Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Линейная алгебра

.pdf
Скачиваний:
58
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

ВЕКТОРНЫЕ ПРОСТРАНСТВА

5.10. Доказать, что существует единственное преобразование трехмерного пространства, переводящего векторы a1, a2 , a3 соответственно в b1,b2 ,b3 , и найти матрицу это-

го преобразования в том же базисе, в котором даны координаты всех векторов.

a1 = (2, 0, 3),

a2 = (4, 1, 5),

a3 = (3, 1, 2),

b1 = (1, 2, −1),

b2 = (4, 5, −2),

b3 = (1, −1, 1).

5.11. Линейное преобразование ϕ в базисе e1, e2 , e3 , e4

имеет матрицу

 

 

1

2

0

1

 

 

 

 

3

0

−1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

5

3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1

3

 

 

 

 

 

 

Найти матрицу этого же преобразования в базисе:

e1, e1 + e2 , e1 + e2 + e3 ,

e1 + e2 + e3 + e4 .

 

 

5.12. Линейное преобразование ϕ в базисе

 

 

 

a1 = (8, −6, 7),

a2 = (−16,

7,

−13),

a1 = (9, −3, 7)

имеет матрицу

1

 

−18

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

−22

20

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

−25

22

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти его матрицу в базисе

 

 

 

 

 

 

 

b1 = (2, 1, 2).

b1 = (1, −2, 1),

 

b2 = (3, −1, 2),

 

5.13. Найти канонический вид B ортогональной матрицы A и ортогональную мат-

рицу Q такую, что B = Q−1 AQ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

−

1

2

 

 

 

 

3

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

− 1

 

 

 

 

3

 

3

3

 

 

 

 

− 1

−

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

3

3

 

 

5.14. Доказать, что для выполнения равенства αx + βy = βx +αy , где α, β – числа и x, y векторы, необходимо и достаточно, чтобы было или α = β , или x = y .

5.15. Доказать теорему: для того чтобы две линейно независимые системы с одинаковым числом векторов x1, x2 ,..., xk , y1, y2 ,..., yk n-мерного пространства Rn были эквива-

лентны (или порождали одно и то же подпространство), необходимо и достаточно, чтобы в любом базисе соответствующие друг другу миноры матриц А и В из координатных строк векторов этих систем были пропорциональны.

71

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

Глава 6. Линейные операторы

6.1. Определение линейного оператора

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

в век-

Определение. Оператором А, отображающим векторное пространство Rn

торное пространство Rm , называется функция, которая каждому вектору х Rn

ставит в

соответствие единственный

вектор

y Rm , что символически записывается

в

виде

~

 

y называется образом вектора

~

 

– про-

y = A(х) . Вектор

x при отображении А, а вектор x

образом вектора y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оператор

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А называется линейным, если:

 

 

 

1)

~

~

 

 

 

~

 

 

 

, x2 из Rn (условие аддитивности);

 

А(x1 + x2 ) = А(x1 ) +

А(x2 ) для любых x1

 

2)

~

~

для любого

х Rn , где λ – произвольное число (условие одно-

А(λx) = λА(x)

родности);

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При λ =0

имеем

 

 

= 0 , т.е. линейный оператор преобразует нулевой вектор в

А(0)

нулевой. Рассмотрим связь между координатами вектора х Rn

и координатами вектора

y R

m

. Для этого выразим векторы х

и y

соответственно через базис е , е

2

,..., е

n

про-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

странства Rn и базис g1, g2 ,..., gm пространства Rm :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = x1е1 + x2е2 +... + xnеn

 

 

 

(6.1.1)

 

 

Тогда имеем

y = y1g1 + y2 g2 +... + ym gm

 

 

 

(6.1.2)

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

~

 

~

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.1.3)

 

 

y = A(x) =

A(x1е1 + x2е2 +... + xnеn ) = x1 A(е1 )

+ x2 A(е2 ) +...

