2015年第3期 重庆三峡掌院掌报 No,3.2015 第3 1卷(1 57期) JOURNAL OF CHONGOING THREE GORGES UNIVERSITY Vo1.31 No.157 向量空间分解理论探究 张鑫浩 (镇江高等专科学校;丹阳师范学院,江苏丹阳 212 300) 口M 摘要:文章首先在复数域下,引出了简化版的Cayley-Hami1ton定理,在此基础上根据根 子空间的概念,先讨论了根子空间的循环分解理论;再讨论根子空间的直和,即空间的准素分解 理论;最后介绍了如何用复数域上的空间分解理论来处理实数域上的空间分解. 关键词:向量空间;根子空间;空间分解理论 中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1009-8135(201 5)03-0025-05 目前向量空间上的空间分解理论大多是从特征值到方阵的对角化,然后从Cayley-Hamilton定理得到空间的 准素分解理论(初步的空间分解理论),再引入 矩阵,讲了不变因子、初等因子//Jordan标准型等概念,最后 再讲精细的空间分解理论.本文没有在一般的数域上讨论空间分解,而是先在复数域上讨论根子空间分解理论, 再讨论准素分解理论,最后在实数域上讨论空间的分解理论.这对于其他数域也有一定的借鉴作用. 1 在复数域上的空间分解理论 1.1复数域下的CayIey—Hami lton定理 由于在复数域上任一线性变换(算子) ,在某组基e1,e2,…,en下有上三角矩阵【 】 f口ll 1 l2 :} a22 a11el,Ae2 a12el+Cl22 ,…aliel+a2ie2+…+aiiei ,, Ae.=a1ne1+a2ne2+…+a” en 为了表述的方便,我们记 = ,e2,…, )i=192,…,,z 易见V= ==) 一1==)…==)rl且在这组基下,线性变换满足(1)式 由于( 一 “ ) = l Pl+以2 P2+…+口f_l-f_lef-l,使得( 一ai ) ∈ —l,所以 ( ~以 E)K C 一 ,那么( 一以 E)( 一 ::E)…( 一 E) =D 收稿日期:2oi5-01-30 作者简介:张鑫浩(1 975-),男,江苏丹阳人,讲师,主要研究数学教育 张鑫浩:向量空间分解理论探究 令( 一q 目( 一d ・・( 一q =彻,多 之为属于特征值 。的特征子空间. 对于第二种类型的向量,我们讨论 项式 ( )零化线性变换 .另一方面由于矩阵 ( 一 ) ≠0,( -21 ) a=O, . 的特征多项式为lAE-Al, 计算可得 f(x)=I2E—AI,且相似矩阵有相同的特征多项 式,即在复数域上任一线性变换(算子) ,其特征 下面重点对 中第二种类型向量展开分析. 1.3.1 根子空间 中存在一个循环子空间 多项式f(x1零化线性变换 . 1.2空间分解的初步探究 1.2.1在上述矩阵中,若a11,a22,…,口 均 不相同,易见矩阵 有,1个不同的特征根,则线性 变换 可对角化.即线性变换(算子) ,在某 组基下对应与如下形状的矩阵 此 时 令口 有 a 1.2.2我们考虑重根的情况,将与a1, 1相同的 特征值均记为 l(f重根). ( -21E) ( )V--O,(其中( 1E) ( )--f( )) .卜 记 ( ) = ,则( 一 E) =O , 我们将 称为 的根子空间 . \JE 因为 = ( ) c ( ) = a ,所 £ ll 以 也是 的不变子空间. 对于任一向量 ∈ ,均有( 一 E) =O, 于是我们先将注意力集中在 中. 1.3对根子空间 的空间分解 考虑 中的向量:对任一口∈ ,分成以下 两种类型: (i)( 一 1E)aF=0;即a∈ker( 1E) (ii)( -21E)“a ̄O,( -2l )ia=0,f<f. 对应于第一种类型的向量构成的空间,我们称 一26— 设存在n∈ ,使得( — )“o=bO, ( 一AE) =O,f<f. ( -21E)gl, l, 1,( -21E)sl, 1=6"12,…, , ( l )811=D. . 即 s11 l8ll, s12 1l 1s12, …, 81 1,i.1+ ̄le1f,得 (sll,sl2,…,8l{) 1 O … O 1 . (En‘:,…, ) ‘. .0 1 简记为 (sl1,012,…,81f)=(s1l,s12,…, sli)Af.由 fl≠o,知(s1l,s12,…,s1 )线性无关, 且(£ll,sl2,…,eu)=(( -X ̄E)“8lf,…,( - ̄lE) lf,( IE)et1)称三(8u,sl2,…,8l{)是由向 量s1 生成的关于线性算子( .21E)的循环子空 间【 ]143-144.