证明不变子空间的方法(一)

§7.4 不变子空间教学目的本节要求掌握不变子空间的概念及其不变子空间的判断方法，掌握值域和核的概念以及它们都是σ的不变子空间的事实，了解σ的秩和零度的概念及其相关结论。

教学难点不变子空间的证明教学重点不变子空间的概念、值域和核的概念以及它们都是σ的不变子空间的证明教学过程备注教学内容一、不变子空间的定义为了解决不变子空间的问题，我们需要不变子空间的概念.先看一个例子.在3V中，设σ是数量变换，即有一个确定的数k，使得对任意αασαk)(,3=∈V，设W是3V中过原点的一个平面，W是3V的一个子空间，对W中每一个向量ξ，ξ在σ作用之下的像)(ξσ仍是W中的向量，这样的子空间W就是σ的不变子空间.定义1 设σ是F上向量空间V的一个线性变换，W是V的一个子空间，若W中向量在σ下的像仍在W中，即对于W中任一向量ξ，都有W∈)(ξσ，则称W是σ的一个不变子空间，或称W在σ之下不变.例1 向量空间V本身和零子空间是V的任一个线性变换的不变子空间，称它们为V的平凡不变子空间，其它不变子空间称为非平凡不变子空间.例2 向量空间V的任一子空间都是数量变换的不变子空间.例3 在R[x]中，令x)(f(f(x))'=σ，对任意][],[)(xRxRxfn∈是R[x]的子空间，并且]x[nR是σ的不变子空间.例4 设σ是3V中以过原点的一条直线L为轴,旋转θ角的变换,则L是σ的一维不变子空间;过原点且与L垂直的平面H是σ的一个二维不变子空间.二、不变子空间的判断下面给出一种判断不变子空间的方法定理7.4.1 设σ是n维向量空间V的一个线性变换，W是V的子空间，{}r21,,,ααα 是W的基.则W是σ的不变子空间的充要条件是)(,),(),(r21ασασασ 在W中.设W 是向量空间V 的关于线性变换σ的不变子空间，那么对于任意的W ∈α，必有W ∈)(ασ，因此σ也可看作是向量空间W 的一个线性变换，用Wσ表示，即对于任意W ∈ξ，)()(ξσξσ=W若W ∉ξ，那么)(ξσW就没有意义. Wσ叫做σ在W 上的限制.三、不变子空间与线性变换的矩阵的关系设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，W 是σ的一个非平凡不变子空间.在W 中取一个基{}r 21,,,ααα ，把它扩充成V 的一个基},,,,,,{1r 21n r ααααα +，由于),,2,1()(r i W i =∈ασ，故可设r r a a a αααασ12211111)(+++= r r a a a αααασ22221212)(+++=…………r r a a a αααασr 2r 21r 1r )(+++=n r n a a a a ααααασ1,1r 1r 1r r 1r r 11r 11r )(++++++++++++= ，，，，…………n nn r n r r rn n n a a a a ααααασ+++++=++ 1,111)(因此，σ关于这个基的矩阵为,00002311,,11,11,111,1111⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++++++A A A a a a a a a a a a a a a nn r n n r r r rn r r rr r n r r这里1A 是Wσ关于W 的基{}r 21,,,ααα 的矩阵. 如果V 可以分解成两个非平凡不变子空间1W 与2W 的直和,21W W V ⊕=那么选取1W 的一个基{}r 21,,,ααα 和2W 的一个基{}n 1,,αα +r ，凑成V 的一个基{}n r ααααα,,,,,,1r 21 +，当1W 和2W 都在σ下不变时，σ关于这个基的矩阵是⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2100A A A 这里1A 是r 阶矩阵，2A 是n-r 阶矩阵，它们分别是1W σ关于基{}r 21,,,ααα 的矩阵和2W σ关于基{}n 1,,αα +r 的矩阵. 若V 可分解成s 个非平凡子空间s 21,,,W W W 的直和，并且每一i W 都是σ的不变子空间，那么在每一子空间中取一个基，凑成V 的基，σ关于这个基的矩阵就为分块对角形矩阵其中i A 是i W σ关于iW 的基的矩阵，.,2,1s i =如果能将V 分解成n 个在σ下不变的一维子空间的直和，那么σ在适当选取的基下的 矩阵就是对角矩阵. σ的一维不变子空间的问题与线性变换的本征值和本征向量有密切关系，我们将在下一节进行讨论.四、线性变换的值域与核定义2 设是向量空间的一个线性变换，由V 中全体向量的像构成的集合称为的值域，记作或；有零向量在之下的全体原像作成的集合称为的核，记作，即定理7.4.2 设σ是向量空间V 的线性变换，那么σm I 和σKer 是V 的子空间，并且在σ之下不变.证 先证σm I 是σ的不变子空间因为，σσm 0)0(,0I V ∈=∈，所以Φ≠m I .