5C

Верхнетреугольные матрицы

[14/0%]
Показать
LaTeX
Задача 5C.1

Докажите или приведите контрпример: если T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) и T2T^{2} имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса VV, то TT имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса VV.

?
Задача 5C.2

Пусть AA и BB — верхнетреугольные матрицы одинакового размера, с α1,…,αn\alpha_{1}, \ldots , \alpha_{n} на диагонали AA и β1,…,βn\beta_{1}, \ldots , \beta_{n} на диагонали BB.

?
(a)

Покажите, что A+BA+B — верхнетреугольная матрица с α1+β1,…,αn+βn\alpha_{1}+\beta_{1}, \ldots , \alpha_{n}+\beta_{n} на диагонали.

(b)

Покажите, что ABA B — верхнетреугольная матрица с α1β1,…,αnβn\alpha_{1} \beta_{1}, \ldots , \alpha_{n} \beta_{n} на диагонали.

Примечание.
?

Результаты этого упражнения используются в доказательстве 5.81.

Задача 5C.3

Пусть T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) обратим и v1,…,vnv_{1}, \ldots , v_{n} — базис VV, относительно которого матрица TT верхнетреугольна, с λ1,…,λn\lambda_{1}, \ldots , \lambda_{n} на диагонали. Покажите, что матрица T−1T^{-1} также верхнетреугольна относительно базиса v1,…,vnv_{1}, \ldots , v_{n}, с

1λ1,…,1λn \frac{1}{\lambda _{1}}, \ldots , \frac{1}{\lambda _{n}}

на диагонали.

?
Задача 5C.4

Приведите пример оператора, матрица которого относительно некоторого базиса содержит на диагонали только нули, но при этом оператор обратим.

?
Примечание.
?

Это упражнение и следующее за ним показывают, что 5.41 не выполняется без предположения о том, что рассматривается верхнетреугольная матрица.

Задача 5C.5

Приведите пример оператора, матрица которого относительно некоторого базиса содержит на диагонали только ненулевые числа, но при этом оператор не обратим.

?
Задача 5C.6

Пусть F=C,V\mathbf{F} = \mathbb {C}, V конечномерно и T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V). Докажите, что если k∈{1,…,dim⁡V}k \in \left\{ 1, \ldots , \operatorname {dim} V\right\}, то VV имеет kk-мерное подпространство, инвариантное относительно TT.

?
Задача 5C.7

Пусть VV конечномерно, T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) и v∈Vv \in V.

?
(a)

Докажите, что существует единственный нормированный многочлен pvp_{v} наименьшей степени, такой что pv(T)v=0p_{v}(T) v = 0.

(b)

Докажите, что минимальный многочлен TT является многочленным кратным pvp_{v}.

Задача 5C.8

Пусть VV конечномерно, T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) и существует ненулевой вектор v∈Vv \in V, такой что T2v+2Tv=−2vT^{2} v+2 T v = -2 v.

?
(a)

Докажите, что если F=R\mathbf{F} = \mathbb {R}, то не существует базиса VV, относительно которого TT имеет верхнетреугольную матрицу.

(b)

Докажите, что если F=C\mathbf{F} = \mathbb {C} и AA — верхнетреугольная матрица, равная матрице TT относительно некоторого базиса VV, то на диагонали AA встречается −1+i-1+i или −1−i-1-i.

Задача 5C.9

Пусть BB — квадратная матрица с комплексными элементами. Докажите, что существует обратимая квадратная матрица AA с комплексными элементами, такая что A−1BAA^{-1} B A — верхнетреугольная матрица.

?
Задача 5C.10

Пусть T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) и v1,…,vnv_{1}, \ldots , v_{n} — базис VV. Покажите, что следующие условия эквивалентны.

?
(a)

Матрица TT относительно v1,…,vnv_{1}, \ldots , v_{n} нижнетреугольна.

(b)

span⁡(vk,…,vn)\operatorname {span}\left(v_{k}, \ldots , v_{n}\right) инвариантно относительно TT при каждом k=1,…,nk = 1, \ldots , n.

(c)

Tvk∈span⁡(vk,…,vn)T v_{k} \in \operatorname {span}\left(v_{k}, \ldots , v_{n}\right) при каждом k=1,…,nk = 1, \ldots , n.

Примечание.
?

Квадратная матрица называется нижнетреугольной, если все элементы над диагональю равны 00.

Задача 5C.11

Пусть F=C\mathbf{F} = \mathbb {C} и VV конечномерно. Докажите, что если T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V), то существует базис VV, относительно которого TT имеет нижнетреугольную матрицу.

?
Задача 5C.12

Пусть VV конечномерно, T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V) имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса VV, а UU — подпространство VV, инвариантное относительно TT.

?
(a)

Докажите, что T∣U\left.T\right|_{U} имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса UU.

(b)

Докажите, что фактор-оператор T/UT / U имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса V/UV / U.

Фактор-оператор T/UT/U был определён в упражнении 38 раздела 5A.

Задача 5C.13

Пусть VV конечномерно и T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V). Пусть существует подпространство UU пространства VV, инвариантное относительно TT, такое что T∣U\left.T\right|_{U} имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса UU, а также T/UT / U имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса V/UV / U. Докажите, что TT имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса VV.

?
Задача 5C.14

Пусть VV конечномерно и T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V). Докажите, что TT имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса VV тогда и только тогда, когда двойственный оператор T′T^{\prime } имеет верхнетреугольную матрицу относительно некоторого базиса двойственного пространства V′V^{\prime }.

?