+ xn A(еn )

 

 

 

Из выражения (6.1.3) следует, что для задания оператора

~

достаточно задать об-

 

 

А

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разы базисных векторов А(ei ),i =1,n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разложим каждый вектор

 

=1,n по базису g1, g2 ,..., gm

пространства Rm :

 

 

 

А(ei ),i

 

 

 

 

~

= a11g1

+ a21g2 +... + am1gm ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А(e1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

= a12 g1

+ a22 g2 +... + am2 gm ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А(e2 )

 

 

 

(6.1.4)

 

 

 

.....................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

= a1n g1

+ a2n g2 +... + amn gm .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А(en )

 

 

 

 

 

 

 

 

Матрица A' из коэффициентов разложений имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

21

...

a

m1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a12

 

a22

...

am2

 

 

 

 

(6.1.5)

 

 

 

A'=

... ... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

2n

...

a

mn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из равенства (6.1.3) и (6.1.5) получаем:

y1g1 + y2 g2 +... + ym gm = (a11x1 + a12 x2 +... + a1n xn )g1 +

+ a21x1 + a22 x2 +... + a2n xn )g2 +... +(am x1 + am2 x2 +... + amn xn )gm

откуда в силу единственности разложения вектора y по базису g1, g2 ,..., gm следует, что

72

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

 

 

 

 

 

y1 = a11x1 +a12 x2 +... +a1n xn ,

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 = a21x1 +a22 x2 +... +a2n xn ,

 

 

(6.1.6)

 

 

 

 

 

..........................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или в матричном виде

 

 

ym = am x1 +am2 x2 +... +amn xn

 

 

 

 

 

 

 

 

Y=АХ

 

 

 

 

 

 

 

(6.1.7

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

a

 

a

 

 

...

a

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

11

 

 

12

 

 

...

1n

 

1

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

a21

 

a22

 

 

a2n

 

x2

 

 

 

 

 

Y =

M

,

A =

 

 

 

 

 

 

...

...

, X =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... ...

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am2

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ym

am1

 

 

 

amn

xn

 

 

Матрица А называется матрицей линейного оператора

~

 

 

А.

 

 

Рассмотрим случай, когда оператор

~

задается в пространстве

Rn и отображает

А

это пространство на себя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда уравнения (6.1.4) принимают вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

+ a21g2

+... + an1gn ,

 

 

 

 

 

 

 

 

А(e1 ) = a11g1

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

+ a22 g2

+... + an2 gn ,

 

 

 

 

 

 

 

 

А(e2 ) = a12 g1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

+ a2n g2 +... + ann gn .

 

 

 

 

 

 

~

 

А(en ) = a1n g1

 

 

 

 

и матрицей оператора

является квадратная матрица A = (aij )n,n .

 

А

 

Формулы (6.1.6) принимают вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 = a11x1 + a12 x2 +... + a1n xn ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 = a21x1 + a22 x2 +... + a2n xn ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..............................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yn = an x1 + an2 x2 +... + ann xn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

в пространстве Rn при вы-

Отсюда следует, что всякому линейному оператору А

бранном базисе соответствует некоторая квадратная матрица A = (aij )n,n .

 

Справедливо и обратное утверждение: всякой матрице A = (aij )n,n

при заданном ба-

зисе соответствует некоторый линейный оператор

~

 

 

 

 

А.

 

 

 

 

Таким образом, можно установить взаимно однозначное соответствие между ли-

нейными операторами

~

в пространстве Rn

и матрицами А порядка n.

 

А

 

Если | A|≠ 0 , то

~

– невырожденный оператор.

 

 

 

 

А

 

 

 

 

~

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

Оператор А

 

называется обратным по отношению к оператору А, если:

 

 

 

 

 

 

 

~

~−1

=

~−1

 

~

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

А

 

А

 

А = E

 

 

 

 

где ~ – тождественный оператор, матрицей которого является единичная матрица порядка n.

E

Рассмотрим, как изменяется матрица линейного оператора ~ при переходе к ново-

А

му базису в пространстве Rn .

Пусть в пространстве Rn заданы два базиса е1, е2 ,..., еn и е1*,е2 *,...,еn *, связь между которыми задается невырожденной матрицей перехода T = (tij )n,n . Тогда связь между

73

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

координатами векторов х и y в новом и старом базисах можно выразить в виде следую-

щих матричных уравнений:

Х=ТХ*, Y=ТY*.

Учитывая, что Y=АХ, получим

ТY*=АТХ,

откуда Y*=Т-1АТХ*.

Обозначив матрицу оператора А в новом базисе через А*=Т-1АТ, получим

Y*=А*Х*.

Матрица А* называется преобразующей матрицей.

Отметим, что матрица А и А* описывают действие одного и того же оператора ~ в

А

разных базисах.

Покажем, что матрицы А и А* подобны, то есть |А*|=|А|. Действительно,

|A*|=|Т-1АТ|=|Т-1||A||T|=|A|.