由于对任意σηξIm ,,∈∈F k ，存在V ∈βα,，使得)(),(βσηασξ==，而σβασβσασηξIm )()()(∈+=+=+，σασασξIm )()(∈==k k k因此σm I 是V 的子空间.任取σζIm ∈，当然σξσζIm )(,∈∈V .所以σm I 是σ的不变子空间.再证σKer 是σ的不变子空间.因为σKer ∈0，所以σKer 非空.对任意σβαKer F k ∈∈,,，有0)(,0)(==βσασ，于是⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s 21A A A0)()()(=+=+βσασβασ 0)()(==ασασk k即有,,σαβαKer k ∈+，所以σKer 是V 的子空间.由于σKer 中的向量在σ下的像都是零向量，因此σKer 是σ的不变子空间. 我们把σm I 的维数称为线性变换σ的秩，记作秩σ.把的维数称为线性变换的零度.定理7.4.3 设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，{}n 21,,,ααα 是V 的一个基，σ关于这个基的矩阵是A ，则(1) ))(,),(),((m 21n L I ασασασσ = (2) σ的秩等于A 的秩证 (1) σξm I ∈∀,存在n n a a a V αααηη+++=∈ 2211,，使得)(ησξ=. 于是))(,),(),(()()()()(212211n n n L a a a ασασασασασασησ ∈+++=故 ))(,),(),((Im 21n L ασασασσ ⊆又 σασασασIm ))(,),(),((21⊆n L ，所以(1)成立.(2) 由(1)知，(,),(),(())(,),(),((dim )dim (Im )(2121nn L ασασασασασασσσ 秩秩===而 A n n n ),,,())(,),(),((),,,(212121αααασασασααασ == 由定理5.2.14知,秩A n 秩=))(,),(),((21ασασασ ,所以A 秩秩=σ.定理7.4.4 设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，则n =+的零度秩σσ证 在V 中取定一个基{}n 21ααα，，， .设σ关于这个基的矩阵为A ，由定理7.4.3， σ的秩=秩A若σαααξKer a a a n n ∈+++= 2211，则0)(=ξσ.由于)(ξσ与0向量的坐标相同，即T T n A )0,,0,0(),,,(21 =ααα，因此ξ的坐标T n a a a ),,,(21 是齐次线性方程组⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00021n x x x A(1)的在n F 中的解向量.反之，对齐次线性方程组(1)的每个解向量T n b b b ),,,(21 来说,σαααKer b b b n n ∈+++ 2211.令σKer 的任一向量ξ与它的坐标对应,这就得到了F 上向量空间σKer 与(1)的在F 上的解空间W 的同构映射.因此σσ秩秩-n dim dim =-==A n W Ker故n =+的零度秩σσ例5 设{}4321αααα，，，是四维向量空间V 的一个基,线性变换σ关于这个基的矩阵为A ,并且⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2-12-255213121-1201A 求σ的值域与核.解 先求ker , 设ker(), 关于{1,2,3,4}的坐标为(x 1, x 2, x 3, x 4), ()在{1,2,3,4}下的坐标为(0,0, 0, 0)，由定理7.4.4，有⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---2122552131211201 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛4321x x x x ＝⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0000解得该齐次线性方程组的基础解系为X 1＝(－2,－23,1,0), X 2＝(－1,－2,0,1).令1=－2123-2+3 , 2=－1－22+4 那么ker ()＝L (1, 2)，σ的零度=2 .再求Im . 由定理7.4.3，Im ＝L ( (1), (2), (3), (4)).而由定理7.4.4, 的秩为 2. 因此，{})(,)(,)(,)(4321ασασασασ的极大无关组含有两个向量，又(1),(2)线性无关，所以Im=L( (1), (2)).作业：P332-333,习题七，第19，20，21，22，23，24，25，26题.教学小结本节内容分为下面四个问题讲：1. 加法运算2. 数乘运算3. 乘法运算(1). 乘法运算(2). 线性变换的方幂4. 可逆线性变换及线性变换可逆的充要条件本课作业本课教育评注。

