Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Σχετικά έγγραφα
Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Γραµµικη Αλγεβρα ΙΙ. Θεωρητικα Θεµατα

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα Ι. Ενότητα: Βαθµίδα Πίνακα. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

Γραµµικη Αλγεβρα ΙΙ Ασκησεις - Φυλλαδιο 10

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 9 Επαναληπτικες Ασκησεις

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 1

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Ενότητα: Πράξεις επί Συνόλων και Σώµατα Αριθµών

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα Ι. Ενότητα: Πινάκες και Γραµµικές Απεικονίσεις. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 1

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα Ι. Ενότητα: υϊκοί Χώροι και Χώροι Πηλίκα. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 7

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 1

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

Ενότητα: Δακτύλιοι, Ακέραιες Περιοχές, Σώματα. Διδάσκων: Καθηγητής Μαρμαρίδης Νικόλαος - Θεοδόσιος

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα Ι. Ενότητα: Γραµµική Ανεξαρτησία, Βάσεις και ιάσταση. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 6

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 1

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 7

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 1

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 1

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

Ενότητα: Ο Δακτύλιος Πολυωνύμων μιας Μεταβλητής. Διδάσκων: Καθηγητής Μαρμαρίδης Νικόλαος - Θεοδόσιος

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 8

ΑΣΚΗΣΕΙΣ 7 ης ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

{ } ΠΛΗ 12: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι 2 η ΓΡΑΠΤΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Απαντήσεις. 1. (15 µονάδες)

Θεωρία Τελεστών. Ενότητα: Το Φασµατικό Θεώρηµα - Εισαγωγή. Αριστείδης Κατάβολος. Τµήµα Μαθηµατικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ηµιαπλοί ακτύλιοι

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 7

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 4

Αρµονική Ανάλυση. Ενότητα: L p Σύγκλιση. Απόστολος Γιαννόπουλος. Τµήµα Μαθηµατικών

Διδάσκων: Καθηγητής Μαρμαρίδης Νικόλαος - Θεοδόσιος

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 4

Γραµµική Αλγεβρα Ι. Ενότητα: ιανυσµατικοί χώροι. Ευάγγελος Ράπτης. Τµήµα Μαθηµατικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 9

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 4

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

ΑΛΓΕΒΡΙΚΕΣ ΟΜΕΣ Ι. Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

Γραµµικη Αλγεβρα ΙΙ. Εκπαιδευτικο Υλικο Μαθηµατος

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 9

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 1

Κεφάλαιο 2. Παραγοντοποίηση σε Ακέραιες Περιοχές

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 7

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα Ι. Ενότητα: Διανυσµατικοί Υποχώροι και Κατασκευές. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

Εισαγωγή στην Τοπολογία

Υπολογιστική άλγεβρα Ενότητα 10: Βάσεις Groebner ενός ιδεώδους ΙΙΙ

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 9

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 1

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

Αρµονική Ανάλυση. Ενότητα: L 2 -σύγκλιση σειρών Fourier. Απόστολος Γιαννόπουλος. Τµήµα Μαθηµατικών

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

Εισαγωγή στην Τοπολογία

Τίτλος Μαθήματος: Θεωρία Ομάδων. Ενότητα: Επιλύσιμες Ομάδες. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα Ι. Ενότητα: Γραµµικές Απεικονίσεις. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

ιδασκοντες: x R y x y Q x y Q = x z Q = x z y z Q := x + Q Τετάρτη 10 Οκτωβρίου 2012

Θέµατα ( ικαιολογείστε πλήρως όλες τις απαντήσεις σας)

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις Επαναληψης

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Τίτλος Μαθήματος: Θεωρία Ομάδων. Ενότητα: Ευθέα Γινόμενα Ομάδων. Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης. Τμήμα: Μαθηματικών

ΘΕΩΡΗΜΑ CAYLEY-HAMILTON. Έστω A πίνακας ν ν. Από το θεώρηµα Cayley-Hamilton συµπεραίνουµε ότι το σύνολο των πολυωνύµων p( λ ), ώστε p( A)

