11. Доказать, что а) характеристический многочлен не зависит от выбора базиса; б) система собственных векторов, соответствующих попарно различным собственным значениям, линейно независима; в) собственные векторы линейного оператора, соответствующие одному собственному значению, вместе с нулевым вектором образуют подпространство. Связь между линейными операторами и билинейными формами в унитарном пространстве.
Определение.
Многочлен, стоящий в левой части уравнения  называется
характеристическим многочленом матрицы оператора А, а само уравнение
называет характеристическим или вековым уравнением этой матрицы.
 называется
характеристическим многочленом матрицы оператора А, а само уравнение
называет характеристическим или вековым уравнением этой матрицы.
Теорема 2. Характеристический многочлен не зависит от выбора базиса.
Доказательство.
Зафиксируем в пространстве Х некоторый базис  и
обозначим через
 и
обозначим через  матрицу оператора А в этом
базисе. Пусть в некотором базисе
 матрицу оператора А в этом
базисе. Пусть в некотором базисе  оператор имеет матрицу
 оператор имеет матрицу . Тогда
. Тогда .
.
Теорема 3. Если линейный оператор А имеет n линейно независимых векторов (является оператором простой структуры), то, выбрав их в качестве базиса линейного пространства, мы приведем матрицу линейного оператора к диагональной форме. Обратно, если в некотором базисе матрица линейного оператора диагональна, то все векторы этого базиса являются собственными векторами.
Доказательство.
Пусть А – линейный оператор, который имеет n линейно независимых
векторов, где  и пусть
 и пусть  -
его линейно независимые собственные векторы:
 -
его линейно независимые собственные векторы: .
Выберем
.
Выберем , как базис Х. В этом базисе матрица
оператора будет диагональной, на диагонали будут собственные значения.
, как базис Х. В этом базисе матрица
оператора будет диагональной, на диагонали будут собственные значения.
Теорема 4.
Система собственных векторов , соответствующая попарно
различным собственным значениям
, соответствующая попарно
различным собственным значениям , линейно независима.
, линейно независима.
Доказательство. (через математическую индукцию).

1. 
n=1. Т.е. . Теорема верна.
. Теорема верна.
2. 
Пусть теорема верна для n-1
векторов, т.е.  линейно независимы.
линейно независимы.
3. 
Докажем, что теорема верна для n
векторов (от противного):
 (4) - не все коэффициенты в этой
линейной комбинации ненулевые. Пусть
 (4) - не все коэффициенты в этой
линейной комбинации ненулевые. Пусть .
. . Имеем нулевую комбинацию линейно
независимых векторов, а значит и противоречие.
. Имеем нулевую комбинацию линейно
независимых векторов, а значит и противоречие.
Теорема 5. Если характеристический многочлен линейного оператора А имеет n различных корней, то матрица линейного оператора А может быть приведена к диагональной форме.
Доказательство.
Каждому корню  характеристического уравнения
отвечает хотя один собственный вектор. Т.к. у этих собственных векторов
собственные значения различны, то по теореме 4 мы имеем n
линейно независимых векторов
 характеристического уравнения
отвечает хотя один собственный вектор. Т.к. у этих собственных векторов
собственные значения различны, то по теореме 4 мы имеем n
линейно независимых векторов . Если эти векторы
принять за базис, то матрица линейного оператора А в нем будет диагональной.
. Если эти векторы
принять за базис, то матрица линейного оператора А в нем будет диагональной.
Теорема 6.
Собственные векторы линейного оператора А, соответствующие собственному
значению , вместе с нулевым вектором образуют
подпространство пространства Х.
, вместе с нулевым вектором образуют
подпространство пространства Х.
Доказательство.
Пусть  - два собственных вектора линейного
оператора А, соответствующие одному собственному значению
 - два собственных вектора линейного
оператора А, соответствующие одному собственному значению . Нужно показать, что
. Нужно показать, что  - тоже собственный вектор:
 - тоже собственный вектор: . Указанное подпространство, порожденное
собственным значение, является ядром оператора
. Указанное подпространство, порожденное
собственным значение, является ядром оператора .
.
Утверждение. Всякому
линейному оператору А в линейном пространстве с определенным скалярным
произведением отвечает билинейная форма , задаваемая
соотношением:
, задаваемая
соотношением: .
.
Проверка на корректность:
1) 

2) 
 .
.
Проверка на однозначность:

Утверждение.
Каждой билинейной форме в линейном пространстве со скалярным произведением
отвечает линейный оператор А такой, что: .
.
12. 
Операция перехода от
оператора A к сопряженному .
Свойства операции
.
Свойства операции . Нахождение матрицы сопряженного
оператора в ортонормированном (ортогональном) базисе.
. Нахождение матрицы сопряженного
оператора в ортонормированном (ортогональном) базисе.
Нахождение матрицы сопряженного оператора в
ортонормированном базисе. Пусть в
линейном пространстве Х выбран ортонормированный базис  и
 и .
.

Матрица сопряженного оператора 
Теорема 1.
Формула  (1) устанавливает в линейном
пространстве со скалярным произведением взаимно однозначное соответствие между
билинейными формами и линейными операторами. Связь между ними можно установить
также другим способом
 (1) устанавливает в линейном
пространстве со скалярным произведением взаимно однозначное соответствие между
билинейными формами и линейными операторами. Связь между ними можно установить
также другим способом . При этом матрица линейного
оператора
. При этом матрица линейного
оператора  получается из матрицы оператора А в
ортонормированном базисе путем транспонирования и комплексного сопряжения ее
элементов.
 получается из матрицы оператора А в
ортонормированном базисе путем транспонирования и комплексного сопряжения ее
элементов.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.