不变子空间的交还是不变子空间证明【原创实用版】目录1.引言2.不变子空间的概念3.不变子空间的交4.不变子空间的证明5.结论正文1.引言在数学领域，不变子空间是一个重要的概念，它在线性代数、微积分等学科中都有着广泛的应用。

不变子空间交和证明是理解不变子空间的关键，本文将从这两个方面进行阐述。

2.不变子空间的概念不变子空间指的是一个向量空间在经过某一线性变换后，仍然保持原有结构和性质的子空间。

设 V 是一个向量空间，T 是 V 上的一个线性变换，如果存在一个子空间 W 使得 T(W)W，那么 W 就是不变子空间。

3.不变子空间的交不变子空间的交指的是多个不变子空间相交后得到的子空间。

假设 V 有两个不变子空间 W1 和 W2，它们的交为 W1∩W2。

根据不变子空间的性质，T(W1∩W2)W1∩W2，所以 W1∩W2 也是 V 的一个不变子空间。

4.不变子空间的证明为了证明不变子空间的存在性和唯一性，我们需要引入一些相关的概念和定理。

设 V 是一个向量空间，T 是 V 上的一个线性变换，W 是 V 的一个子空间。

如果 T(W)W，那么我们可以证明 W 是 V 的一个不变子空间。

证明：假设 U 是 V 的另一个子空间，且 T(U)U。

我们需要证明 W ∩U 也是 V 的一个不变子空间。

根据向量空间的性质，有 T(W∩U)T(W)∩T(U)。

因为 T(W)W 和 T(U)U，所以 T(W)∩T(U)W∩U。

所以 W∩U 也是 V 的一个不变子空间。

5.结论不变子空间在数学领域具有广泛的应用，理解不变子空间的交和证明对于深入研究不变子空间具有重要意义。

不变子空间的交还是不变子空间证明摘要：一、不变子空间的概念与性质二、不变子空间的交与和三、证明不变子空间的交还是不变子空间四、不变子空间问题的应用与研究现状正文：不变子空间是线性代数中的一个重要概念，它是指在线性变换下保持不变的子空间。

不变子空间的研究不仅具有理论意义，而且在实际应用中也具有重要意义。

本文将从不变子空间的概念与性质、不变子空间的交与和、证明不变子空间的交还是不变子空间以及不变子空间问题的应用与研究现状四个方面进行阐述。

一、不变子空间的概念与性质不变子空间是指在线性变换下保持不变的子空间。

给定一个线性变换T和其不变子空间W，我们可以证明T(W)仍然是W的一个不变子空间。

这个性质可以通过以下方式证明：对于任意的a、b属于W，有a、b属于W，a、b属于U，其中U是V的线性变换T的不变子空间。

因此，T(a)和T(b)属于W，所以T(W)仍然是W的一个不变子空间。

二、不变子空间的交与和我们知道，两个不变子空间的交集仍然是它们的不变子空间。

这个性质可以通过以下方式证明：对于任意的a、b属于W1和W2，有a、b属于W1，a、b属于W2，且W1、W2是V的线性变换T的不变子空间。

因此，T(a)和T(b)属于W1∩W2，所以T(W1∩W2)仍然是W1和W2的交集的一个不变子空间。

同样地，两个不变子空间的和也是它们的不变子空间。

这个性质可以通过以下方式证明：对于任意的a、b属于W1和W2，有a、b属于W1，a、b 属于W2，且W1、W2是V的线性变换T的不变子空间。

因此，T(a+b) = T(a) + T(b) 属于W1+W2，所以T(W1+W2)仍然是W1和W2的和的一个不变子空间。

三、证明不变子空间的交还是不变子空间接下来，我们需要证明不变子空间的交仍然是不变子空间。

假设W1和W2是V的线性变换T的不变子空间，我们需要证明T(W1∩W2)仍然是W1和W2的交集的一个不变子空间。

对于任意的a、b属于W1∩W2，有a、b属于W1，a、b属于W2。

求不变子空间的方法
那啥是不变子空间呢？简单说啊，就是对于一个线性变换，有个空间在这个变换下，就像被保护起来似的，这个空间里的向量经过变换后还在这个空间里，这就是不变子空间啦。