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 12: Κριτήρια Σύγκλισης Σειρών. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Γραµµικη Αλγεβρα Ι. Ακαδηµαϊκο Ετος Βοηθος Ασκησεων: Χ. Ψαρουδάκης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Ασκησεις - Επανάληψης. ιδασκων: Α. Μπεληγιάννης Ιστοσελιδα Μαθηµατος :

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Αλγεβρικες οµες Ι Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

f(n) = a n f(n + m) = a n+m = a n a m = f(n)f(m) f(a n ) = b n f : G 1 G 2, f(a n a m ) = f(a n+m ) = b n+m = b n b m = f(a n )f(a m )

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

Transcript:

Τίτλος Μαθήματος: Γραμμική Άλγεβρα ΙΙ Ενότητα: Ελάχιστο Πολυώνυµο Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης Τμήμα: Μαθηματικών

20 4. Ελάχιστο Πολυώνυµο Στην παρούσα παράγραφο ϑε δείξουµε ένα πολύ χρήσιµο κριτήριο διαγωνοποιησιµότητας για γραµ- µικές απεικονίσεις και πίνακες. 4.1. Πυρήνες Πολυωνυµικών Γραµµικών Απεικονίσεων. Εστω E ένας K-διανυσµατικός χώρος πεπερασµένης διάστασης και f : E E µια γραµµική απεικόνιση. Παρατήρηση 4.1. Οπως γνωρίζουµε, αν f, g : E E είναι δύο γραµµικές απεικονίσεις, τότε γενικά ισχύει ότι : f g g f. Αν όµως η g προκύπτει ως πολυωνυµική απεικόνιση από την f, δηλαδή g = P (f) για κάποιο πολυώνυµο P (t) K[t], είναι εύκολο να δει κανείς ότι οι f και g µετατίθενται : f g = g f. Γενικότερα ισχύει ότι (η απόδειξη είναι εύκολη και αφήνεται ως άσκηση): F (f) G(f) = G(f) F (f), F (t), G(t) K[t] Για κάθε πολυώνυµο P (t) K[t], ϑεωρούµε την πολυωνυµική γραµµική απεικόνιση P (f) : E E, x P (f)( x) και ορίζουµε έναν υπόχωρο του E, τον πυρήνα της πολυωνυµικής γραµµικής απεικόνισης P (t), ως εξής : N P (t) := KerP (f) = { x E P (f)( x) = 0 } Στην απόδειξη του κριτηρίου διαγωοποιησιµότητας ϑα χρησιµοποιήσουµε την ακόλουθη χρήσιµη πρόταση. Πρόταση 4.2. Εστω P (t) K[t] ένα πολυώνυµο έτσι ώστε P (f) = 0, και υποθέτουµε ότι : P (t) = (t κ 1 )(t κ 2 ) (t κ m ), 1. N t κi = { x E f( x) = κ i x}, 1 i m. 2. E = N t κ1 N t κ2 N t κm. Απόδειξη. 1. Για κάθε 1 i m: κ i κ j, 1 i j m N t κi = { x E (f κ i Id E )( x) = 0} = { x E f( x) κ i Id E ( x) = 0} = { x E f( x) κ i x = 0} = { x E f( x) = κ i x} 2. Επειδή κ i κ j, 1 i j m, έπεται ότι τα πολυώνυµα t κ 1, t κ 2,, t κ m είναι πρώτα µεταξύ τους, δηλαδή ΜΚ ( t κ i, t κ j ) = 1, για 1 i j m. Εποµένως ϑέτοντας F i (t) = P (t) t κ i = (t κ 1 )(t κ 2 ) (t κ i 1 )(t κ i+1 ) (t κ m ) έπεται ότι ο µέγιστος ( κοινός διαιρέτης των πολυωνύµων F 1 (t), F 2 (t),, F m (t) είναι το σταθερό πολυώνυµο 1: ΜΚ F 1 (t),, F m (t) ) = 1. Από την Θεωρία Πολυωνύµων γνωρίζουµε τότε ότι υπάρχουν πολυώνυµα G 1 (t), G m (t), έτσι ώστε : G 1 (t)f 1 (t) + G 2 (t)f 2 (t) + + G m (t)f m (t) = 1 Τότε όµως για τις αντίστοιχες πολυωνυµικές απεικονίσεις ϑα έχουµε : G 1 (f) F 1 (f) + G 2 (f) F 2 (f) + + G m (f) F m (f) = Id E και εποµένως για κάθε x E ϑα έχουµε : Θέτουµε : G 1 (f)(f 1 (f)( x)) + G 2 (f)(f 2 (f)( x)) + + G m (f)(f m (f)( x)) = Id E ( x) = x (4.1) και άρα η σχέση (4.1) γράφεται : x i = G i (f)(f i (f)( x)), x E, 1 i m x 1 + x 2 + + x m = x, x E (4.2)