Из выведенного соотношения следует, что определитель матрицы А линейного

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преобразования А не зависит от выбора базиса в Rn .

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры линейных операторов.

~

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

1. Если для каждого вектора х Rn

 

 

 

, то оператор

является линейным и

 

 

 

А(x) = 0

А

называется нулевым оператором

~

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

. Так как для любого базиса е1, е2 ,..., еn А(ei ) = 0,i =1,m ,

то матрицей нулевого оператора

~

является нулевая матрица.

 

 

 

 

 

 

 

0

~

 

 

 

 

 

 

2. Если для каждого вектора х Rn

~

 

 

 

, то оператор

является линейным и

А(x) = x

А

 

 

~

. Очевидно,

что матрицей тождественного опе-

называется тождественным оператором E

ратора является единичная матрица Е.

~

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

3. Если для каждого вектора х Rn

 

 

 

 

 

является линейным и

А(x) = λx , то оператор

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называется оператором подобия. Так как для любого базиса е1, е2 ,..., еn А(ei ) = λei ,i =1,n ,

то матрица оператора подобия равна λE .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2. Характеристический многочлен и характеристическое уравнение

Рассмотрим квадратную матрицу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

a

...

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

12

 

 

 

1n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a21

a22 ...

a2n

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... ... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an2 ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an1

ann

 

 

 

 

 

 

 

Как было показано(6.1.), все матрицы, подобные матрице А, т.е. все матрицы вида А*= Т-1АТ, где Т – любая невырожденная матрица (квадратная), обладают одним и тем же определителем |A|=|A*|.

Подобные матрицы обладают еще одной общей для всех них характеристикой. Наряду с матрицей А рассмотрим матрицу

a

 

−

λ

 

11

 

 

 

 

a21

 

A − λE =

 

 

 

 

...

 

 

 

an1

 

 

 

 

a

...

a

 

 

12

 

1n

 

 

a22 − λ

...

a2n

 

,

...

...

...

 

 

 

 

an2

...

 

 

 

ann − λ

 

74

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

которая образована из А заменой диагональных элементов aij элементами aii − λ , где λ – произвольное число. Определитель этой матрицы

a

 

− λ

a

...

a

 

 

11

 

12

 

1n

 

 

 

a21

a22 − λ

...

a2n

 

∆(λ) =| A − λE |=

 

 

 

...

...

...

 

...

 

 

 

an1

an2

...

 

 

 

 

ann − λ

представляет собой многочлен степени n относительно λ (коэффициент при λn равен (-1)n). Многочлен ∆(λ) =| A − λE | называется характеристическим многочленом матрицы А.

Покажем, что все подобные матрицы имеют один и тот же характеристический многочлен, т.е. что | A * −λE |=| A − λE |= ∆(λ) , где А*=Т-1АТ.

Для этого воспользуемся тождеством Е*= Т-1ЕТ. Тогда, заменяя в матрице A* −λE матрицы А* и Е соответственно на Т-1АТ и Т-1ЕТ, получаем:

| A * −λE |=| T −1 AT − λT −1ET |=| T −1 ( A − λE)T |=| T −1 | | A − λE | | T |=| A − λE |.

Таким образом, все подобные матрицы имеют один и тот же характеристический многочлен ∆(λ) =| A − λE | .

Алгебраическое уравнение n-й степени ∆(λ) = 0 называется характеристическим

уравнением матрицы А, а его корни – характеристическими числами. Характеристическое уравнение имеет вид

λn −α1λn−1 +α2λn−2 +... + (−1)n−1αn−1λ + (−1)n αn = 0

где αk – след k-го порядка матрицы А.

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

Следом k-го порядка αk называется сумма возможных

 

главных миноров

k-ого порядка:

 

 

 

 

 

 

 

 

k!(n − k)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α1 =a11 +a22 +...+ann =tr(A),

 

 

 

α2 =

 

a11

a12

 

+

 

a11

a13

 

+...,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a21

a22

 

 

 

a31

a33

 

 

 

 

 

.............................................

 

 

 

αn =| A|.

имеет n

 

 

 

 

 

 

Характеристическое уравнение

не обязательно

различных корней

λ1,λ2 ,...,λn . Каждому характеристическому корню соответствует собственный вектор с

точностью до постоянного множителя.