一种常见的方法呢，就是从特征向量入手。

你想啊，如果一个向量是某个线性变换的特征向量，那由这个特征向量生成的一维子空间就是不变子空间哦。

比如说，对于线性变换T，向量v是它的特征向量，也就是T(v)=λv（这里λ是特征值），那{v}这个一维空间就是不变子空间啦。

还有啊，如果有一组线性无关的特征向量，那由它们张成的子空间也是不变子空间呢。

这就像是一群小伙伴，每个小伙伴自己就是个小不变子空间，合起来也是个大一点的不变子空间啦。

再就是从矩阵的角度看。

如果能把矩阵A化成块对角矩阵，那每一个对角块对应的列向量张成的子空间就是不变子空间。

这就好比把一个大的空间划分成了几个小空间，每个小空间都有自己的小规则，在变换下各自安好，不互相干扰。

另外呢，对于一些特殊的线性变换，比如投影变换。

投影到某个子空间的投影变换，那个被投影的子空间本身就是不变子空间呀。

就像光投影到墙上，墙这个空间就是光投影变换下的不变子空间呢。

宝子，求不变子空间其实也没那么难啦，只要抓住这些小窍门，多做几道题，就会慢慢有感觉的。

就像交朋友一样，刚开始觉得陌生，混熟了就好啦。

加油哦，宝子，我相信你肯定能掌握这个小知识点的！。

§7.4 不变子空间教学目的 本节要求掌握不变子空间的概念及其不变子空间的判断方法，掌握值域和核的概念以及它们都是σ的不变子空间的事实，了解σ的秩和零度的概念及其相关结论。