21 Ισχυρισµός: x i N t κi. Πραγµατικά : χρησιµοποιώντας την Παρατήρηση 4.1 ϑα έχουµε (f κ i Id E ) G i (f) F i (f) = G i (f) (f κ i Id E ) F i (f) = G i (f) F i (f) (f κ i Id E ). Οµως F i (f) (f κ i Id E ) = = (f κ 1 Id E )(f κ 2 Id E ) (f κ i 1 Id E )(f κ i+1 Id E ) (f κ m Id E ) (f κ i Id E ) = = (f κ 1 Id E )(f κ 2 Id E ) (f κ i 1 Id E ) (f κ i Id E ) (f κ i+1 Id E ) (f κ m Id E ) = P (f) Εποµένως (f κ i Id E )( x i ) = (f κ i Id E ) ( G i (f)(f i (f) ) ( x)) = (f κ i Id E ) G i (f) F i (f))( x) = = (G i (f) (f κ i Id E ) F i (f))( x) = (G i (f) P (f))( x) = = G i (f)(p (f)( x)) = 0 διότι P (f) = 0. Άρα (f κ 1 Id E )( x i ) = 0 το οποίο σηµαίνει ότι f( x i ) = κ i ( x i ) = x i N t κi Εποµένως συνδυάζοντας την παραπάνω σχέση µε την (4.2) ϑα έχουµε ότι : E = N t κ1 + N t κ2 + + N t κm Μένει να δείξουµε ότι το παραπάνω άθροισµα είναι ευθύ. Ως γνωστόν αρκεί να δείξουµε ότι : x 1 + + x m = 0 και x i N t κi 1 i m = x i = 0, 1 i m Υποθέτουµε ότι κάποια από τα x 1,, x m είναι µη-µηδενικά. Χωρίς ϐλάβη της γενικότητας µπορούµε να υποθέσουµε ότι τα διανύσµατα x 1,, x ρ είναι µη-µηδενικά και x ρ+1 = = x m = 0. Τότε επειδή x i N t κi ), 1 i ρ, από το 1. έπεται ότι τα x 1,, x ρ είναι ιδιοδιανύσµατα της f τα οποία αντιστοιχούν στις ιδιοτιµές κ 1,, κ ρ. Επειδή οι ιδιοτιµές κ 1,, κ ρ είναι ανα δύο διαφορετικές, γνωρίζουµε ότι τα διανύσµατα x 1,, x ρ είναι γραµµικά ανεξάρτητα το οποίο είναι άτοπο διότι x 1 + + x ρ = 0. Στο άτοπο καταλήξαµε διότι υποθέσαµε ότι κάποια από τα x 1,, x m είναι µη-µηδενικά. Άρα ϑα έχουµε x 1 = = x m = 0. Εποµένως το άθροισµα N t κ1 + N t κ2 + + N t κm είναι ευθύ και άρα : E = N t κ1 N t κ2 N t κm Παρατήρηση 4.3. Η παραπάνω Πρόταση είναι ειδική περίπτωση του ακόλουθου Θεωρήµατος Πρωταρχικής Ανάλυσης. Πρώτα υπενθυµίζουµε ότι ένα πολυώνυµο P (t) καλείται ανάγωγο αν P (t) = P 1 (t)p 2 (t) έπεται ότι είτε το P 1 (t) ή το P 2 (t) είναι σταθερό πολυώνυµο. Από την Θεωρία Πολυωνύµων γνωρίζουµε ότι ισχύει το ακόλουθο σηµαντικό Θεώρηµα : Θεώρηµα : Κάθε µη-σταθερό πολυώνυµο P (t) γράφεται κατά µοναδικό τρόπο ως γινόµενο αναγώγων πολυωνύµων κατά µοναδικό τρόπο. ηλαδή υπάρχουν µοναδικά κανονικά ανάγωγα πολυώνυµα P 1 (t),, P k (t), και µοναδικό α K, έτσι ώστε : P (t) = αp 1 (t)p 2 (t) P k (t) και η παραπάνω γραφή είναι µοναδική (µη-λαµβάνοντας υπ όψιν τη σειρά των παραγόντων). Θεώρηµα Πρωταρχικής Ανάλυσης : Εστω E ένας K-διανυσµατικός χώρος πεπερασµένης διάστασης και f : E E µια γραµµικής απεικόνιση. Υποθέτουµε ότι Q f (t) = Q 1 (t) α 1 Q 2 (t) α2 Q m (t) αm είναι η ανάλυση του ελαχίστου πολυωνύµου Q f (t) της f σε διακεκριµένα ανάγωγα κανονικά πολυώνυµα. Τότε : E = N Q1 (t) α 1 N Q2 (t) α 2 N Qm(t) αm Η απόδειξη είναι παρόµοια µε την απόδειξη της Πρότασης 4.2 και αφήνεται ως Ασκηση.

