindig voortgebrachte abelse groepen en alle endomorfismen op gelijkvormigheid na — de reductie van Jordan, die in bachelorjaar 2 nog via delicate inducties werd verkregen, valt eruit als gevolg, samen met haar subtielere tegenhanger, de rationale normaalvorm, geldig over elk lichaam. De rekenmotor is de normaalvorm van Smith, een matrixrekenkunde die Euclides waardig is.
Overal is een commutatieve ring, weldra een hoofdideaaldomein; “moduul” betekent -moduul.
3.1 Modulen, vrije modulen
Definitie 3.1
Een -moduul is een abelse groep met een scalaire vermenigvuldiging die aan de axioma’s van een vectorruimte voldoet: , , en . Deelmodulen, quotiënten , morfismen (-lineaire afbeeldingen), directe sommen en de isomorfiestellingen worden woord voor woord gedefinieerd en bewezen zoals voor vectorruimten en abelse groepen; in het bijzonder is voor een morfisme .
Voorbeeld 3.2
De drie motiverende gevallen.
- een lichaam: modulen zijn vectorruimten.
- : modulen zijn precies de abelse groepen ( is gedwongen ), deelmodulen zijn deelgroepen.
- : een moduul is een -vectorruimte samen met de -lineaire afbeelding — en omgekeerd wordt elk paar met een -moduul via . De deelmodulen zijn precies de -invariante deelruimten.
Een ideaal van is precies een deelmoduul van ; een quotiëntring is een -moduul. Anders dan vectorruimten kunnen modulen torsie hebben: in wordt het element vernietigd door .
Definitie 3.3
heet eindig voortgebracht als voor zekere . En heet vrij van rang als , dat wil zeggen als het een basis heeft (een voortbrengende familie die -lineair onafhankelijk is). Elk eindig voortgebracht is een quotiënt van een vrij moduul: beeldt af op .
Propositie 3.4 (Invariantie van de rang)
Is en , dan is .
Bewijs. Kies een maximaal ideaal van (Stelling 2.8) en stel , een lichaam. Een isomorfisme beeldt in af (lineariteit) en induceert dus een isomorfisme van de quotiënten
als -vectorruimten (het quotiënt wordt door vernietigd, dus factoriseert de -werking over ; de beelden van de standaardbasis vormen een -basis). De dimensietheorie over het lichaam geeft . ∎
Stelling 3.5 (Deelmodulen van vrije modulen)
Zij een hoofdideaaldomein en een deelmoduul. Dan is vrij van rang .
Bewijs. Inductie naar . Voor is een ideaal, dus (vrij van rang ) of ( is injectief: het is een domein). Voor : zij de laatste coördinaat. Dan is een ideaal, dus of . Is het , dan is en past de inductiehypothese. Kies anders met . Elke schrijft zich op precies één manier als
(, dus de coëfficiënt ligt in ). Bijgevolg is : de som is direct, want dwingt af. Per inductie is vrij van rang ; toevoegen (onafhankelijk van , zoals net gezien) geeft een basis van met hoogstens elementen. ∎
Opmerking 3.6
Bijgevolg heeft over een hoofdideaaldomein elk eindig voortgebracht moduul een eindige presentatie: een surjectie heeft een vrije kern met basis (), en met de matrix waarvan de kolommen de zijn. begrijpen betekent dus een matrix over begrijpen, op basiswisselingen in bron en doel na — het onderwerp van de volgende paragraaf.
3.2 De normaalvorm van Smith
Definitie 3.7
Twee matrices heten equivalent als met en (inverteerbaar over : determinant in ). Equivalente presentatiematrices definiëren isomorfe modulen (wissel van basis in en ).
Stelling 3.8 (Normaalvorm van Smith)
Zij een hoofdideaaldomein en . Dan is equivalent met een diagonaalmatrix
en de zijn op associatie na uniek: is een grootste gemene deler van de -minoren van (in het bijzonder is die grootste gemene deler een invariant van de equivalentie). De heten de invariante factoren van .
Bewijs. Bestaan. Is , dan zijn we klaar. Beschouw anders de verzameling idealen voortgebracht door de ingangen van matrices die equivalent zijn met ; omdat noethers is, kunnen we een met equivalente matrix kiezen en een ingang van waarvoor in die verzameling maximaal is. Breng met rij- en kolomverwisselingen naar plaats .
Bewering: deelt elke ingang van . Eerst kolom 1: is geen veelvoud van , stel dan (Bézout), zodat . De truc met de -matrix: op de rijen en werken met
levert een equivalente matrix met ingang op plaats : in strijd met de maximaliteit van . Dus deelt kolom , en symmetrisch rij . Veelvouden van rij 1 en kolom 1 aftrekken veegt die schoon: is equivalent met . Vervolgens deelt elke ingang van : tel de rij van op bij rij 1 (een elementaire bewerking; de nieuwe eerste rij bevat en -ingangen) en herhaal het kolomveegargument: een niet-veelvoud zou opnieuw verbeteren. Nu inductie naar de afmeting: , waarvan alle ingangen door deelbaar zijn, heeft een Smith-vorm waarvan de ingangen door deelbaar blijven (elke ingang van een is een -combinatie van ingangen van ); stel .