由此知根子空间中的每一个向量均属于 某一循环子空间,且循环子空间在某组基下的矩阵 是若当型矩阵,因此将 记为 ( 1)[21Ⅲ . 1.3.2循环子空间的扩充与极小变换 在上述过程中,我们是对属于 的向量不断 的施加线性变换( -2 )来作出循环子空间的, 现在反过来,对于属于 中的向量%的,考虑方程 组( - ̄lE) 1 在 中是否有解・若存在 ∈ , 使得( 1E) lf,则L(£…s12,…,slf, )是 有向量 生成的循环子空间,且三(s…旬2,…,8lf) 重庆三峡掌院学报 c三( l2,…,8lf, ).继续这样的过程,直至 找不到更大的循环子空间为止. 若由向量s 生成的循环子空间已经不能再扩 充时,我们将重点放在这样的向量上.为了叙述方 便引入新的名称,称( ) 是向量£l 在线性 变换( -2 )下的极小变换(算子),此时有:(1) ( -2 ̄E)X=elf在 l中无解,(2)( -21E) sll≠D, ( -2lE) lFO. 1.3.3 由相同极小变换的向量生成的循环空间 在上文向量空间L(ell, l2,…,eu)中,( -2l层) 811 ̄---0,所以s,。是属于特征值 。的特征向量.若有 类似的循环子空间三( 1,q2,…,qi),使得 (叩l, ,72,…, )=(tt1,q2,…,qi)AI,且( -ALE) 分别是向量£lf, l 的极小变换.考虑下面的等式: 当klql+k2q2+…嘶7— lCll+kl2Bl2+…+锄 l尸D时, 用( -2, )“分别作用在等式两边,得到 ( -2lE) (焉m)+( -21E) (ku ̄lli)=0, killl+kl ̄ll=:O. 若 1与8ll线性无关,则 ,并由此推出 kl=kll=…=kFkx,=O,因此 三( l1,s12,…, lf)f3L( 1, ,…, )=D. 注意到 1与sll经过一次线性变换( -2lE) 均为零向量, 。与s 。均为线性变换 的特征向量, 所以有:两个特征向量线性无关,则分别含此特征 向量的具有相同极小变换的向量生成的循环子空间 交空. 1.3.4 由不同极小变换的向量生成的循环空间 对任意的a∈ l, ∈ l中,设( -21E) a-CO, ( -2l )Sa=O ̄ ( -2 ̄E) ,( - ̄IE) ,不妨设s<r. 令口 l ,( -21E)a=e1 1,…,( -21 )¨口 ll, 令 l,,( -2zE)脚1 1,…,( -A, ) ll, 当kit/I】+k2th2+…蜥71r+kllCll+kl26"12+…--I.-kls ̄ls.=O时,. 将( -2 ) 作用在等式两边得到 +l叩l l+…+.i}r lr=:D,由于 l l,…, 线性 无关. 所以 l=…=kr--0. 考虑kit/1l+… llsll+觑 12+… l 将( -2 ) 分别作用在等式两边,得到 ( -2lE) (恕 )+( -2 ̄E) (kiss1 )=O,kcI.+ 岛 ll=o.若rlll与sl】线性无关,则k,=klFO,并由此 推出 --kll=…=ks=kls=O. 即两个特征向量线性无关,则分别含此特征向 量的具有不同极小变换的循环子空间交空. 1.3.5 由特征向量作出循环子空间 设属于特征值 ,的线性无关的特征向量有m 个,分别用句l,龟1,…, 1表示.首先我们找出含6'1l 的循环子空间.解线性方程( -2lE)a---8 得到 8l2,再由( -2 )口 l2,得到sl3依此类推就得到 含有81l的循环子空间,记为 。(£l1).但在此过程 中,解并不唯一.例如解( -21E)口 l1时,不仅 ( -2lE)12=o011, 实际上( 一 2+ 气。+ 一斗 )= 。, 我们希望解得的E12具有唯一性,于是限定 ∈ , c 且 (王》ker( 一 E).因此,这样的 2是唯一的.若存在 ∈ ,使得 ( 一 ) : 。,可得( 一 E)( :一 )=0,此 时( 一 )∈ker(A一 ),这与 是子空间相矛 盾.所以必有 ,=占 ,,依次类推可得该循环子空 间的唯一性. 1.3.6根子空间的循环分解 我们将包含上述特征向量的循环子空间用 。 (研1), 1(e21),…, 1(Sm1)表示. 下证: 1= 1(El1)0 1(龟1)0…0 1(em1) 证明:由上述讨论知, l(sl1), 1(e21),…, l( 1)两两交空. 