22 4.2. Κριτήριο ιαγωνοποίησης. Μπορούµε να αποδείξουµε τώρα το ακόλουθο κριτήριο διαγωνοποιησιµότητας : Θεώρηµα 4.4. Εστω E ένας K-διανυσµατικός χώρος πεπερασµένης διάστασης και f : E E µια γραµ- µική απεικόνιση. Τότε τα ακόλυθα είναι ισοδύναµα : (1) Η f είναι διαγωνοποιήσιµη. (2) Το ελάχιστο πολυώνυµο Q f (t) της f αναλύεται σε γινόµενο διακεκριµένων πρωτοβαθµίων παραγόντων : Q f (t) = (t λ 1 )(t λ 2 ) (t λ m ), λ i λ j, 1 i j m Απόδειξη. (1) = (2) Θεωρούµε το πολυώνυµο Q(t) = (t λ 1 )(t λ 2 ) (t λ m ), όπου λ i, 1 i m είναι οι διακεκριµένες ιδιοτιµές της f. Θα δείξουµε ότι Q(t) = Q f (t). Για αυτό το σκοπό, δείχνουµε πρώτα ότι το πολυώνυµο Q(t) µηδενίζει την f: Q(f) = 0. Επειδή η f είναι διαγωνοποιήσιµη, ο χώρος E ϑα είναι το ευθύ άθροισµα των ιδιοχώρων της f: Ισχυρισµός: Q(f)( x i ) = 0, x i V(λ i ), 1 i m. E = V(λ 1 ) V(λ 2 ) V(λ m ) (4.3) Πραγµατικά επειδή x i V(λ i ) = f( x i ) = λ i x i, δηλαδή (f λ i Id E )( x i ) = 0, και επειδή, λόγω της Παρατήρησης 4.1, οι γραµµικές απεικονίσεις (f λ i Id E ) και (f λ j Id E ) µετατίθενται, ϑα έχουµε : Q(f)( x i ) = [(f λ 1 Id E ) (f λ 2 Id E ) (f λ m Id E )]( x i ) = = [(f λ 1 Id E ) (f λ i 1 Id E ) (f λ i Id E ) (f λ i+1 Id E ) (f λ m Id E )]( x i ) = = [(f λ 1 Id E ) (f λ i 1 Id E ) (f λ i+1 Id E ) (f λ m Id E ) (f λ i Id E )]( x i ) = = [(f λ 1 Id E ) (f λ i 1 Id E ) (f λ i+1 Id E ) (f λ m Id E )](f λ i Id E )( x i ) = = [(f λ 1 Id E ) (f λ i 1 Id E ) (f λ i+1 Id E ) (f λ m Id E )]( 0) = 0 Εποµένως δείξαµε ότι Q(f)( x i ) = 0, x i V(λ i ), 1 i m. Επειδή το άθροισµα (4.3) είναι ευθύ, κάθε διάνυσµα x E έχει µοναδική γραφή : Τότε : x = x 1 + x 2 + + x m, x i V(λ i ), 1 i m Q(f)( x) = Q(f)( x 1 ) + Q(f)( x 2 ) + + Q(f)( x m ) = 0 και άρα η γραµµική απεικόνιση Q(f) είναι η µηδενική : Q(f) = 0 διότι µηδενίζει κάθε διάνυσµα του E. Τότε όµως Q f (t)/q(t). Επειδή τα πολυώνυµα Q f (t) και Q(t) είναι κανονικά και κάθε ϱίζα του Q(t) (δηλαδή µια ιδιοτιµή της f) είναι και ϱίζα του Q f (t), έπεται ότι τα πολυώνυµα Q f (t) και Q(t) συµπίπτουν : Q f (t) = Q(t). (2) = (1) Επειδή τα λ 1,, λ m είναι ανα δύο διαφορετικά, σύµφωνα µε την Πρόταση 4.1 ϑα έχουµε : E = N t λ1 N t λ2 N t λm Επειδή οι ϱίζες του ελαχίστου πολυωνύµου συµπίπτουν µε τις ϱίζες του χαρακτηριστικού πολυωνύµου της f, δηλαδή µε τις ιδιοτιµές της f, έπεται ότι τα λ 1,, λ m είναι οι ιδιοτιµές της f µε αντίστοιχους ιδιοχώρους N t λ1, N t λ2,, N t λm. ηλαδή : E = V(λ 1 ) V(λ 2 ) V(λ m ) Εποµένως ο χώρος E είναι το ευθύ άθροισµα των ιδιοχώρων της f και τότε όπως γνωρίζουµε η f είναι διαγωνοποιήσιµη.