Eenduidigheid. Noteer met een grootste gemene deler van alle -minoren. Rij- en kolombewerkingen, en algemener vermenigvuldiging met een willekeurige matrix, kunnen die grootste gemene deler niet verkleinen: de -minoren van zijn -combinaties van die van (ontwikkeling van Cauchy–Binet; of rechtstreeks: elke rij van is een combinatie van rijen van , en minoren zijn multilineair in de rijen). Dus delen en elkaar: is een invariant van de equivalentie. Op de diagonaalvorm zijn de -minoren de producten van van de , en maakt de deelbaarheid van de grootste gemene deler. Bijgevolg is op eenheden na, en ligt vast. ∎
Methode 3.9
Over een euclidisch domein (, ) is de Smith-reductie een algoritme — geen maximaliteitsargument nodig: breng de ingang met de kleinste euclidische grootte naar plaats ; deelt ze een ingang van haar rij of kolom niet, dan laat een euclidische deling daar een strikt kleinere rest achter — wissel die naar binnen en begin opnieuw (terminatie: de groottes dalen); deelt ze haar hele rij en kolom, veeg die dan schoon; deelt ze een inwendige ingang niet, tel die rij dan op bij rij en begin opnieuw; en werk recursief verder op het inwendige blok. In de praktijk, bij gehele matrices: bereken van de ingangen, dan , … via de minoren voor kleine afmetingen, of laat het algoritme lopen.
Voorbeeld 3.10 (Een volledig uitgewerkte Smith-reductie)
Reduceer over . De hoekingang deelt alles: veeg haar rij en kolom schoon (, , daarna , ):
In het inwendige blok deelt de hoekingang alle ingangen: en vegen het schoon tot . Na aanpassing van de tekens (een rij met vermenigvuldigen is een geoorloofde bewerking):
Controle via de determinantdelers: ; elke -minor van is een veelvoud van (bijvoorbeeld ) en één ervan is : ; en . Dus , , : hetzelfde antwoord. Twee lessen: een invariante factor legt de rangval vast (de cokern krijgt een vrije -summand erbij), en de deelbaarheidsketen is het Smith-certificaat — een diagonaalreductie die de keten schendt (zeg , die de onachtzame lezer uit haalt door te vroeg te stoppen: de juiste Smith-vorm is , want hier is !) is niet af.
3.3 De structuurstelling
Definitie 3.11
Zij een domein en een -moduul. Het torsiedeelmoduul is
(een deelmoduul: uit volgt met ). heet torsievrij als , en een torsiemoduul als .
Stelling 3.12 (Structuur van eindig voortgebrachte modulen over een hoofdideaaldomein)
Zij een hoofdideaaldomein en een eindig voortgebracht -moduul. Dan bestaan er een unieke en elementen , alle en geen eenheden, op associatie na uniek, met
Bovendien is en : een eindig voortgebracht torsievrij moduul over een hoofdideaaldomein is vrij.
Bewijs. Bestaan. Presenteer (Opmerking 3.6) en breng in Smith-vorm: na de twee basiswisselingen is . Laat de factoren weg waarin een eenheid is (); de deelbaarheidsketen overleeft dat.
Het herkennen van de torsie. In de ontbinding is torsievrij (een domein heeft geen nuldelers) en is elke torsie (vernietigd door ); een directe som splitst de torsie dienovereenkomstig: en .
Eenduidigheid van : hangt alleen van af, en Propositie 3.4 legt vast.
Eenduidigheid van de : het volstaat het torsiemoduul te behandelen. Ontbind elke in priemelementen en splits met de Chinese reststelling (Stelling 2.9; verschillende priemelementen brengen comaximale idealen voort):
met de elementaire delers . Omgekeerd worden de uit de multiverzameling elementaire delers gereconstrueerd ( = product van de hoogste macht van elk priemelement, enzovoort), zodat het volstaat te bewijzen dat de multiverzameling voor elk priemelement door is bepaald. Leg vast en beschouw voor de -vectorruimten . Op een cyclische factor geldt
en op een factor met is de vermenigvuldiging met bijectief ( is inverteerbaar modulo : Bézout), zodat het quotiënt is. Directe sommen gaan er doorheen: . Die intrinsieke dimensies leggen de multiverzameling exponenten vast. ∎
Gevolg 3.13 (Eindig voortgebrachte abelse groepen)
Elke eindig voortgebrachte abelse groep is met , en dat op precies één manier. Elke eindige abelse groep is een product van cyclische groepen van priemmachtorde, als multiverzameling uniek.
Voorbeeld 3.14
De abelse groepen van orde komen overeen met de partities van : voor zijn dat , , , en — vijf groepen, want heeft vijf partities. Bij gemengde ordes vermenigvuldigen de aantallen zich priemgetal per priemgetal (Chinese reststelling): er zijn abelse groepen van orde .
3.4 Toepassing: normaalvormen van endomorfismen
Zij een lichaam, een -vectorruimte van eindige dimensie , en ; maak van een -moduul via (Voorbeeld 3.2). Dat moduul is eindig voortgebracht (een -basis brengt het voort) en torsie: voor elke zijn de vectoren -afhankelijk, wat een annihilerende veelterm oplevert.
