定义
设V是域F上的n维线性空间,e1,…,en是V的一组基. 集合Hom(V,V)记为L(V),其中的元素称为线性算子. 线性算子通常用A,B,…表示. 特别地,O表示零算子,E表示恒等算子
矩阵相似
设ϵ1,…,ϵn是V的另一组基,且
(ϵ1,…,ϵn)=(e1,…,en)P
其中P∈GLn(F). 设算子A∈L(V)在e1,…,en下的矩阵等于A. 由此可知,A在ϵ1,…,ϵn下的矩阵为P−1AP
设A,B∈Mn(F). 如果存在P∈GLn(F)使得B=P−1AP,则称B与A相似,记为B∼sA. 可以验证,相似关系是一个等价关系
设A,B∈Mn(F). 如果A∼sB,则有如下相似不变量
rank(A)=rank(B),det(A)=det(B),tr(A)=tr(B),χA=χB,μA=μB
这一点告诉我们,无论通过选取何种基底得到的A的矩阵A,它的秩、行列式、迹、特征多项式、极小多项式都是不变的.
设A,B∈Mn(F). 如果A∼sB,则
∀f∈F[t],f(A)∼sf(B)
这两个结论的逆命题是不正确的
初等等价 A∼eB⟺rank(A)=rank(B)
合同等价 A∼cB⟺∃P∈GLn(F),B=PtAP
相似等价 A∼sB⟺∃P∈GLn(F),B=P−1AP
后面两种等价都蕴含第一种等价
线性算子代数
我们已知(L(V),+,O,数乘)是F上的线性空间,再由复合的结合律,我们可推出(L(V),+,O,∘,E)是一个环,我们称L(V)是F上的一个代数
设
Φ:L(V)A→Mn(F)→A
则Φ既是线性同构又是环同构,此时称Φ是代数同构
设A∈L(V). 如果A可逆,则称A是可逆算子. 如果存在λ∈F使得对任意x∈V,A(x)=λx,则称A是数乘算子,此时A=λE. 如果存在k∈Z+使得Ak=O,则称A为幂零算子. 如果A2=A,则称A为幂等算子. 如果A2=E,则称A是对合算子
如果存在A∈L(V)使得对∀B∈L(V)有AB=BA, 则A是数乘算子
证明:
取Bx=f(x)v,其中x,v∈V且f∈V∗, 则
AB=BA⟹A(f(x)v)=f(Ax)v⟹f(x)Av=f(Ax)v
因为我们总可以取f,x使得f(x)=0,故有
Av=αv,α=f(x)f(Ax)
即A是数乘算子
核像分解
设A∈L(V). 则
V=ker(A)⊕imA⟺rank(A)=rank(A2)
设A∈L(V). 则
V=ker(A)⊕imA⟺V=ker(A)+im(A)
若A∈Hom(V,V),f∈F[x]且f(A)=O. 如果有f=p1⋯pm,其中p1,…,pm∈F[x]两两互素,则
V=K1⊕⋯⊕Km
其中Ki=ker(pi(A))
具体参见核核分解