Инвариантные подпространства. Перестановочные преобразования (24.66-24.114)
[49/53%]Доказать, что
ядро и
множество значений линейного преобразования являются инвариантными подпространствами.
Доказать, что собственное подпространство линейного преобразования инвариантно.
Пусть — линейное преобразование линейного пространства — подпространство в , инвариантное относи — тельно , и — многочлен. Доказать, что данное подпространство в инвариантно относительно :
;
(если обратимо)
.
Доказать, что
сумма двух (и вообще любого конечного множества) и
пересечение двух (и вообще любого множества) инвариантных подпространств линейного преобразования — инвариантные подпространства.
Пусть — линейное преобразование линейного пространства. Доказать, что любое подпространство, содержащее , инвариантно.
Доказать, что если линейное преобразование невырождено, то и имеют одни и те же инвариантные подпространства.
Какой вид имеет матрица линейного преобразования -мерного линейного пространства, если базис инвариантного подпространства образован:
первыми базисными векторами
последними базисными векторами?
Пусть линейное пространство является прямой суммой двух инвариантных подпространств линейного преобразования. Доказать, что тогда в некотором базисе матрица преобразования имеет вид , где — квадратные матрицы.
Сформулировать и доказать обратное утверждение.
Доказать, что:
характеристический многочлен линейного преобразования делится на характеристический многочлен его ограничения на инвариантном подпространстве
если все корни характеристического многочлена линейного преобразования линейного пространства принадлежат полю, над которым определено , то всякое подпространство в , инвариантное относительно , содержит собственный вектор этого преобразования
если линейное пространство является прямой суммой инвариантных подпространств линейного преобразования , то характеристический многочлен равен произведению характеристических многочленов ограничений на этих инвариантных подпространствах.
Найти все подпространства, инвариантные относительно гомотетии линейного пространства.
Найти подпространства, инвариантные относительно поворота плоскости вокруг начала координат на угол .
Найти подпространства трехмерного геометрического векторного пространства, инвариантные относительно поворота на угол вокруг прямой .
Пусть линейное преобразование -мерного линейного пространства имеет попарно различных собственных значений. Найти все инвариантные подпространства и подсчитать их количество.
Пусть — диагонализируемое линейное преобразование -мерного линейного пространства . Найти все подпространства в , инвариантные относительно преобразования .
Найти все подпространства в , инвариантные относительно , если в базисе линейного пространства линейное преобразование имеет матрицу:
Пусть . Найти инвариантные подпространства данного линейного преобразовакия пространства :
проектирования на параллельно
отражения в параллельно .
Показать, что преобразование проектирования линейного пространства обладает свойством: .
Доказать, что ненулевое линейное преобразование , для которого , есть проектирование на параллельно .
Показать, что преобразование отражения линейного пространства в подпространстве обладает свойством .
Доказать, что линейное преобразование , отличное от , для которого , есть отражение пространства в подпространстве неподвижных векторов параллельно некоторому дополнительному подпространству.
Пусть — линейное преобразование пространства . Доказать, что при любом каждое подпространство, содержащее , инвариантно относительно .
Доказать утверждения:
Если линейное преобразование -мерного линейного пространства имеет собственный вектор, то для него существует и -мерное инвариантное подпространство.
Пусть — матрица линейного преобразования в некотором базисе — собственное значение и строка а определена уравнением . Тогда уравнение в базисе определяет -мерное подпространство, инвариантное относительно преобразования . Справедливо ли обратное утверждение?
Всякое -мерное инвариантное подпространство линейного преобразования комплексного пространства содержит -мерное инвариантное подпространство.
Линейное преобразование арифметического пространства в стандартном базисе задано матрицей . Найти подпространства, инвариантные относительно , если:
. .
. .
. .
. .
. .
, . .
. .
Найти -мерные подпространства в , инвариантные относительно линейного преобразования, заданного своей матрицей , если:
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
Пусть — характеристическое число вещественной матрицы порядка — собственный вектор линейного преобразования пространства с матрицей (x, у — вещественные векторы). Доказать, что и образуют базис двумерного инвариантного подпространства линейного преобразования пространства , заданного матрицей .
Найти двумерные инвариантные подпространства для линейного преобразования пространства , заданного в стандартном базисе матрицей . .
Пусть — линейное преобразование вещественного линейного пространства, — пара его комплексно сопряженных характеристических чисел, и . Доказать, что квазисобственное подпространство — ненулевое и инвариантно относительно .
Найти квазисобственные подпространства преобразования , заданного матрицей :
. .
. .
Доказать, что квазисобственное подпространство не содержит собственных векторов, и через каждый его вектор проходит двумерное инвариантное подпространство.
Доказать, что размерность квазисобственного подпространства — четное число.
Доказать, что квазисобственное подпространство можно разложить в прямую сумму двумерных инвариантных подпространств.
Доказать, что размерность квазисобственного пространства не превосходит удвоенной кратности соответствующего характеристического числа.