教学难点 不变子空间的证明教学重点不变子空间的概念、值域和核的概念以及它们都是σ的不变子空间的证明 教 学 过 程备 注教学内容一、不变子空间的定义为了解决不变子空间的问题，我们需要不变子空间的概念.先看一个例子.在3V 中，设σ是数量变换，即有一个确定的数k ，使得对任意αασαk )(,3=∈V ，设W 是3V 中过原点的一个平面，W 是3V 的一个子空间，对W 中每一个向量ξ，ξ在σ作用之下的像)(ξσ仍是W 中的向量，这样的子空间W 就是σ的不变子空间.定义1 设σ是F 上向量空间V 的一个线性变换，W 是V 的一个子空间，若W 中向量在σ下的像仍在W 中，即对于W 中任一向量ξ，都有W ∈)(ξσ，则称W 是σ的一个不变子空间，或称W 在σ之下不变.例1 向量空间V 本身和零子空间是V 的任一个线性变换的不变子空间，称它们为V 的平凡不变子空间，其它不变子空间称为非平凡不变子空间.例2 向量空间V 的任一子空间都是数量变换的不变子空间.例3 在R [x]中，令x)(f (f(x))'=σ，对任意][],[)(x R x R x f n ∈是R [x]的子空间，并且]x [n R 是σ的不变子空间.例4 设σ是3V 中以过原点的一条直线L 为轴,旋转θ角的变换,则L 是σ的一维不变子空间;过原点且与L 垂直的平面H 是σ的一个二维不变子空间.二、不变子空间的判断下面给出一种判断不变子空间的方法定理7.4.1 设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，W 是V 的子空间，{}r 21,,,ααα 是W 的基.则W 是σ的不变子空间的充要条件是)(,),(),(r 21ασασασ 在W 中.设W 是向量空间V 的关于线性变换σ的不变子空间，那么对于任意的W ∈α，必有W ∈)(ασ，因此σ也可看作是向量空间W 的一个线性变换，用Wσ表示，即对于任意W ∈ξ，)()(ξσξσ=W若W ∉ξ，那么)(ξσW就没有意义. Wσ叫做σ在W 上的限制.三、不变子空间与线性变换的矩阵的关系设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，W 是σ的一个非平凡不变子空间.在W 中取一个基{}r 21,,,ααα ，把它扩充成V 的一个基},,,,,,{1r 21n r ααααα +，由于),,2,1()(r i W i =∈ασ，故可设r r a a a αααασ12211111)(+++= r r a a a αααασ22221212)(+++=…………r r a a a αααασr 2r 21r 1r )(+++=n r n a a a a ααααασ1,1r 1r 1r r 1r r 11r 11r )(++++++++++++= ，，，，…………n nn r n r r rn n n a a a a ααααασ+++++=++ 1,111)(因此，σ关于这个基的矩阵为,00002311,,11,11,111,1111⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++++++A A A a a a a a a a a a a a a nn r n n r r r rn r r rr r n r r这里1A 是Wσ关于W 的基{}r 21,,,ααα 的矩阵.如果V 可以分解成两个非平凡不变子空间1W 与2W 的直和,21W W V ⊕=那么选取1W 的一个基{}r 21,,,ααα 和2W 的一个基{}n 1,,αα +r ，凑成V 的一个基{}n r ααααα,,,,,,1r 21 +，当1W 和2W 都在σ下不变时，σ关于这个基的矩阵是⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=210A A A 这里1A 是r 阶矩阵，2A 是n-r 阶矩阵，它们分别是1W σ关于基{}r 21,,,ααα 的矩阵和2W σ关于基{}n 1,,αα +r 的矩阵.若V 可分解成s 个非平凡子空间s 21,,,W W W 的直和，并且每一i W 都是σ的不变子空间，那么在每一子空间中取一个基，凑成V 的基，σ关于这个基的矩阵就为分块对角形矩阵其中i A 是i W σ关于i W 的基的矩阵，.,2,1s i =如果能将V 分解成n 个在σ下不变的一维子空间的直和，那么σ在适当选取的基下的 矩阵就是对角矩阵. σ的一维不变子空间的问题与线性变换的本征值和本征向量有密切关系，我们将在下一节进行讨论.四、线性变换的值域与核定义2 设是向量空间的一个线性变换，由V 中全体向量的像构成的集合称为的值域，记作或；有零向量在之下的全体原像作成的集合称为的核，记作，即定理7.4.2 设σ是向量空间V 的线性变换，那么σm I 和σKer 是V 的子空间，并且在σ之下不变.证 先证σm I 是σ的不变子空间因为，σσm 0)0(,0I V ∈=∈，所以Φ≠m I .由于对任意σηξIm ,,∈∈F k ，存在V ∈βα,，使得)(),(βσηασξ==，而σβασβσασηξIm )()()(∈+=+=+，σασασξIm )()(∈==k k k因此σm I 是V 的子空间.