Definitie 3.15
Voor een monische is de begeleidende matrix
de matrix van “vermenigvuldigen met ” op in de basis .
Stelling 3.16 (Frobenius: de rationale normaalvorm)
Er bestaat precies één rij monische niet-constante veeltermen (de gelijkvormigheidsinvarianten van ) zodanig dat, als -modulen,
in een geschikte basis heeft de blokdiagonale matrix . Bovendien geldt:
- (de minimaalveelterm) en (de karakteristieke veelterm); in het bijzonder is (Cayley–Hamilton opnieuw bewezen) en , zodat en dezelfde irreducibele factoren hebben.
- Twee endomorfismen (of vierkante matrices) zijn gelijkvormig dan en slechts dan als ze dezelfde gelijkvormigheidsinvarianten hebben.
Bewijs. Pas de structuurstelling (Stelling 3.12) toe op het hoofdideaaldomein : het torsiemoduul ontbindt met invariante factoren , monisch genormaliseerd (de eenheden van zijn ); een vrij deel treedt niet op ( is torsie). Op elke cyclische factor heeft vermenigvuldigen met de matrix in de basis van de machten van : de bases achter elkaar zetten geeft de blokvorm.
(1) De annihilator van is (deelbaarheidsketen: is een gemeenschappelijk veelvoud, en de klasse van in de laatste factor wordt precies door vernietigd): dus . Voor : op een cyclische factor is , met inductie naar . Ontwikkel naar de eerste rij (met als ingangen , dan nullen, en in de laatste kolom):
waarbij (dezelfde vorm, één maat kleiner) en driehoekig is met diagonaal , zodat . Per inductie is de eerste term en de tweede : samen (basisgeval : ). Determinanten vermenigvuldigen over de blokken: . Cayley–Hamilton: elke , dus deelt de veelterm ; en deelt als een van haar factoren.
(2) Gelijkvormige endomorfismen zijn geconjugeerde moduulstructuren en hebben dus dezelfde invarianten (de eenduidigheid in Stelling 3.12); omgekeerd geven gelijke invarianten isomorfe -modulen, en een moduulisomorfisme is precies een lineaire bijectie die de twee endomorfismen verweeft: een gelijkvormigheid. ∎
Gevolg 3.17 (Gelijkvormigheid is ongevoelig voor lichaamsuitbreiding)
Zij lichamen en . Zijn en gelijkvormig over , dan zijn ze het over .
Bewijs. De gelijkvormigheidsinvarianten van worden berekend met de minorenformule van Smith (Stelling 3.8), toegepast op de presentatiematrix over — het -moduul heeft immers presentatiematrix : de afbeelding , , is surjectief met een kern voortgebracht door de kolommen van (een rechtstreekse verificatie: modulo die kolommen reduceert elk element van tot een constante vector, en constante vectoren worden bijectief afgebeeld; de weekendopgave werkt dit uit). Grootste gemene delers van veeltermen veranderen niet onder lichaamsuitbreiding: is de monische grootste gemene deler in van een familie , dan geeft Bézout dat met , zodat elke gemeenschappelijke deler van de in de veelterm deelt; en omdat zelf een gemeenschappelijke deler is, is het ook in de grootste gemene deler. De invariante factoren van , quotiënten van opeenvolgende grootste gemene delers van minoren, zijn dus dezelfde over als over : en hebben dezelfde gelijkvormigheidsinvarianten over precies wanneer over ; besluit met Stelling 3.16(2). ∎
Stelling 3.18 (De jordanvorm, opnieuw afgeleid)
Stel dat over in lineaire factoren uiteenvalt (bijvoorbeeld ). Passen we op de ontbinding in elementaire delers toe (uit het bewijs van Stelling 3.12) in plaats van die in invariante factoren, dan is
en in de basis van elke factor werkt als het jordanblok : elk endomorfisme waarvan de karakteristieke veelterm uiteenvalt, heeft een jordanbasis, en de multiverzameling blokken is uniek.
Bewijs. De elementaire delers van het torsiemoduul zijn de , waarbij de irreducibele factoren van doorloopt (die uiteenvalt, want doet dat en beide hebben dezelfde irreducibele factoren, Stelling 3.16). Stel in de vectoren voor : dan is (met ), dat wil zeggen : de matrix van op is precies (enen boven de diagonaal). De eenduidigheid van de multiverzameling elementaire delers is Stelling 3.12. ∎
Opmerking 3.19
De hiërarchie van de normaalvormen is nu doorzichtig: de rationale vorm bestaat over elk lichaam en herkent gelijkvormigheid absoluut (Gevolg 3.17); de jordanvorm is haar verfijning zodra uiteenvalt. De bewijzen van de stelling van Jordan uit bachelorjaar 2, met hun dimensietellingen, zijn hiermee opgeslokt: al die combinatoriek was de rekenkunde van het hoofdideaaldomein .