Сумма характеристических корней равна следу матрицы А:

λ1 + λ2 +... + λn = tr( A) ,

а произведение характеристических корней равно определителю матрицы А:

λ1 λ2 ... λn =| A |

Число ненулевых корней совпадает с рангом матрицы линейного оператора. Одним из методов для нахождения коэффициентов αi (i =1,n) характеристического

уравнения является методом Фаддеева. Пусть линейный оператор ~ задан матрицей А.

А

Тогда коэффициенты αi вычисляются по следующей схеме:

75

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

 

 

 

 

 

 

A1 = A,α1 =tr(A1),B1 = A1 −α1E,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = AB ,α

2

=

 

1

tr(A ),B = A −α

E,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

............................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

= AB

 

,α

 

 

 

=

 

1

 

tr(A

 

),B

 

= A

 

−α

 

E,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n−1

 

 

 

n−2

 

 

 

n−1

 

 

n−1

n−1

 

n−1

 

n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

A = AB

,α

n

=

1

tr(A ),B = A −α

n

E.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n−1

 

 

 

 

 

 

n

 

n

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

Пример. Найти собственные значения линейного оператора

А, заданного матрицей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

− 4

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 4

12

 

− 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А=

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

− 4

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Характеристическое уравнение имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ3 −α1λ2 −α2λ −α3 = 0

 

 

 

 

 

где α1 =tr(A) =14+12+10=36,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14 −4

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−22

 

−4

 

 

 

0

 

 

 

 

 

A1

 

 

 

−4 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−4 −24

 

 

 

−4

 

 

 

 

 

= A =

−

4 ;B1 = A1

 

−α1E =

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

0

−4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−4 −26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−292

40

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2

 

 

 

 

 

40 −256

 

 

56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= AB1 =

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−244

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α2

=

1

(−292−256−244) =−396,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α3 =| A|=

 

14

−4

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−4

12

−4

 

=1296.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

−4

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В итоге получаем следующее характеристическое уравнение:

λ3 − 36λ2 − 336λ

−1296 = 0

 

или (λ − 36)(λ −12)(λ − 6) = 0, откуда

λ1 =18, λ2

=12, λ3 = 6 – собственные значения ли-

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нейного оператора А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема Гамильтона-Кэли. Каждая квадратная матрица является корнем своего

характеристического многочлена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Рассмотрим многочлен

 

 

 

 

 

∆(λ) =| A −λE |= λn +αnλn−1 +... +αn .

(6.2.1)

Пусть матрица В является присоединенной к матрице A − λE . Тогда имеем

(6.2.2)

(A

− λ

E)В | A

− λ

E | Е

.

 

 

=

 

 

 

 

Элементами матрицы В являются многочлены от λ степени не выше (n-1). Поэто-

му матрицу В можно представить в следующем виде:

 

 

 

В = В + λВ + λ2 В

2

+... + λn−1В

n−1

(6.2.3)

0

 

1

 

 

 

 

 

76

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

Подставляя выражения матрицы В из (6.2.3) и многочлена | A − λE | из (6.2.1) в равенство (6.2.2), получим

( А− λЕ)(В + λВ + λ2

В

2

+... + λn−1В

n−1

) = (λn

+α λn−1 +α

2

λn−2 +... +α

n

)Е

0

1

 

 

 

1

 

 

 

 

или

 

 

 

(АВ − В ) +... + λn−1

 

 

 

) − λn В

 

 

 

(АВ + λ(АВ − В ) + λ2

(АВ

− В

 

=

 

 

0

1 0

 

 

2 1

 

 

n−1

n−2

n−1

 

 

(6.2.4)

= λn E + λn−1α1E + λn−2α2 E +... +αn Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях λ в обеих частях равенства

(6.2.4), получим

 

 

 

− Вn−1 = E,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AВn−1 − Вn−2 =α1E,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.................................

 

 

 

 

 

 

AВ1 − В0 =αn−1E,

AВ0 =αn E.

Умножим равенства (6.2.5) соответственно на An , An−1,..., A, E и сложим полученные результаты:

− An В

+ An−1В

− An−2

В

+... + A2 В − AВ + AВ =

n−1

n−1

 

 

n−2

 

1

0

0

= An +α1 An−1 +... +αn−1 A +αn

 

 

 

 

или

An +α1 An−1 +... +αn−1 A +αn = 0 ,

 

 

 

 

 

откуда следует, что ∆(λ) = 0. Теорема доказана.