Доказать, что в двумерном инвариантном подпространстве преобразования , не содержащем собственных векторов, можно выбрать базис так, что матрица ограничения будет иметь вид .
Доказать, что любое двумерное инвариантное подпространство, не содержащее собственньх векторов, лежит в некотором квазисобственном подпространстве.
Доказать, что любые два квазисобственные подпространства имеют нулевое пересечение.
Доказать, что собственные и квазисобственные подпространства линейного преобразования расположены так, что сумма их — прямая сумма.
Для каждого из преобразований задачи 24. 90:
. .
. .
найти матрицу перехода к такому базису, в котором его матрица — клеточно диагональная, и найти матрицу преобразования в этом базисе. (В каждом случае найти хотя бы одно решение.)
Пусть линейное преобразование -мерного линейного пространства обладает цепочкой вложенных друг в друга попарно различных инвариантных подпространств: . Доказать, что в существует базис, в котором матрица преобразования верхняя треугольная.
Пусть в базисе матрица линейного преобразования пространства верхняя треугольная. Доказать, что подпространства инвариантны относительно и .
Линейное преобразование пространства задано матрицей в стандартном базисе. Привести матрицу преобразования к треугольному виду, если:
. .
. .
. .
. .
Пусть — цепочка подпространств линейного пространства , инвариантных относительно линейного преобразования . Допустим, что базис выбран так, что векторы принадлежат . Показать, что матрица — верхняя блочно треугольная с диагональными блоками размеров , где , .
Пусть в некотором базисе матрица линейного преобразования — верхняя блочно треугольная. Доказать, что преобразование обладает цепочкой инвариантных подпространств. Выразить их размерности через порядки диагональных блоков.
Пусть — линейное пространство бесконечно дифференцируемых функций — целое неотрицательное число, — фиксированное действительное число. Доказать, что данное множество функций образует подпространство в , инвариантное относительно дифференцирования :
множество всех многочленов
множество всех многочленов степени не выше
множество всех тригонометрических многочленов порядка не выше
множество всех линейных комбинаций функций
множество всех функций , где — произвольный многочлен
множество всех функций , где — произвольный тригонометрический многочлен
множество всех функций , где — произвольный многочлен.
Пусть — линейное пространство функций задачи 24.103, . Доказать, что данное множество функций является подпространством в , инвариантным относительно преобразования . Найти собственные значения и собственные векторы ограничения преобразования на этом подпространстве:
множество всех четных многочленов степени не выше
множество всех нечетных многочленов степени не выше
множество всех четных тригонометрических многочленов
множество всех нечетных тригонометрических многочленов .
Найти все подшространства линейного пространства всех многочленов, инвариантные относительно дифференцирования.
Показать, что линейное преобразование пространства всех многочленов, состоящее в умножении многочленов на , не имеет ни собственных векторов, ни инвариантных подпространств (кроме нулевого подпространства и всего пространства).
Найти подпространства, инвариантные относительно операции взятия остатка (см. задачу 24. 51) в пространстве всех многочленов.
Пусть — линейное преобразование пространства многочленов , определенное в задаче 24. 61. Доказать, что подпространства однородных многочленов степени инвариантны относительно преобразования .
Найти подпространства линейного пространства матриц порядка , инвариантные относительно транспонирования.
В пространстве рассматривается преобразование , где — фиксированная матрица. Доказать, что является прямой суммой подпространств, инвариантных относительно .
В пространстве рассматривается преобразование , где — фиксированная матрица. До — казать, что данное множество образует инвариантное относительно подпространство:
множество всех матриц с нулевым следом
множество всех верхних треугольных матриц (если матрица верхняя треугольная)
множество всех кососимметрических матриц (если матрица кососимметрическая)
множество всех диагональных матриц (если матрица диагональная).
Линейное преобразование пространства вещественных матриц порядка определено формулой , где — фиксированная матрица.
Доказать, что кососимметрические матрицы образуют подпространство в , инвариантное относительно преобразования
выразить характеристические числа ограничения на этом подпространстве через характеристические числа матрицы .
Линейное преобразование пространства матриц порядка определено формулой , где — невырожденная матрица. Доказать, что данное множество матриц является подпространством, инвариантным относительно преобразования :
множество всех матриц с нулевым следом
множество всех скалярных матриц
множество всех верхних треугольных матриц (если матрица верхняя треугольная)
(1) множество всех симметрических матриц;
(2) множество всех кососимметрических матриц (если матрица ортогональная).
(1) множество всех эрмитовых матриц;
(2) множество всех косоэрмитовых матриц (если — унитарная матрица и если эти множества — подпространства -мерного вещественного пространства комплексных матриц порядка ).
Линейное преобразование комплексного пространства матриц второго порядка задано формулой , где — вещественное число. Найти собственные значения и собственные векторы ограничения преобразования на подпространстве:. .
симметрических матриц
матриц с нулевым следом.