下面用数学归纳法证明: 对任意一向量 ∈ 1,6c∈ 1(sl1)0 l( 1) 0…0 l( 1). (1)当n=l时,因为( -21E)a=O,结论显 然成立. (2)假设当 n=k时,( -21E) a-CO,但 ( -2】E) =D,命题成立. 则当rMe+l时,因为( -,hE)ka ̄O,但( ) =0 时,即( (( ) )=o,设 ( 一 ) = 。+ 。…+ . 另一方面,存在 ∈ ( 。)《主》 (占21)0…0 ( ・), 张鑫浩:向"1-空间分解理论探究 使得( 一 E) ,7l= ll+k ̄e2t…+ l 两式相减得( ) —r/1)=0,记口一叩l , ∈ ( )0 ( 。,)0…0 ( ), 所以 ∈ (毛 )0 ( ,)《王》…(王》 ( ),证毕・ 现在取 ( 。)中,如上述方法取定的一个基 (£11,8l2,…, ),为了方便将s1j改记为 l^,f1表 示 ( , )中基的个数,则 在这个基下的矩阵为 ( ),同理做出 在 ( :。)下的矩阵为 ( ),…, 在 ( 。)下的矩阵为‘(^)・此时 一, cl,…, )= c -., ,…, [ ‘ ・.‘ A ] 在上述空间 (s。 ), (s ),…, ( )中,若 (占。 )是由单个特征向量 。构成的空间,此时 =1有 ( )= ・ 1.4根子空间 的维数 由于 的维数就是齐次线性方程组 ( 一 E), =D解空间的维数,取某组特定的基,使 得线性变换在这组基下对应于上三角矩阵, ( 一 E)对应于分块矩阵( ).其中4。是 行f列的主对角线元素为0的上三角行列式, 2是 上三角行列式,( 一^E)f则对应于矩阵 0f,o : j,1 易知该矩阵的秩为n-t,所以解空间的秩为t, 的 维数也是t. 1.5不同的根子空间交空 为了表述方便,下面的论述令 ・,同理若 是 的,2重根,记 =( 一 E) 厂2( ), 同 样具有 。的形式,且两者交空.否则令 = n ,因 一 )f 与 一 ),I互素,所以存 在u( ),v( )使得 (x) — E)fl十v( ) 一 )f2=1. = (z‘( )( 一 )‘+ ( )( 一 )‘)口=O. 设 有S个不同的根,仿照上述过程做成空间 ,i=3,4,…, .同理可证 , ,…, 两两 不相交. 1.6空间的准素分解理论 下证:V= 《主》 0…0 ・在上述过程中 我们得到 = ( ) ,i=1,2,…, . : 务 证 (x), ,…, =1. 存在U1( ),U2( ),…,Us( )使得 U1 Oc) )+u2 Oc) )+.’ ) ):1. = (一 + ㈨G 十…+ ( 1)L,:( = ( 1] ㈣ + ( (一 +…+ ( j1) ( = ( 十 (砒∽ +…+ ( l ㈣ c + +…+ ∽ 所以,命题得证. 于是我们仿照 中的做法,分别取 , ,…, 中的一组基,合在一起・z…I4 ( , ,..., )= iX11 812 9 .此时A2tyll= 2一 1一 1= 2-p,4l一 q1 ( ,S2,…, ) ). ]. -ql ——Pl ,同样令 = : l I{Jt 其中 ( )=l・ ]. 当 +plA+qlE)ct ̄l=0 时 , .。 L 、2=一P1Ae,2一g1 2=一P1 2一 q2 . ( , ,e , )= 2在实数域上的空间分解 特征多项式f( )为一次或二次因式的乘积, 写成标准分解式为 厂( )=( 一 )‘…( 一 )‘( +p1 +g1) …( +psx+q ) O 1 ], 对于一次因式, 在某组基下对应的矩阵同上 1 ● 所述为 ( )型. 对于二次因式, ̄tu(x + +g1) ,可在复数 0 一q。 域上分解为( 一 。E) ( 一石 E) . 1 一P 为两个共轭复根・于是在 (壬》 上讨 1 ● 1 l。● 论空间的分解,经过一定的处理,如取 -0 中 .0 一q 的向量all ̄O, ̄m]Aa∈ l 0 c,A a线 1——P ・易知。。性无关.(否则A 6c,a属于特征值;to的特征子  ̄51B!。l≠o,所以 空间.) e^, fI, fI, …,etlf1, ,。)线性无关. 令ell= l, l=Aal1,当 +A + D =D时 dimL(e..e ,, … et.,et ,)<2t。,则存 l1=-plAa1l-ql 1l=-p1 1一q1811.所以 在子空间 使得 = ^, , , ,・・ , )。 , A在上述类型的基下有矩阵 。, 。)=el。, 。)C, 然后在W中再按照上述方法做下去. ( 二 c 最终 在 0 中在适当的基下有矩阵 。。