3.5 Oefeningen
Oefening 3.1 ★
(a) Toon aan dat als -moduul niet eindig voortgebracht is. (b) Toon aan dat torsievrij maar niet vrij is. (c) Waarom spreekt geen van beide uitspraken Stelling 3.12 tegen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.1.
(a) Was , zij dan een gemeenschappelijke noemer van de : elke combinatie ligt in , maar . Tegenspraak.
(b) Torsievrij: uit met volgt in . Niet vrij: twee rationale getallen voldoen aan de niet-triviale betrekking , dus heeft een basis hoogstens één element; en zou cyclisch maken, terwijl . (En .)
(c) Stelling 3.12 veronderstelt eindige voortbrenging, en die ontkent (a): geen tegenspraak dus — laat juist zien dat die hypothese in de uitspraak “torsievrij vrij” nodig is.
Oefening 3.2 ★
Geef de abelse groepen van orde op isomorfie na, zowel in de vorm met elementaire delers als in die met invariante factoren. Hoeveel abelse groepen van orde zijn er?
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.2.
. Partities: van : ; van : ; van : . Dus groepen. Elementaire delers invariante factoren:
(Om naar de invariante factoren over te gaan: de grootste verzamelt van elk priemgetal de hoogste macht, enzovoort naar beneden.) Van orde : even veel als er partities van zijn, namelijk .
Oefening 3.3 ★
Bereken de normaalvorm van Smith over van
en herken de abelse groepen en .
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.3.
Voor : en . Invariante factoren en : Smith-vorm , en .
Voor : diagonaal, maar niet in Smith-vorm (). ; ; . Dus en — in overeenstemming met de Chinese reststelling: .
Oefening 3.4 ★★
Zij een deelgroep van rang met als basis de kolommen van , . Toon aan dat eindig is van kardinaliteit , en dat voor de invariante factoren van . Illustreer dit met .
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.4.
Schrijf met (Stelling 3.8; geen enkele is , want ). Dan is (het samengestelde isomorfisme van beeldt af op ). De kardinaliteit is , want en zijn . Voor is met en : , van kardinaliteit .
Oefening 3.5 ★★
Zij een domein. (a) Ga na dat een deelmoduul is en dat torsievrij is. (b) Toon aan dat het ideaal van , opgevat als -moduul, torsievrij maar niet vrij is: de structuurstelling heeft de hypothese van een hoofdideaaldomein werkelijk nodig.
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.5.
(a) Dat het een deelmoduul is, staat al in Definitie 3.11. Is in met , dan is , dus voor zekere ; en (domein), zodat : de klasse is nul. Dus is torsievrij.
(b) is torsievrij (een deelmoduul van het domein dat op zichzelf werkt). Stel dat het vrij was; twee elementen voldoen aan , een niet-triviale betrekking zodra en beide , dus heeft een basis één element: , een hoofdideaal — in strijd met Oefening 2.6(a). Torsievrij en eindig voortgebracht ( en brengen het voort), en toch niet vrij: over het niet-hoofdideaaldomein faalt de structuurstelling.
Oefening 3.6 ★★
(a) Toon aan dat geen direct complement heeft in het -moduul : deelmodulen van vrije modulen zijn vrij (Stelling 3.5), maar hoeven geen directe summanden te zijn. (b) Toon aan dat een ( een hoofdideaaldomein) waarvoor torsievrij is, wél een directe summand is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.6.
(a) Was , dan beperkt de projectie tot een isomorfisme : zou een deelgroep van zijn waarvan het element voldoet aan . Maar is torsievrij: dus , wat afdwingt — onjuist.
(b) is eindig voortgebracht en torsievrij, dus vrij (Stelling 3.12): met basis . Kies originelen van de en stel . Voor elke is , dus : bijgevolg . Ligt in , dan geeft toepassen van dat , dus zijn alle (basis): . Bijgevolg is .
Oefening 3.7 ★★
Los in het stelsel
op, en bepaal voor welke paren er oplossingen zijn; gebruik de Smith-vorm uit Oefening 3.3 (inverteerbare variabelenwisselingen aan beide kanten).
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.7.
De reductie uit Oefening 3.3 was effectief: met
(rijbewerking , kolombewerkingen en daarna ). Stel (een bijectie van , want is inverteerbaar over ); dan is het stelsel gelijkwaardig met
De congruentie is oplosbaar dan en slechts dan als : er zijn dus oplossingen precies wanneer en , dat wil zeggen even en . In dat geval zijn er oplossingen modulo .
Oefening 3.8 ★★
(a) Bepaal alle gelijkvormigheidsinvarianten en mogelijke jordanvormen van een nilpotente -matrix, gesorteerd naar de partitie van die ze realiseren. (b) Geef twee complexe -matrices met dezelfde karakteristieke en minimaalveelterm die niet gelijkvormig zijn, en bewijs dat dit voor niet kan.
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.8.
(a) Een nilpotente heeft ; de elementaire delers zijn , met één jordanblok per deel van een partitie van :
| partitie | jordanvorm | invariante factoren |
(b) Neem en : beide hebben en , maar verschillende invariante factoren — dus niet gelijkvormig (Stelling 3.16); men kan ook de rangen vergelijken: . Voor bepalen en voor elke eigenwaarde (over een splitsingslichaam) de totale grootte van de -blokken en het grootste blok ; en een partitie van ligt vast door haar grootste deel ( met dwingt af, enzovoort). De elementaire delers vallen dus samen, en Gevolg 3.17 laat de gelijkvormigheid afdalen naar het grondlichaam.