 

 

 

 

Пример. Линейный оператор

~

 

 

 

 

 

 

А задан матрицей

 

 

 

 

А=

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

5

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти ∆(λ) и показать, что ∆(λ) = 0. Решение. Составим матрицу

 

 

 

1

− λ

2

 

 

 

 

 

 

А− λЕ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

4 − λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Многочлен ∆(λ) =| A − λE | имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − λ

2

 

 

= λ2 −5λ − 6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

4 − λ

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

1 2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

1

0

0

0

∆(λ) = A2 −5A − 6E =

 

−5

 

− 6

 

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 4

 

5 4

0

1

0

0

6.3. Собственный вектор и собственное число линейного оператора

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

Пусть в пространстве Rn задан линейный оператор А.

 

 

 

Определение.

Ненулевой вектор

х Rn ,

удовлетворяющий соотношению

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А(x) = λx , называется собственным вектором, а соответствующее число λ – собственным

значением оператора

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

77

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

Из данного определения следует, что образом собственного вектора x является коллинеарный ему вектор λx .

Отметим некоторые свойства собственных векторов оператора ~ .

А

1. Каждому собственному вектору соответствует единственное собственное число.

Предположим обратное: пусть собственному вектору x оператора

~

соответствуют два

А

собственных числа λ1 иλ2 . Это значит, что

 

 

~

 

 

 

 

А(x) = λ1x ,

 

 

~

 

 

 

 

А(x) = λ2 x .

 

 

Но отсюда следует, что

 

 

λ1x − λ2 x =

 

 

 

 

0

 

 

(λ1 − λ2 )x = 0

Так как по условию x – ненулевой вектор, то λ1 = λ2 .

2. Если x1 и x2 – собственные векторы оператора

~

 

А с одним и тем же собственным

числом λ , то их сумма x1 + x2 также является собственным вектором оператора

~

А с соб-

 

 

~

 

~

 

ственным числом λ . Действительно, так как А(x1 ) = λx1 и А(x2 ) = λx2 , то

 

~

~

~

+ λx2

= λ(x1 + x2 ) .

 

А(x1

+ x2 ) = А(x1 ) +

А(x2 ) = λx1

 

3. Если x – собственный вектор оператора

~

 

 

А с собственным числом λ , то любой

 

 

 

 

 

~

вектор αx , коллинеарный вектору x , также является собственным вектором оператора А

с тем же самым собственным числом λ .

 

 

 

 

Действительно,

~

~

 

 

 

 

 

 

 

 

А(αx) =α( Аx) =α(λx) = λ(αx) .

 

Таким образом, каждому собственному числу λ соответствует бесчисленное множество коллинеарных собственных векторов. Из свойств 2 и 3 следует, что множество

собственных векторов оператора ~ , соответствующих одному и тому же собственному

А

числу, образует пространство, которое является подпространством пространства Rn .

Докажем теорему о существовании собственного вектора.

Теорема. В комплексном линейном пространстве Rn каждый линейный оператор

~ имеет, по крайней мере, один собственный вектор.

А

 

 

Доказательство. Пусть

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А – линейный оператор, заданный в пространстве Rn , а x –

собственный вектор этого оператора с собственным числом λ , т.е.

~

 

 

 

А(x) = λx . Выберем

произвольный базис е1, е2 ,..., еn

и обозначим координаты вектора x

в этом базисе через

х , х

 

,..., х

 

. Тогда, если A = (a

 

)

 

 

 

 

 

~

 

 

,..., е

 

, то, записы-

2

n

ij

n,n

– матрица оператора А в базисе е , е

2

n

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

вая соотношение в матричной форме, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AX = λEX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или(A − λE)X = 0

 

}T .

 

 

 

 

(6.3.1)

 

 

 

 

 

 

 

где X ={x , x

2

,..., x

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

В координатной форме матричное уравнение (6.3.1) имеет вид

78

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

(a11 − λ)x1 + a12 x2 +... + a1n xn = 0,

 

a21x1 + (a22 − λ)x2 +... + a2n xn = 0,

(6.3.2)

......................................................

 

an1x1 + an2 x2 +... + (ann − λ)xn = 0.

Для отыскания собственного вектора необходимо найти ненулевые решения системы (6.3.2), которые существуют тогда и только тогда, когда определитель системы равен нулю, т.е. когда | A −λE |=0. Отсюда следует, что собственное число линейного опера-

тора ~ является его характеристическим числом, которое всегда существует. Подставляя

А

это число в систему (6.3.2), найдет ненулевое решение этой системы, которое определяет искомый собственный вектор. Теорема доказана.

