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有关矩阵多项式的结论总结与进步探讨
数 统 学 院
毕 业 论 文
课题名称:有关矩阵多项式的结论总结与进一步探讨
学生姓名 胡旭强
学 号
专 业 数学与应用数学
班 级 09级数学本科
指导教师
2011 年 12 月 15 日
有关矩阵多项式的结论总结与进一步探讨
摘要:本文主要系统小结有关矩阵多项式若干结论,这主要包括三个方面:矩阵多项式集合的结构性质,矩阵多项式可逆性的判定总结,以及矩阵多项式的迹的两点注记。其中至于已有的结论则不予证明或给出另一种证明方法,并且本文也给出几个重要的结论。
关键词:矩阵多项式 单代数扩域 环 最小多项式 特征多项式
0引言
定义1:设是复数域的一个子域,记表示在上关于的所有多项式全体,记表示的次数,记表示与的最大公因子(其中)。符号“”表示证明结束。
定义2:记表示上阶矩阵构成的矩阵集合。取,记为的最小多项式(其次数),记为的特征多项式。表示的单位矩阵。记为中一切数量矩阵的集合,即。表示矩阵的行列式值。
定义3:,则称为的多项式,显然若为矩阵,则无意义。记,则,故有无限多个元素。
定义4:记表示以中元素为系数关于的所有多项式全体。记 。
下面一切符号从上,除非有特别说明
本文第一部分主要探讨代数结构和空间结构,第二部分从另一角度推导矩阵多项式可逆性的判定定理同时也给出本人的一个新判定定理,第三部分则解决了文[10]中的两个未解决问题
1有关结构性质探讨
显然,并且是上维线性空间,下面就先探讨的空间结构:
引理1.1:关于矩阵加法和乘法构成域。
证明:由数量矩阵加法和乘法性质以及按照域的定义即可得,事实上它与数域同构。
引理1.2:是域上的一个代数元,从面是上的一个单代数扩域,其中在上的极小多项式就是矩阵的最小多项式。
证明:由矩阵最小多项式定义、代数元定义以及单代数扩域定义即可得。
引理1.3: 中任一元都可以唯一地表成,()的形式,这里是的次数,要把这样的两个多项式与相加,只要把相应的系数相加;与的乘积等于,这里是用除所得余式。
这里,并且为的极小多项式。
证明:这是[1]中第156页定理2的直接推论。
引理1.4:是上的次扩域,从而是上的维线性空间,并且其一组基为。
证明:这是文[1]中第162页定理2直接推论。
从集合关系来看:,而,因此由引理1.3及1.4得:
定理1.1:是上的维线性空间,其一组基为;并且中任一元都可以唯一地表成,的形式,这里是的次数,要把这样的两个多项式与相加,只要把相应的系数相加;与的乘积等于,这里是用除所得余式.。
事实上定理1可用直接用带余除法,矩阵多项式定义,以及矩阵最小多项式性质证得,但本文这样推导,主要是突出近世代数的知识在高等代数中的具体应用。
显然的维数是,因此我们有:
定理1.2:是中维真子空间()。
显然当时:=。
另一方面,我们知道关于矩阵加法和乘法构成环。因此下而探讨代数结构:
引理1.5:是的交换子环。
这是文[11]的一个引理。
引理1.6:从而是一个域。
证明:先证明充分性:由,由定理1.1知中任一元素都是数量阵,故:。显然。故。由引理1.1,知从而是一个域。
从定理1.1取可以看出:
引理1.7:取则可假定,设则按定理1.1乘法法则,由带余除法性质,可记
,
其中,的值由的系数和的最小多项式决定的已知值.
由引理1.7知:令,则可得关于的齐次线性方程组:
(Ⅰ)
令,则可得关于的非齐次线性方程组:
(Ⅱ)
引理1.8:当,则中存在非零奇异阵,并且任何非零不可逆阵就是中零因子。
证明:先证命题前半部分:,知,若,命题已成立。若,显然的特征值非零,取的一个特征值,令则为特征根,故,但,否则与发生矛盾。由此可见就是中要找的一个非零奇异阵。
下证命题后半部分:在引理1.7中令:,,记方程(Ⅰ)的系数阵为.则。
不然,在引理1.7中令,则方程(Ⅱ)有唯一的非零解。
从而有使得,这与不可逆矛盾。
由,知方程(Ⅰ)有非零解,从而有满足。
这说明了任何非零不可逆阵就是中零因子。
推论1:是中零因子是非零奇异。
由引理1.6及1.7,立即可得:
定理1.3:是一个域;是有零因子的交换子环。
引理1.8:可逆(或)的常数项不为0。
引理1.9:设,对任意,若可逆,则(这是文[4]最早得出,本文这里给出另外简单证法。)
证明:由引理1.8,可记则有
令
注意到:,即知即为的逆。
推论1:数域上的阶循环阵的逆也是循环阵(分析见文[4])
推论2
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