Oefening 3.9 ★★★
Zij met . Toon aan dat het volgende gelijkwaardig is: (i) is een cyclisch -moduul (er is een met , een cyclische vector); (ii) ; (iii) in Stelling 3.16. Leid af dat een begeleidende matrix een cyclische vector heeft, en bepaal wanneer een diagonaalmatrix er een heeft.
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.9.
(i)(ii): is , dan is met (een veelterm vernietigt precies wanneer ze heel vernietigt, want ). Dus ; en omdat met , geeft het monisch zijn .
(ii)(iii): en (Stelling 3.16); gelijkheid van de graden dwingt af.
(iii)(i): is cyclisch, voortgebracht door het origineel van .
Een begeleidende matrix is het geval zelf: , dus , is cyclisch. Voor een diagonaalmatrix is en ; die vallen samen dan en slechts dan als de paarsgewijs verschillend zijn: een diagonaalmatrix heeft een cyclische vector precies wanneer haar diagonaalingangen paarsgewijs verschillen (dan voldoet : Vandermonde).
Oefening 3.10 ★★★
Bewijs voor , opgevat als endomorfisme van , de indexformule: is , dan is ; leid af dat dan en slechts dan als . Toepassing: de groep heeft precies deelgroepen van index . (Tel de matrices in Hermite-vorm met en .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.10.
Smith: , en Oefening 3.4 geeft . Is , dan heeft de formule met de geadjugeerde matrix, , gehele ingangen, dus ; omgekeerd geeft dat in , dus .
Deelgroepen van index in : zo’n deelgroep heeft rang (eindige index) en een unieke basis in Hermite-vorm : wordt gekenmerkt door , door (de eerste coördinaten), en is dan uniek modulo ; normaliseer en . De index is . Tellen: voor elke deler (met ) zijn er keuzen voor , samen .
Oefening 3.11 ★★
(Vergelijkingen in abelse groepen) Zij een eindige abelse groep met invariante factoren . (a) Toon aan dat voor elke
(b) Leid af: een eindige abelse groep is cyclisch dan en slechts dan als voor elke de vergelijking hoogstens oplossingen heeft. (c) Vind zo de cycliciteit terug van eindige deelgroepen van ( een lichaam, Hoofdstuk 4): waarom garandeert de veelterm het criterium uit (b)?
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.11.
(a) Volgens de structuurstelling is , en ontkoppelt per coördinaat. In heeft precies oplossingen ( moet een veelvoud van zijn, en daarvan zijn er ). Vermenigvuldig over de factoren.
(b) Is cyclisch (), dan is het aantal . Is , neem dan : het aantal is (elke is wegens de deelbaarheidsketen), zodat de vergelijking meer dan oplossingen heeft.
(c) In een lichaam heeft hoogstens wortels (Hoofdstuk 2: een veelterm van graad over een domein), dus voldoet elke eindige deelgroep aan het criterium van (b): is cyclisch — het structurele bewijs van één regel voor de cycliciteit van , naast het telbewijs van Hoofdstuk 4.
Oefening 3.12 ★★★
(Elementaire matrices brengen voort) (a) Toon aan dat inverteerbaar is in dan en slechts dan als . (b) Toon aan dat wordt voortgebracht door de twee elementaire matrices en . (Voer het algoritme van Euclides uit op de eerste kolom van door links met machten van en te vermenigvuldigen, tot je bereikt; maak het met de hand af — merk op dat .) (c) Leg het verband met de Smith-reductie uit: over volstaan rij- en kolombewerkingen met determinant om te diagonaliseren, op tekens na.
Oplossing
Oplossing van Oefening 3.12.
(a) Is met geheel, dan is met beide geheel, dus . Omgekeerd heeft bij de cofactorformule gehele ingangen.
(b) Links vermenigvuldigen met trekt maal rij van rij af; met trekt het maal rij van rij af. Is , dan is de eerste kolom een unimodulaire vector (: hij deelt ). Voer met deze rijbewerkingen Euclides uit op : na eindig veel stappen wordt de kolom . De matrix is dan (de determinant bleef ). Rest nog in de voortbrengers te schrijven: (ga het kwadraat van die rotatiematrix na). Terugrollend is een woord in en .
(c) Het algoritme van Smith (Methode 3.9) gebruikt precies zulke rij- en kolombewerkingen (plus verwisselingen en tekenwissels, die zelf op het teken van de determinant na producten van elementaire bewerkingen zijn): over is elke matrix van de vorm met producten van elementaire matrices en de Smith-vorm — en (b) is het geval met determinant van het algemene feit dat matrices van -type voortbrengen.
3.6 Probleem: de commutant en de bicommutant
Probleem 3.1
Weekendopgave — rationale vorm, commutant, bicommutant
Zij een lichaam, een -vectorruimte van dimensie , en . We bestuderen de commutant
een deelalgebra van die bevat, en we bewijzen de dimensieformule van Frobenius en de bicommutantstelling: . Overal is het -moduul dat door wordt bepaald, met gelijkvormigheidsinvarianten en cyclische ontbinding , waarbij en (Stelling 3.16).