23 Πριν περάσουµε να δούµε το αντίστοιχο του παραπάνω κριτηρίου για πίνακες, χρειαζόµαστε το α- κόλουθο Λήµµα : Λήµµα 4.5. Εστω E ένας διανυσµατικός χώρος πεπερασµένης διάστασης υπεράνω ενός σώµατος K και f : E E µια γραµµική απεικόνιση. Τότε το ελάχιστο πολυώνυµο της f συµπίπτει µε το ελάχιστο πολυώνυµο του πίνακά της σε µια τυχούσα ϐάση B του E: Q f (t) = Q M B B (f) (t) Απόδειξη. Εστω A = M B B (f). Τότε ϑέτοντας P (t) = Q f (t) στο Λήµµα 3.3, ϑα έχουµε : M B B (Q f (f)) = Q f (M B B (f)) = Q f (A) Επειδή Q f (f) = 0 και ο πίνακας της µηδενικής γραµµικής απεικόνισης ως προς τυχούσα ϐάση είναι ο µηδενικός, έπεται ότι Q f (A) = O, δηλαδή το ελάχιστο πολυώνυµο της f µηδενίζει τον πίνακα A. Τότε όµως ϑα έχουµε : Q A (t)/q f (t) (4.4) Από την άλλη πλευρά, ϑέτοντας P (t) = Q A (t) στο Λήµµα 3.3, ϑα έχουµε : M B B (Q A(f)) = Q A (M B B (f)) = Q A(A) Επειδή Q A (A) = O και επειδή η µοναδική γραµµική απεικόνιση µε µηδενικό πίνακα σε τυχούσα ϐάση είναι η µηδενική, έπεται ότι η γραµµική απεικόνιση Q A (f) είναι η µηδενική, δηλαδή το ελάχιστο πολυώνυµο του A µηδενίζει την γραµµική απεικόνιση f. Τότε όµως ϑα έχουµε : Q f (t)/q A (t) (4.5) Επειδή τα πολυώνυµα Q A (t) και Q f (t) είναι κανονικά, από τις (4.4) και (4.5) έπεται ότι Q A (t) = Q f (t), δηλαδή : Q M B B (f) (t) = Q f (t). Θεώρηµα 4.6. Εστω A M n n (K) ένας n n πίνακας. Τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : (1) Ο A είναι διαγωνοποιήσιµος. (2) Το ελάχιστο πολυώνυµο Q A (t) του A αναλύεται σε γινόµενο διακεκριµένων πρωτοβαθµίων παραγόντων : Q A (t) = (t λ 1 )(t λ 2 ) (t λ m ), λ i λ j, 1 i j m Απόδειξη. Θεωρούµε την γραµµική απεικόνιση f A : K n K n, f A (X) = AX. Εστω B η κανονική ϐάση του K n. Τότε γνωρίζουµε ότι MB B(f A) = A. Από το Λήµµα 3.3 ϑα έχουµε τότε : Q A (t) = Q fa (t) Επειδή, όπως γνωρίζουµε, ο πίνακας A είναι διαγωνοποιήσιµος αν και µονον αν η γραµµική απεικόνιση f A είναι διαγωνοποιήσιµη, το Ϲητούµενο προκύπτει από την παραπάνω ισότητα ελαχίστων πολυωνύµων σε συνδυασµό µε το Θεώρηµα 4.4. Παράδειγµα 4.7. Θεωρούµε τον 4 4 πίνακα παργµατικών αριθµών 0 4 1 2 1 4 0 1 0 0 1 0 1 3 0 0 Υπολογίζουµε το ελάχιστο πολυώνυµο του πίνακα A: Q A (t) = t 3 4t 2 + 5t 2