若(A l A+g1E)a11≠D,令(A 1 A 1E) 墨 ,,B 、 塑量皇 坌 墨 堡 参考文献: 1 . 1 [1]【俄罗斯】柯斯特利金.代数学引论[M].牛凤文, 。 I ’ l /, 译.北京:高等教育出版社,2008. [2]张贤科,许甫华.高等代数学[M]北京:清华大学 用这个方法就可以作出线性变换 在向量空 间 在实数域上的一个分解. 出版社,2004. [3】丘维声.高等代数[M].北京:高等教育出版社, 201 0. (责任编辑:于开红) An Exploration of the Theory of Vector Space Decomposition ZHNAG Xinhao (Zhenjiang College,DanyangNormal College,DanyangJiangsu 212300) Abstract:Under the complex domain,this article first introduces the simplified version of the Cayley—Hamilton theorem,and on this basis,according to the concept of root space,it discusses the cyclic decomposition theory of he roott space,and the inner direct sum of root space,or the primary decomposition heorty of space.Finally it explores how to use space on complex domain decomposition theory to deal wih realt space on domain decomposition. ….KtYy__or_ayyector P __9 1 ,: i P e_ 2 皂 ……………………………… 【7】郭宏博.三峡水库硅的分布特征及其收支与循环 [D].青岛:中国海洋大学,2008. (责任编辑:朱丹) (上接3页) [5]冉祥滨.三峡水库营养盐分布特征与滞留效应研 究[D].青岛:中国海洋大学,2009. [6】张可。三峡水库成库后对典型污染物迁移与时空 分布的影响[D].重庆:重庆大学,2008. A Study on Temporal—spatial Distribution Characteristics of Phosphorus in Fuling Sector of Changjiang River LU Bangjun FANG Juny i JU T l ngyong (Chongqing Environmental Monitor Centre ofFuling District,Chongqing 408000) Abstract:Distribution characteristics of phosphorous(including total phosphorus and total dissolved phosphorus)in Fulnig sector of the Changjiang River in diferent seasons were studied in this article.The result showed that total phosphorus in dry and normal rainy seasons was higher than that in flood seasons.Total dissolved phosphorus was the main component.Under the influence of he Wujitang River,stratiifcation Can be observed in outpouring secitons in the Changjing Riaver.The length of outpouring section was also estimated. Sediment sinking was not obvious in Fulnig sector ofthe Changjing aiverR. Keywords:total phosphorus;total dissolved phosphorus;temporal—spatial distribution characteristics 一3O一