Deel I — De presentatiematrix , en opwarmers.
- Zij en zij de afbeelding die naar stuurt. Toon aan dat een surjectief morfisme van -modulen is en dat elke kolom van in ligt.
- Toon aan dat modulo de kolommen van elk element van congruent is met een constante vector (verlaag de graden met ), en leid af dat : het moduul heeft presentatiematrix . Vind zo het vertrekpunt van Gevolg 3.17 terug: de gelijkvormigheidsinvarianten van zijn de invariante factoren van die geen eenheid zijn.
- Bereken de gelijkvormigheidsinvarianten van: een scalaire matrix ; een diagonaalmatrix met verschillende diagonaalingangen; het -jordanblok ; en voor .
- Toon aan dat .
Deel II — Morfismen tussen cyclische modulen.
- Zij monisch en niet-constant. Toon aan dat een -morfisme vastligt door , en dat een als kan dienen dan en slechts dan als in .
Leid af dat
van dimensie over . (Toon aan dat de oplossingen van in het cyclische deelmoduul vormen dat door wordt voortgebracht.)
Bewijs de formule van Frobenius:
(Een die commuteert is precies een -endomorfisme van ; ontbind in matrices van morfismen en gebruik de deelbaarheidsketen.)
- Leid af dat , met gelijkheid precies wanneer cyclisch is (), en bereken voor : de twee uitersten van de formule.
- Controleer de formule van Frobenius rechtstreeks voor door de commutant expliciet als -matrices te berekenen.
Deel III — De bicommutantstelling. Zij ; we bewijzen dat .
- Toon aan dat en dat elke met commuteert — zodat de te bewijzen inclusie een echte verscherping van is.
- Stel eerst dat cyclisch is, . Toon rechtstreeks aan dat (evalueer een commuterende in : voor zekere , en vergelijk met op de basis ), en besluit de stelling in dit geval.
- Terug naar het algemene geval. Zij voor elke de afbeelding de projectie langs de andere summanden. Toon aan dat , en leid af dat elke invariant laat en met commuteert; besluit met vraag 11, toegepast op de cyclische : er zijn veeltermen met .
- Nu moeten de nog tot één veelterm worden verlijmd. Toon voor (zodat ) aan dat , , een goed gedefinieerd -morfisme is (wat moet worden nagegaan, is dat uit volgt dat ), en dat , met voortgezet op de andere summanden, in ligt.
Toon met aan dat voor . Leid af dat voldoet aan voor alle , zodat op elke , en dus op :
- (Slot) Leid uit de stelling af: commuteert met elke matrix die met commuteert en is cyclisch, dan is een veelterm in ; en geef een voorbeeld dat laat zien dat faalt voor met — waar precies komt de cycliciteit binnen?
Deel IV — Wat de gelijkvormigheidsinvarianten opleveren. De rationale normaalvorm is een machine; hier zijn vijf van haar klassieke producten.
- (Getransponeerde) Toon aan dat elke gelijkvormig is met haar getransponeerde . (De bewerkingen die in Smith-vorm brengen, brengen getransponeerd in dezelfde Smith-vorm: gelijke gelijkvormigheidsinvarianten.)
- (Afdaling van gelijkvormigheid) Zij een lichaamsuitbreiding en . Toon aan dat en gelijkvormig zijn over zodra ze het zijn over . (De Smith-vorm van berekend in is nog steeds een Smith-vorm in — waarom veranderen de invariante factoren niet?) Een gevolg om te onthouden: twee reële matrices die in geconjugeerd zijn, zijn dat ook in .
- (Classificatie van nilpotente endomorfismen) Zij nilpotent. Toon aan dat het aantal blokken van grootte in haar ontbinding in nilpotente jordanblokken gelijk is aan , en leid af: de nilpotente klassen van staan, voor elk lichaam , in bijectie met de partities van . Hoeveel nilpotente klassen telt ?
- (Een concreet paar) Bepaal de gelijkvormigheidsinvarianten van de afgeleide op de ruimte van veeltermen van graad : (a) voor ; (b) voor met (in karakteristiek is : bereken en gebruik vraag 18).
- (Conjugatieklassen van ) Toon met invariante factoren aan dat elke klasse van van precies één van vier types is: centraal ; diagonaliseerbaar met twee verschillende eigenwaarden in ; niet-halfenkelvoudig met minimaalveelterm ; of cyclisch met irreducibele karakteristieke veelterm.
- Tel de klassen van elk type en besluit: heeft precies conjugatieklassen. (Tel de monische irreducibele kwadratische veeltermen over ; de ongeordende paren ; en denk eraan dat de inverteerbaarheid de constante termen beperkt.)
- (Cyclisch is generiek) Toon aan dat niet cyclisch is dan en slechts dan als scalair is, en leid af dat een uniform toevallig gekozen -matrix over cyclisch is met kans . Formuleer de overeenkomstige heuristiek voor en grote (geen bewijs nodig): niet-cyclische matrices zijn zeldzaam — en juist daarom vergde Deel III van Probleem 3.1 pas voorbij het generieke geval echt werk.