任取σζIm ∈，当然σξσζIm )(,∈∈V .所以σm I 是σ的不变子空间.再证σKer 是σ的不变子空间.⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s 21A A A因为σKer ∈0，所以σKer 非空.对任意σβαKer F k ∈∈,,，有0)(,0)(==βσασ，于是0)()()(=+=+βσασβασ 0)()(==ασασk k即有,,σαβαKer k ∈+，所以σKer 是V 的子空间.由于σKer 中的向量在σ下的像都是零向量，因此σKer 是σ的不变子空间. 我们把σm I 的维数称为线性变换σ的秩，记作秩σ.把的维数称为线性变换的零度.定理7.4.3 设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，{}n 21,,,ααα 是V 的一个基，σ关于这个基的矩阵是A ，则(1) ))(,),(),((m 21n L I ασασασσ = (2) σ的秩等于A 的秩证 (1) σξm I ∈∀,存在n n a a a V αααηη+++=∈ 2211,，使得)(ησξ=. 于是))(,),(),(()()()()(212211n n n L a a a ασασασασασασησ ∈+++=故 ))(,),(),((Im 21n L ασασασσ ⊆又 σασασασIm ))(,),(),((21⊆n L ，所以(1)成立.(2) 由(1)知，(,),(),(())(,),(),((dim )dim(Im )(2121nn L ασασασασασασσσ 秩秩===而 A n n n ),,,())(,),(),((),,,(212121αααασασασααασ == 由定理5.2.14知,秩A n 秩=))(,),(),((21ασασασ ,所以A 秩秩=σ.定理7.4.4 设σ是n 维向量空间V 的一个线性变换，则n =+的零度秩σσ证 在V 中取定一个基{}n 21ααα，，， .设σ关于这个基的矩阵为A ，由定理7.4.3， σ的秩=秩A若σαααξKer a a a n n ∈+++= 2211，则0)(=ξσ.由于)(ξσ与0向量的坐标相同，即T T n A )0,,0,0(),,,(21 =ααα，因此ξ的坐标T n a a a ),,,(21 是齐次线性方程组⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00021n x x x A(1)的在n F 中的解向量.反之，对齐次线性方程组(1)的每个解向量T n b b b ),,,(21 来说,σαααKer b b b n n ∈+++ 2211.令σKer 的任一向量ξ与它的坐标对应,这就得到了F 上向量空间σKer 与(1)的在F 上的解空间W 的同构映射.因此σσ秩秩-n dim dim =-==A n W Ker故n =+的零度秩σσ例5 设{}4321αααα，，，是四维向量空间V 的一个基,线性变换σ关于这个基的矩阵为A ,并且⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2-12-255213121-121A求σ的值域与核.解 先求ker σ, 设ξ∈ker(σ), ξ关于{α1,α2,α3,α4}的坐标为(x 1, x 2, x 3,x 4), σ (ξ)在{α1,α2,α3,α4}下的坐标为(0, 0, 0, 0)，由定理7.4.4，有⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---2122552131211201 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛4321x x x x ＝⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0000解得该齐次线性方程组的基础解系为X 1＝(－2,－23,1,0), X 2＝(－1,－2,0,1).令 β1=－2α123-α2+α3 , β2=－α1－2α2+α4那么ker (σ)＝L (β1, β 2)，σ的零度=2 .再求Im σ. 由定理7.4.3，Im σ＝L (σ (α1), σ (α2), σ (α3), σ (α4)).而由定理7.4.4, σ的秩为2. 因此，{})(,)(,)(,)(4321ασασασασ的极大无关组含有两个向量，又σ (α1), σ (α2)线性无关，所以Im σ =L (σ (α1), σ (α2)).作 业：P332-333,习题七，第19，20，21，22，23，24，25，26题.教学小结本节内容分为下面四个问题讲： 1. 加法运算 2. 数乘运算3. 乘法运算(1). 乘法运算(2). 线性变换σ的方幂4. 可逆线性变换及线性变换可逆的充要条件本课作业本课教育评注。

