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定理Theorem

循环子空间与伴随矩阵

Cyclic subspace and companion matrix · Cyclic vector · Polynomial companion matrix

把一个向量的精确幂递推表示为多项式商模和伴随矩阵,给出列向量约定下的换基证书。

形式陈述 ​

一条幂轨道能否成为完整坐标 ​

设 T:V→V 是域 F 上有限维空间的线性算子,v≠0。包含 v 的最小不变子空间是

ZT(v)=spanF{v,Tv,T2v,…}.

在多项式环 F[x] 中,使 p(T)v=0 的多项式构成非零理想;其首一生成元记为 mT,v。若

mT,v(x)=xd+ad−1xd−1+⋯+a0,

则 (v,Tv,…,Td−1v) 是 ZT(v) 的一组基。在这组有序基下,T 的限制矩阵为

C(mT,v)=(00⋯0−a010⋯0−a101⋯0−a2⋮⋱⋮⋮00⋯1−ad−1).

这叫多项式的伴随矩阵,英文是 companion matrix。这里采用列向量约定,一位移在次对角线上;它不是由余子式组成的 adjugate matrix。d=1 时矩阵就是 (−a0)。

若 ZT(v)=V,称 v 为循环向量。算子有循环向量,当且仅当它在某组基下是一个伴随矩阵。后一个方向由 e1,Ce1,…,Cd−1e1=ed 立即得到。

商模为什么与这组坐标完全相同 ​

令 F[x] 在 V 上按 p⋅w=p(T)w 作用。映射 p↦p(T)v 的像为 ZT(v),核恰为 (mT,v),因此它诱导商模同构

F[x]/(mT,v)⟶ZT(v),[p]⟼p(T)v.

良定义来自相差 mT,v 的倍数会作用为零;单射来自核的定义,满射来自张成。带余除法把每个余类唯一写成次数小于 d 的多项式,所以 1,x,…,xd−1 对应的幂轨道既张成又无关。最后一列则由 Tdv=−∑j=0d−1ajTjv 决定。

伴随矩阵的极小多项式与特征多项式都等于原首一多项式 m。一方面 m(C)=0,而低于 d 次的多项式不能消去循环向量 e1,故算子极小多项式是 m。另一方面,Cayley–Hamilton 定理给出 m∣χC,两者首一且同为 d 次,所以相等。

直觉

伴随坐标记录“下一步”。前 d−1 个基向量都被送到后一项,唯一需要写下的新信息是最后一项怎样折回已有基。所有多项式系数因此集中到末列。

这里没有求出多项式的根,也不要求它在 F 上分裂。余类坐标与幂轨道的对应,提供的是精确代数表示;用于浮点迭代的Krylov 子空间采用同一串幂的张成,却通常改用正交基以避免数值相关。

例子与边界

不扩张实数域也能给出证书 ​

取

A=(1−21−1),v=e1.

有 Av=(1,1)T、A2v=(−1,0)T=−v。两列 v,Av 线性无关,因而 mA,v=x2+1。令

P=[v,Av]=(1101),C=(0−110).

直接计算 AP=(1−110)=PC,且 det⁡P=1。这两项就是完整换基证书:P−1AP=C。在实数域上没有特征向量基,伴随基仍然存在。

一个循环子空间未必是整个空间 ​

对 A=diag(1,1,2),任意向量的幂轨道都满足 (A−I)(A−2I)=0,所以最多二维,不能生成三维空间。取 v=(1,0,1)T 时确实生成一个二维不变平面;把它误当作全空间基,会漏掉第二坐标方向。

也不能对每个不变子空间随意选一个不变补,再递归拼块。剪切矩阵 (1101) 的特征直线没有不变补。全局循环分解的存在性需要额外论证,由有理标准形中的模结构定理提供。

推论与应用

给出 P=[v,Av,…,Ad−1v] 和关系 m(A)v=0 后,验证者只需检查列秩为 d 以及 AP=PC(m)。若 d<n,这个矩形恒等式认证的是限制算子,不能写成不存在的方阵逆 P−1。

幂递推还允许计算 Tkv:先把 xk 模 mT,v 取余,再用前 d 个轨道向量重建。换一个起始向量可能得到更短多项式,因此“这个向量已经停止增维”不等于“已找全算子的全部结构”。

参考资料
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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