Deel V — Aanvullingen.
- (Centrum van de commutant) Toon aan dat het centrum van de algebra precies is (combineer de twee inclusies uit Deel III). Leid af dat commutatief is dan en slechts dan als cyclisch is — waarmee het gelijkheidsgeval van vraag 8 langs een zuiver structurele weg wordt teruggevonden.
- (Welke dimensies komen voor?) Leid uit de formule van Frobenius af dat voor elke . Bepaal vervolgens de precieze verzameling waarden die aanneemt wanneer heel doorloopt met : toon aan dat die is (loop de rijen graden met som af en realiseer elke rij door een nilpotent endomorfisme). In het bijzonder worden en , hoewel van de juiste pariteit, niet bereikt: de pariteitsvoorwaarde is nodig maar niet voldoende.
(Klassevergelijking van ) Bereken voor de grootte van elke conjugatieklasse uit vraag 20 met baan en stabilisator: de centralisator van een cyclische in is de eenhedengroep van (vraag 11). Herken in de drie niet-centrale types, geef de drie monische irreducibele kwadratische veeltermen over , en controleer de klassevergelijking
met klassen, zoals vraag 21 voorspelt.
Oplossing
Oplossing van Probleem 3.1.
1. is additief en -lineair: , want de moduulstructuur van is . Ze is surjectief: de constante vectoren geven heel . Kolom van is , met beeld .
2. Modulo de kolommen is : elke vector van veeltermen reduceert, met inductie naar de hoogste graad, tot een constante vector . Ligt de oorspronkelijke vector in , dan is (op constanten is de identificatie ), zodat de vector in het kolomopspansel ligt: . Bijgevolg is , en Smith over (alle invariante factoren , want hun product is ) geeft : de niet-constante zijn de gelijkvormigheidsinvarianten, te berekenen als quotiënten van grootste gemene delers van minoren (Stelling 3.8).
3. : is al in Smith-vorm: de invarianten zijn , stuks. Verschillende diagonaalingangen: met paarsgewijs comaximale moduli, dus perst de Chinese reststelling dat samen tot de ene cyclische : één invariant, . : dwingt één invariant af. En : elementaire delers , dus invarianten .
4. beeldt af op , met kern per definitie van de minimaalveelterm: , van dimensie .
5. De -lineariteit dwingt af. De klasse voldoet aan , dus is noodzakelijk. Is omgekeerd , dan is goed gedefinieerd (uit volgt dat een veelvoud is van ) en -lineair.
6. Zij , en met . In geldt (Euclides, want ). De toegelaten vormen dus het deelmoduul voortgebracht door , waarvan de annihilator is: dat deelmoduul is . Met vraag 5 volgt , van dimensie .
7. commuteert met dan en slechts dan als met elke commuteert, dan en slechts dan als -lineair is: . Schrijven we morfismen van als matrices met (stel samen met de injecties en projecties), dan geeft vraag 6
waarbij we de deelbaarheidsketen gebruiken () en, voor de laatste stap, dat optreedt voor precies paren .
8. Omdat , is , met gelijkheid precies wanneer , dat wil zeggen wanneer cyclisch is (Oefening 3.9). Voor is en zijn alle : — klopt, want .
9. Volgens de formule: invarianten , dus , en , waaruit . Rechtstreeks: in de basis met en levert voor de voorwaarden en : vijf vrije parameters .
10. Een veelterm commuteert met alles wat met commuteert (het is een som van machten van ): dus . En , zodat elke met commuteert.
11. Zij en . Schrijf (cycliciteit). Voor een willekeurige is dan . Dus : . En dan is (met heel commuteren is hetzelfde als met commuteren). De stelling geldt dus in het cyclische geval.
12. is -lineair (de ontbinding is een directe som van deelmodulen), dus , en commuteert ermee: . De beperking commuteert met de cyclische (vraag 10), dus (vraag 11): voor zekere .
13. Dat goed gedefinieerd is: uit volgt , en geeft , dus (want ). is dan per constructie -lineair, en is een samenstelling van -morfismen : dus .
14. Evalueer in : links staat , rechts . Bijgevolg is , dus voor alle . In het bijzonder is, met , , zodat en op samenvallen (dat vernietigt). Daarom is op elke , en dus op : , en met vraag 10 volgt .
15. De eerste bewering zijn de vragen 10–14 (of, voor cyclische , vraag 11 alleen). Voor met heeft dimensie , terwijl . Daar faalt dus grondig; en toch geldt de bicommutantstelling (: het centrum van de matrixalgebra bestaat uit de scalairen). De cycliciteit zorgt ervoor dat de enkele commutant al polynomiaal is; de dubbele commutant is dat altijd.
16. Is een Smith-reductie ( inverteerbaar over ), dan geeft transponeren : dezelfde Smith-vorm, dus hebben en dezelfde invariante factoren, oftewel en hebben dezelfde gelijkvormigheidsinvarianten (Gevolg 3.17): ze zijn gelijkvormig.