不变子空间的交还是不变子空间证明【编号一】不变子空间的交与不变子空间的证明【引子】在线性代数中，矩阵的不变子空间是指在矩阵变换下保持不变的向量空间或子空间。

矩阵的不变子空间具有重要的数学和应用价值。

在本文中，我们将探讨不变子空间的交以及如何证明一个子空间是不变的。

【编号二】不变子空间的交要理解不变子空间的交，我们首先需要了解两个概念：矩阵的不变子空间和子空间的交。

（一）矩阵的不变子空间对于一个n×n矩阵A，如果存在一个非零向量v使得Av = λv，其中λ是一个标量，则向量v所张成的向量空间称为A的特征子空间或特征空间。

特征空间是A的一个不变子空间，因为矩阵A作用在特征空间上的结果仍然在特征空间中。

（二）子空间的交设V和W是一个线性空间的两个子空间，则V和W的交集V∩W是指同时属于V和W的所有向量构成的集合。

交集仍然是一个子空间。

在研究矩阵的不变子空间时，我们会遇到不变子空间的交。

当两个矩阵的不变子空间的交非空时，即存在一个向量同时属于这两个矩阵的不变子空间，我们称此向量属于这两个不变子空间的交。

【编号三】证明不变子空间如何证明一个子空间是不变的呢？下面，我们将介绍一种常见的证明方法：使用矩阵的性质和线性代数的基本定理。

（一）使用矩阵的性质对于一个矩阵A和一个子空间V，如果对于每个向量v∈V，都有Av∈V，则V是A的一个不变子空间。

这是因为矩阵A作用在不变子空间V上的结果仍然在V中。

（二）使用线性代数的基本定理根据线性代数的基本定理，任何一个m×n的矩阵A可以通过初等行变换化为行简化阶梯形矩阵R。

在行简化阶梯形矩阵中，非零行的每一行都有一个主元，而主元所在的列的其它元素都为零。

如果我们想证明一个子空间V是矩阵A的不变子空间，我们可以使用以下步骤：1. 选取子空间V的一组基向量{v₁, v₂, ..., vₖ}。

2. 将这组基向量按列排成矩阵B。

3. 计算AB，并得到矩阵R。

4. 观察R的形式，如果R中的每一列都满足主元所在列的其它元素都为零的条件，那么可以证明子空间V是矩阵A的不变子空间。

不变子空间.若当.最小多项式(简介)§7 不变子空间◎ 本节重点：不变子空间的定义与“限制”.已知可对角化对应于对角矩阵，但是并不是每个都能对角化的.退一步，对应于准对角形也好；虽然比对角形复杂，但也算简单.这个问题的研究需要用到不变子空间的概念.一、定义与例子1.定义：σ∈L(Vn)，W是σ的不变子空间⇔W是V的子空间，且∀ξ∈W,有σ(ξ)∈W.简称σ-子空间. （注意：与线性变换有关）2.例子：设σ∈L(Vn)，则下列子空间W都是σ的不变子空间： 1）W={0} 2）W=V 3）W=σ-1(0) 4）W=σ(V) 5）W=Vλ0={ξ∈V|σ(ξ)=λ0ξ}A与B是可交换的，则B的核与值域都是A-子空间. 二、线性变换在不变子空间上的“限制”1.定义：设W是σ∈L(Vn)的不变子空间，可只在W中考虑σ，记为σ|W.【意义】缩小了线性变换的范围，从而简化线性变换.因此，如果V可分解为若干σ-子空间Wi的直和，那么对V的线性变换σ的研究就归结为对各个子空间Wi的直和研究.2.区别：σ|W与σ的作用结果一样，但作用范围不同.即ξ∈W⇒(σ|W)ξ=σξ；ξ∉W⇒(σ|W)ξ无意义.三、不变子空间与线性变换矩阵化简之间的关系（意义）V=W1⊕W2⊕ ⊕Ws，设V可分解为若干个σ-子空间的直和：在每个不变子空间Wi中取基εi,εi, ,εi，i=1,2, s，并把他们合并为V的一组基，则在这组基下，σ的矩阵具有12k⎛A1准对角形⎝⎫⎪⎪，其中Ai，i=1,2, s是A|Wi在对应基下的矩阵. As⎪⎭进一步的，我们有： *四、不变子空间的直和分解定理12：设线性变换σ∈L(Vn)的特征多项式f(λ)可分解成一次因式：f(λ)=(λ-λ1)r(λ-λ2)r (λ-λS)r,则V可以分解成不变子空间的直和： 12SV=V1⊕V2⊕⊕Vs,其中Vi={ξ∈V|(σ-λiE)iξ=0}.r§8 若当（Jordan）标准形介绍若当（Jordan）标准形是一类特殊的准对角矩阵. 一、基本定义 1. 若当块⎛λ 1J(λ,t)=0 ⎝000 1000λ 00λ10⎫⎪0⎪⎪（λ是复数；注意对角元相同）⎪0⎪⎪λ⎭2. 若当形矩阵＝由若干个若当块（阶数未必相同、λ未必相同）组成（不计顺序）的准对角矩阵. （若当形矩阵中包括对角矩阵）【问题】若当形矩阵的特征值＝？.