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定理Theorem

线性算子的主分解与多项式投影

Primary decomposition of a linear operator · Polynomial spectral projectors

用互素多项式的 Bézout 证书构造规范投影,逐向量恢复主分量,并说明它与正交投影的区别。

形式陈述 ​

如何把一个向量分到不同不可约因子中 ​

设 T 是域 F 上非零有限维空间 V 的算子,其极小多项式分解为

mT=∏i=1rqi,qi=piei,

其中 pi 是互异首一不可约多项式,ei≥1。定义 Vi=ker⁡qi(T)。则

V=⨁i=1rVi,

是 T-不变子空间的直和,并且 T|Vi 的极小多项式恰为 qi。

更重要的是,每个分量可用同一个多项式公式取出。令 Mi=mT/qi,用互素性求出

siMi+tiqi=1,Pi=si(T)Mi(T).

这些算子满足

Pi2=Pi,PiPj=0 (i≠j),∑iPi=I,imPi=Vi.

因此任意 v 的唯一分解就是 v=∑iPiv。多项式 si 的选择可以不同,代入 T 后的投影却相同。

为什么四项投影恒等式同时成立 ​

记 ei=siMi。它模 qi 为 1,模其他 qj 为 0。中国剩余定理于是说明 ei2−ei、eiej 和 ∑iei−1 都被 mT 整除,代入算子便得到上述恒等式。

又因 qiei=simT,有 qi(T)Pi=0,所以 imPi⊆Vi。反过来,若 w∈Vi,由 ei=1−tiqi 得 Piw=w,故两者相等。各 Pi 都是 T 的多项式,因而与 T 交换,像空间不变。若 ∑iwi=0 且 wi∈Vi,作用 Pj 得 wj=0,这证明直和性。

限制极小多项式 ai 整除 qi。若某个 ai 是真因子,则 ai∏j≠iqj 在每个 Vj 上都为零,故在全空间为零,次数却低于 mT,矛盾。所以 ai=qi。投影唯一性也来自直和:它必须在第 i 个分量上是恒等,在其他分量上为零。

直觉

互素因子像几种可以分开的代数信号。Bézout 多项式在目标因子处取余为 1,在其余因子处取余为 0;把变量换成算子,就得到“保留这一分量、消去其余分量”的开关。

这里的投影是代数投影,并没有预先指定长度和夹角。它们不一定是正交投影。即使各分量唯一,分量内部的基仍然不唯一;主分解也还没有把同一个不可约因子内部的全部循环块分清。

例子与边界

不可约二次因子与一个有理根怎样分开 ​

在 Q3 上取

A=(00210−1012).

e1,Ae1,A2e1=e3 是标准基,所以它是 m=(x2+1)(x−2)=x3−2x2+x−2 的伴随矩阵。令 q1=x2+1、q2=x−2,可取

e2(x)=x2+15,e1(x)=4−x25.

这里 e2≡1(modx−2),且 e1≡1(modx2+1)。计算中间量

A2+I=(124000124),P2=15(A2+I),P1=I−P2.

于是

P2e1=15(1,0,1)T,P1e1=15(4,0,−1)T.

第一分量满足 A(1,0,1)T=2(1,0,1)T;第二分量 w=(4,0,−1)T 满足 Aw=(−2,5,−2)T、A2w=−w。两部分相加恢复 e1,整个过程只用了有理数。

P2 不是对称矩阵,因此不是标准内积下的正交投影。它依然幂等:记 u=(1,0,1)T、a=(1,2,4)T,则 P2=uaT/5,而 aTu=5,所以 P22=P2。

不能把同一因子的幂硬拆开 ​

若 mT=(x−1)2,不能把两个 x−1 当成互素因子应用本定理。二阶 Jordan 剪切只有一条特征直线,不存在两个特征直线的直和。Bézout 方程无解正好暴露了这个障碍。

本页也不同于交换代数中理想的准素分解:这里分解的是向量空间,使用互素多项式得到直和;一般理想的准素分解是交分解,不能直接套用这些投影公式。

推论与应用

若另一个算子 S 与 T 交换,它就与所有 Pi 交换,故保持每个 Vi。这说明主分量不是选择坐标后的偶然块,而是由 T 本身确定的结构。

多项式分裂时,pi=x−λi,主分量就是广义特征空间。留在原域时,先按不可约因子计算投影,再进入有理标准形,可以避免为分类而强行扩域求根。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 3 类关系

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