Wykład 15

Wektory własne

Niech V będzie przestrzenią liniową i niech ϕ będzie operatorem liniowym

w przestrzeni V . Podprzestrzeń U przestrzeni V nazywamy niezmienniczą

względem ϕ jeśli ϕ( U ) ⊆ U . Inaczej mówiąc podprzestrzeń U jest niezmiennicza względem ϕ jeśli dla każdego u ∈ U mamy ϕ( u) ∈ U . W skrócie będziemy mówić, że przestrzeń U jest ϕ-niezmiennicza. Jeśli podprzestrzeń U jest ϕ-

niezmiennicza to operator ϕ indukuje operator ϕ : U → U w podprzestrzeni

U .

Przykład Podprzestrzeń zerowa jest niezmiennicza względem każdego operatora.

Twierdzenie 1 Jądro i obraz dowolnego przekształcenia liniowego ϕ : V →

V są podprzestrzeniami niezmienniczymi.

Dowód Niech v ∈ Ker( ϕ) wtedy ϕ( v) = 0 ∈ Ker( ϕ) zatem jest to podprzestrzeń niezmiennicza. Jeśli v ∈ Im( ϕ) to ϕ( v) ∈ Im( ϕ), a więc obraz też jest niezmienniczy.

Wprowadźmy następujące oznaczenia jeśli An×n, Bm×m są macierzami

kwadratowymi to przez A ⊕ B oznaczać będziemy macierz:

"

#

A

0

A ⊕ B =

0

B

Niech A = [ aij] , B = [ bij] , C[ cij] , D = [ dij] będą macierzami wyniarów k × m, k × r, p × m, p × r wtedy możemy zdefiniować macierz wymiaru k + p × m + r następująco:



a



11

. . . a 1 m b 11 . . . b 1 r



..

. .

..

..

. .

.. 



.

.

.

.

.

.







"

A B #



a



= 

k 1

. . . akm bk 1 . . . bkr 





C

D



c 11 . . . c 1 m d 11 . . . c 1 r 







..

. .

..

..

. .

.. 



.

.

.

.

.

.







cp 1 . . . cpm dp 1 . . . dpr

Twierdzenie 2 Niech ϕ będzie operatorem liniowym w przestrzeni V i niech

zbiór b 1 , . . . , bn będzie bazą przestrzeni V . Jeśli niezerowe podprzestrzenie

U 1 = Lin( b 1 , . . . , bk) i U 2 = Lin( bk+1 , . . . , bn) są ϕ-niezmiennicze i macierze przekształcenia ϕ w podprzestrzeniach U 1 , U 2 są równe odpowiednio A 1 , A 2

to macierz przekształcenia ϕ w przestrzeni V jest równa A 1 ⊕ A 2 .

1

Dany jest operator ϕ w przestrzeni V nad ciałem K. Wtedy niezerowy wektor 0 6= v ∈ V nazywamy wektorem własnym przekształcenia ϕ jeśli istnieje skalar t ∈ K, taki że:

ϕ( v) = tv

skalar t nazywamy wtedy wartością własną operatora ϕ, a wektor v wektorem własnym odpowiadającym wartości własnej t.

Twierdzenie 3 Niech v ∈ V będzie wektorem własnym operatora ϕ. Wtedy

Lin( v) jest jednowymiarową podprzestrzenią niezmienniczą przestrzeni V .

Dowód Niech u ∈ Lin( v) wtedy u = kv dla pewnego k ∈ K i mamy ϕ( u) =

ϕ( kv) = kϕ( v) = k( tv) = ( kt) v ∈ Lin( v).

Twierdzenie 4 Jeśli U jest jednowymiarową ϕ-niezmienniczą podprzestrzenią

przestrzeni V to każdy wektor u ∈ U jest wektorem własnym odpowiadającym

tej samej wartości własnej.

Dowód Jeśli U jest jednowymiarową ϕ-niezmienniczą podprzestrzenią to

istnieją v ∈ V i t ∈ K, takie że U = Lin( v) i ϕ( v) = tv. Zatem jeśli u ∈ U to istnieje k ∈ K, że u = kv i mamy:

ϕ( u) = ϕ( kv) = kϕ( v) = k( tv) = ( kt) v = ( tk) v = t( kv) = tu, a więc u też jest wektorem własnym odpowiadającym wartości własnej t.

2