Из данной теоремы следует, что нахождение собственного числа линейного опера-

~

 

тора А и соответствующего ему собственного вектора x сводится к решению характери-

стического уравнения | A −λE |=0. Пусть λ1,λ2 ,...,λm (m ≤ n)

– различные корни характе-

ристического уравнения. Подставив какой-нибудь корень λi

в систему (6.3.2), найдем все

ее линейно независимые решения, которые и определяют собственные векторы, соответствующие собственному числу λi . Если ранг матрицы A − λi E равен r и r<n, то существу-

ет k=n-r линейно независимых собственных векторов, отвечающих корню.

Пример. Найти собственные векторы линейного оператора ~ , заданного матрицей

А

 

2

1

1

 

 

1

2

1

 

A =

.

 

1

1

2

 

 

 

Решение. Составим характеристическое уравнение

 

2 − λ

1

1

 

= 0,

 

 

 

1

2 − λ

1

 

 

1

1

2 − λ

 

 

или (λ −1)2 (4 − λ) = 0, откуда λ1 = λ2 =1, λ3 = 4 .

Подставляем корни λ1 = λ2 =1, λ3 = 4 в систему (6.3.1). Найдем собственные векто-

ры оператора ~ .

А

При λ1 = λ2 =1 имеем

 

(A − λE)X = 0

 

 

1 1

1

 

x

 

 

0

1

1

1

 

x1

 

=

 

0

.

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

1

1

 

x3

 

 

 

 

Получим однородную систему трех линейных уравнений, из которых только одно (любое) является линейно независимым. Общее решение системы имеет вид x1 = −x2 − x3 .

Найдем два линейно независимых решения:

x1(1) = (−1,1,0)T , x1(2) = (−1,0,1)T .

Тогда собственные векторы, соответствующие собственным значениям λ1 = λ2 =1, имеют вид

79

ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

 

−1

 

−1

 

x(1) = с

1

, x(2)

= с

0

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

где с – произвольное действительное число, отличное от нуля. При λ3 = 4 имеем

− 2

1

1

x

 

 

0

 

1

− 2 1

 

1

 

 

0

 

 

 

x2

 

=

.

 

1

1

− 2

 

x

 

 

0

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

Общее решение данной системы имеет вид

х1 = х3 , х2 = х3 , х1 = х2

Собственный вектор, соответствующий собственному значению λ3 = 4, равен

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (3) = с 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

Теорема. Пусть собственные значения λ ,λ

 

,...λ

 

 

( p ≤ n)

оператора

попарно раз-

2

p

А

1

 

 

 

 

 

 

 

личны. Тогда отвечающие им собственные векторы х , х

2

,..., х

p

линейно независимы.

 

 

1

 

 

 

 

 

Доказательство. Используем метод индукции по числу переменных. Так как х1 –

ненулевой вектор, то при p=1 утверждение теоремы справедливо.

Пусть утверждение теоремы справедливо для m<p векторов х1, х2 ,..., хm . Присоединим к этим векторам вектор хm+1 и допустим, что имеет место равенство

m∑+1αk xk = 0 k=1

Используя свойство линейного оператора, получим

m+1 ~

∑αk А(хk ) = 0

k=1

Так как хk , k =1, m +1, -собственные векторы, то

во (6.3.4) можно переписать следующим образом:

m∑+1αk λk хk = 0 k=1

 

 

 

 

(6.3.3)

 

 

 

 

(6.3.4)

~

 

 

 

и поэтому равенст-

 

 

А(хk ) = λxk

 

 

 

 

(6.3.5)

Умножим (6.3.3) на λm+1 и вычтем из (6.3.5), получим

 

 

m∑+1αk (λk −λm+1)

 

=

 

 

(6.3.6)

хk

0

 

k =1

 

По условию все λk ,k =

 

, различны, поэтому λk − λm+1 ≠ 0 .

Система векторов

1, p

х1, х2 ,..., хm – линейно независимая. Поэтому из (6.3.6) следует, что α1 = 0,α2 = 0,...,αm = 0 . Тогда из (6.3.3) и из условия, что хm +1 – собственный вектор ( хm+1 ≠ 0 ), получаем λm+1 = 0 . Это означает, что х1, х2 ,..., хm +1 – система линейно независимых векторов. Индукция про-

ведена. Теорема доказана.

Следствие: если все собственные значения λ1,λ2 ,...λn попарно различны, то отвечающие им собственные векторы х1, х2 ,..., хn образуют базис пространства Rn .

80