17. De gelijkvormigheidsinvarianten van over zijn de invariante factoren van in . Een Smith-reductie van over — met inverteerbaar over , diagonaal en met de deelbaarheidsketen — is ook een geldige Smith-reductie over ( en blijven inverteerbaar: hun determinanten zijn constanten ), en monische invariante factoren zijn uniek: de invariante factoren berekend over en over vallen dus samen. Bijgevolg is precies wanneer ze dezelfde invariante factoren hebben, en dus precies wanneer . In het bijzonder zijn reële matrices die over geconjugeerd zijn, dat ook over — een uitspraak die vaak analytisch wordt bewezen (specialiseer een inverteerbare ), hier structureel.
18. Ontbind in nilpotente jordanblokken. In één blok van grootte is , dus als en anders . Sommeren over de blokken geeft . De rangenrij legt dus de multiverzameling vast — een partitie van — en omgekeerd wordt elke partitie gerealiseerd: nilpotente klassen partities van , over elk lichaam. Voor : klassen (; ; ; ; ; ; ).
19. (a) Over (of over elk lichaam van karakteristiek ) is en : is nilpotent van index op een -dimensionale ruimte, dus cyclisch met de ene invariant ( brengt voort: haar herhaalde afgeleiden spannen alles op). (b) Over met is , want de -de afgeleide van elk monoom draagt de factor , een product van opeenvolgende gehele getallen, dus . Schrijf met . Dan wordt opgespannen door de monomen met ; tellen we de exponenten naar hun rest modulo , dan is voor , zodat . Volgens vraag 18 heeft de partitie blokken van grootte precies en (als ) één blok van grootte : gelijkvormigheidsinvarianten . De karakteristiek verandert dus de normaalvorm van de vertrouwdste operator uit de wiskunde.
20. Een heeft invariante factoren. Is , dan is (met wegens de inverteerbaarheid), dus , centraal. Is , dan is cyclisch met karakteristieke veelterm minimaalveelterm van graad , en corresponderen de klassen met de mogelijke met : valt uiteen met verschillende wortels (begeleidende matrix diagonaal); (begeleidende matrix, niet halfenkelvoudig); of irreducibel. Van elk type precies één — de invariante factoren zijn een volledige invariant.
21. Centraal: keuzen voor . Verschillende uiteenvallende eigenwaarden: de ongeordende paren met , dus klassen. Minimaalveelterm : klassen. Irreducibele kwadratische veeltermen met constante term : alle irreducibele kwadratische veeltermen komen in aanmerking (hun wortels zijn ), en er zijn monische irreducibele kwadratische veeltermen (de monische kwadratische veeltermen min de die uiteenvallen). Totaal:
22. Is niet cyclisch, dan is en is scalair (de tweedeling van vraag 20 geldt in , inverteerbaar of niet: twee invariante factoren van graad met en dwingen af). De scalaire matrices zijn met onder de matrices: cyclisch met kans . In het algemeen is de niet-cyclische deelverzameling van die waar de -minoren van een gemeenschappelijke factor hebben — een echte algebraïsche voorwaarde — zodat haar aandeel voor grote klein is, van orde : matrices met zijn de regel, en het lijmargument uit Deel III is de prijs voor de uitzonderingen.
23. Een element van het centrum van ligt in en commuteert met elk element van , dus ligt het in (vraag 14). Omgekeerd is , en commuteert elke met elke (zo’n commuteert met en dus met elke macht van ): is centraal in . Bijgevolg is . Daaruit volgt dat commutatief is dan en slechts dan als ; in dat geval is , terwijl vraag 8 geeft: dus en , dat wil zeggen is cyclisch. Omgekeerd geeft vraag 11 voor cyclische dat , commutatief. Structureel gezegd: een matrixalgebra die gelijk is aan haar eigen centrum is precies een veeltermalgebra van een cyclische .
24. Elke coëfficiënt in de formule van Frobenius is oneven, dus
Voor zijn de mogelijke rijen graden van de invariante factoren met som : , , , en ; elk daarvan wordt gerealiseerd, bijvoorbeeld door het nilpotente endomorfisme met (de deelbaarheidsketen geldt dan vanzelf). De formule geeft respectievelijk
De verzameling waarden is dus : even getallen van de juiste pariteit, maar en komen nooit voor — tussen de bijna-cyclische rijen en de van de scalaire matrix gaapt een gat.
25. Er geldt . Het centrale type: en , twee klassen van grootte . In de drie andere types is cyclisch (vraag 20), zodat haar centralisator in de groep eenheden van is (vraag 11), en de klassegrootte volgens baan en stabilisator gelijk is aan . Verschillende uiteenvallende eigenwaarden: alleen het paar , dus één klasse; (Chinese reststelling op ), met eenheden, dus grootte . Minimaalveelterm met : twee klassen; , met eenheden (na centreren moet de constante term zijn), dus grootte . Irreducibele : er zijn monische irreducibele kwadratische veeltermen over , namelijk
(geen wortels in : controleer ); dat geeft drie klassen met , eenheden, dus grootte . Klassevergelijking: ; en klassen, in overeenstemming met vraag 21.