24 Επειδή όπως ϐλέπουµε εύκολα Q A (t) = t 3 4t 2 + 5t 2 = (t 1) 2 (t 2) το ελάχιστο πολυώνυµο του A δεν αναλύεται σε γινόµενο διακεκριµένων πρωτοβαθµίων παραγόντων. Εποµένως ο πίνακας A δεν είναι διαγωνοποιήσιµος. Γνωρίζουµε ότι µια γραµµική απεικόνιση, αντίστοιχα ένας πίνακας, είναι τριγωνοποιήσιµη, αντίστοιχα τριγωνοποιήσιµος, αν και µόνον αν το χαρακτηριστικό της, αντίστοιχα το χαρακτηριστικό του, το πολυώνυµο αναλύεται σε γινόµενο πρωτοβαθµίων παραγόντων υπεράνω του K. Οπως γνωρίζουµε το χαρακτηριστικό και το ελάχιστο πολυώνυµο έχουν τις ίδιες ϱίζες. Σηµειώνουµε εδώ ότι µπορούµε να περιορισθούµε στο ελάχιστο πολυώνυµο, όπως δείχνει η παρακάτω εφαρµογή. Πόρισµα 4.8. (1) Εστω E ένας K-διανυσµατικός χώρος και f : E E µια γραµµική απεικόνιση. Τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : (α ) Η γραµµική απεικόνιση f είναι τριγωνοποιήσιµη. (ϐ ) Το ελάχιστο πολυώνυµο Q f (t) της f έχει όλες τις ϱίζες του στο σώµα K. (2) A M n n (K) ένας n n πίνακας. Τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : (α ) Ο πίνακας A είναι τριγωνοποιήσιµος. (ϐ ) Το ελάχιστο πολυώνυµο Q A (t) του A έχει όλες τις ϱίζες του στο σώµα K. Απόδειξη. Προκύπτει άµεσδα από το γεγονός ότι το ελάχιστο πολυώνυµο διαιρεί, και έχει τις ιδιες ϱίζες µε, το χαρακτηριστικό πολυώνυµο. Ασκηση 4.9. Επειδή όλες οι ιδιοτιµές του πίνακα A του Παραδείγµατος 4.7 ανήκουν στο R, ο πίνακας A είναι τριγωνοποιήσιµος. Να ϐρεθεί η άνω τριγωνική µορφή του πίνακα A. 4.3. Μηδενοδύναµοι Ενδοµορφισµοί και Πίνακες. Εστω E ένας K-διανυσµατικός χώρος και f : E E µια γραµµική απεικόνιση. Εστω επίσης A M n n (K) ένας τετραγωνικός πίνακας. Ορισµός 4.10. (1) Η γραµµική απεικόνιση καλείται µηδενοδύναµη αν : f m = 0, για κάποιο m 1. (2) Ο πίνακας A καλείται µηδενοδύναµος αν : A m = 0, για κάποιο m 1. Πρόταση 4.11. Εστω E ένας K-διανυσµατικός χώρος διάστασης dim K E = n. και f : E E µια γραµ- µική απεικόνιση. Τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : (1) Η f είναι µηδενοδύναµη : f m = 0, για κάποιο m 1. (2) Η µόνη ιδιοτιµή της f είναι η µηδενική. (3) f n = 0. (4) Το ελάχιστο πολυώνυµο Q f (t) είναι της µορφής : Q f (t) = t m, για κάποιο m 1. Απόδειξη. (1) = (2) Αν f m = 0, τότε το πολυώνυµο Q(t) = t m µηδενίζει την f και άρα διαιρείται από το ελάχιστο πολυώνυµο Q f (t). Προφανώς τότε το ελάχιστο πολυώνυµο της f είναι της µορφής Q f (t) = t k του οποίου η µοναδική ϱίζα είναι η λ = 0. Επειδή οι ϱίζες του ελαχίστου πολυωνύµου είναι οι ιδιοτιµές της f έπεται ότι η µόνη ιδιοτιµή της f είναι η µηδενική. (2) = (3) Αν η µόνη ιδιοτιµή της f είναι η µηδενική, τότε προφανώς το ελάχιστο πολυώνυµο της f ϑα είναι της µορφής Q f (t) = t m για κάποιο 1 m n. Επειδή το χαρακτηριστικό και το ελάχιστο πολυώνυµο έχουν τις ίδιες ϱίζες, έπεται ότι P f (t) = ( 1) n t n. Από το Θεώρηµα των Cayley-Hamilton ϑα έχουµε : 0 = P f (f) = ( 1) n f n και άρα f n = 0. (3) = (4) Αν f n = 0, τότε το πολυώνυµο Q(t) = t n µηδενίζει την f και άρα διαιρείται το από το ελάχιστο πολυώνυµο Q f (t) της f. Προφανώς τότε Q f (t) = t m για κάποιο 1 m n. (4) = (1) Αν το ελάχιστο πολυώνυµο Q f (t) είναι της µορφής Q f (t) = t m, για κάποιο m 1, τότε 0 = Q f (f) = f m.

Χρησιµοποιώντας την γραµµική απεικόνιση f A : K n K n, f A (X) = AX και την Πρόταση 4.11 έχουµε το ακόλουθο πόρισµα : Πόρισµα 4.12. Εστω A M n n (K) ένας τετραγωνικός πίνακας. Τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : (1) Ο A είναι µηδενοδύναµος : A m = 0, για κάποιο m 1. (2) Η µόνη ιδιοτιµή του A είναι η µηδενική. (3) A n = 0. (4) Το ελάχιστο πολυώνυµο Q A (t) είναι της µορφής : Q A (t) = t m, για κάποιο m 1. 25

Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Σημειώματα Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης «Γραμμική Άλγεβρα ΙΙ». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1249. Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1] https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.