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.
Теорема 2. Характеристический многочлен не зависит от выбора базиса.
Доказательство.
Зафиксируем в пространстве Х некоторый базис и
обозначим через
матрицу оператора А в этом
базисе. Пусть в некотором базисе
оператор имеет матрицу
. 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
-
его линейно независимые собственные векторы:
.
Выберем
, 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
, линейно независима.
Доказательство. (через математическую индукцию).
1.
n=1. Т.е.. Теорема верна.
2.
Пусть теорема верна для n-1
векторов, т.е. линейно независимы.
3.
Докажем, что теорема верна для n
векторов (от противного):
(4) - не все коэффициенты в этой
линейной комбинации ненулевые. Пусть
.
. 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
. 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.
Доказательство.
Пусть - два собственных вектора линейного
оператора А, соответствующие одному собственному значению
. Нужно показать, что
- тоже собственный вектор:
. 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:
.
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
. Нахождение матрицы сопряженного
оператора в ортонормированном (ортогональном) базисе.
Нахождение матрицы сопряженного оператора в
ортонормированном базисе. Пусть в
линейном пространстве Х выбран ортонормированный базис 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
. При этом матрица линейного
оператора
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.