（若当块不计排列顺序）二、主要结论定理13：∀σ∈L(Vn(C))，在V中必定存在一组基，使σ在这组基下的矩阵式若当形矩阵. （这个若当形矩阵除去其中若当块的排列次序外，是被σ唯一决定的，它称为σ的若当标准形）若用矩阵来描述，即定理14：复数域上，每个方阵都相似于某个若当形矩阵.（好用的结论）三、若当标准形的求法（第八章介绍）【特例】若A可对角化，则若当标准形就是相似的对角矩阵.⎛0【第二届中国大学生数学竞赛预赛2019】设B= 00⎝100030⎫⎪2019⎪， 0⎪⎭证明X2=B无解，这里X为三阶复数矩阵.[证法]对复数矩阵，优先考虑它相似于某个Jordan矩阵这个性质，并联系特征值.§9 最小多项式介绍最小多项式有着良好的理论意义，特别是适用于对角化问题.已知Hamilton-Cayley定理：方阵A的特征多项式是A的零化多项式.要寻找其中次数最低的，这就是最小多项式的研究思路. 一、基本定义定义：ϕ(x)是方阵A的最小多项式⇔f(A)=0且ϕ(x)次数最低、首项系数为1. 例数量矩阵kE的最小多项式是二、基本性质引理1矩阵A的最小多项式必唯一. 证法带余除法引理2f(x)是A的零化多项式⇔f(x)是A的最小多项式ϕ(x)的倍式，即ϕ(x)|f(x). 【特例】最小多项式是特征多项式的因式. 证法带余除法⎛1例求A=⎝11⎫⎪2⎪的最小多项式. (x-1) 1⎪⎭【问题】相似矩阵有相同的最小多项式？⎛a 1例 k阶若当块J=⎝a1⎫⎪⎪⎪的最小多项式是⎪a⎪⎭k⨯k（直接计算，(x-a)k）三、主要结论定理数域P上矩阵A可对角化的充要条件是A的最小多项式是P上互素的一次因式的乘积. 推论复数域上A可对角化的充要条件是A的最小多项式无重根.例设A是n阶幂等矩阵，且秩为r.试求A的相似标准形，并说明理由；求2E-A. 解法：由A2=A知A有最小多项式g(λ)=λ2-λ=λ(λ-1)且无重根，所以A相似于对角矩阵，且特征值只能是1或0.又r(A)=r，故存在可逆矩阵P使P⎛ErAP= 0⎝02En-r⎛ErAP= 0⎝0⎫⎪. 0⎪⎭从而 P-1(2E-A)P=2E-P-1⎫n-r⎪⇒2E-A=2. ⎪⎭矩阵相似对角化的应用1.利用矩阵相似对角化计算矩阵多项式若矩阵A与B相似，则存在可逆矩阵P使得A=PBP进一步有：当ϕ(x)是多项式时，ϕ(A)=Pϕ(B)P-1.特例：当A相似于对角矩阵时，由Ak=PBkP-1容易计算方幂Ak. 2.求Fibonacci数列通项：an+2=an+1+an(a0=0,a1=1)⎛an+1⎫⎛1解法用矩阵形式表示递推关系式 a⎪⎪=⎝n⎭⎝1⎛1A= 1⎝-1，于是Ak=PBkP-1.1⎫⎛an⎫⎛1⎪ a⎪⎪= 0⎪⎭⎝n-1⎭⎝11⎫⎪0⎪⎭na⎝0⎫⎪⎪⎭'⎛⎫1⎫⎛λ11±51±5-1 ⎪⎪的特征值为λ1,2=，对应的特征向量为,1，PAP=⎪0⎪22⎭⎝⎝⎭⎫⎪λ2⎪⎭nn⎡⎛⎤⎫⎛⎫11+51-5n⎪- ⎪⎥. ⎢由此可求A，即得an=⎪ 2⎭2⎪5⎢⎝⎝⎭⎥⎣⎦3.利用矩阵相似对角化线性方程组【例】（人口流动问题）设某国人口流动状态的统计规律是每年有十分之一的城市人口流向农村，十分之二的农村人口流入城市.假定人口总数不变，则经过许多年以后，全国人口将会集中在城市吗？解设最初城市、农村人口分别为x0,y0，第k年末人口分别为xk,yk，则⎛x1⎫⎛0.9y⎪⎪=⎝1⎭⎝0.1⎛0.9记A= 0.1⎝0.2⎫⎛x0⎪⎪0.8⎭⎝y0⎛xk⎫⎛0.9⎫⎪，⎪ y⎪⎪= ⎝k⎭⎝0.1⎭0.2⎫⎛xk-1⎫⎪⎪⎪⎪0.8⎭⎝yk-1⎭x0.2⎫⎛xk⎫k⎛0⎫⎪⎪，可得⎪=A ⎪⎪⎪. 0.8⎭yy⎝k⎭⎝0⎭为计算Ak，可考虑把A相似对角化.特征多项式λE-A=(λ-1)(λ-0.7). λ=1对应的特征向量为α1=(2,1)'；λ=0.7对应的特征向量为α2=(1,-1)'取P=(α1,α2)= 1⎝k⎛21⎫1⎛1-1⎪ P=，得⎪-1⎭3⎝11⎫⎪⎪-2⎭A⎛1=P 0⎝0⎫1⎛2-1⎪P= 0.7⎪3⎝1⎭kk1⎫⎛1⎪ -1⎪⎭⎝00⎫⎛1⎪ k 0.7⎪⎭⎝11⎫⎪ -2⎪⎭1⎫1⎛2⎪= ⎪-2⎭3 ⎝22⎫⎪ 1⎪⎭k令k→∞，有0.7→0，得A1⎛2→3⎝11⎫⎛1⎪⎪-1⎭⎝00⎫⎛1⎪⎪0⎭⎝1⎛xk⎫1⎛2 ⎪ → 2 y⎪3⎝⎝k⎭⎛2⎫⎪2⎫⎛x0⎫3⎪⎪⎪=(x+y)00⎪⎪1⎭ 1⎪⎝y0⎭⎪⎝3⎭可见当k→∞时，城市与农村人口比例稳定在2:1.定理7：设A为实对称矩阵，则必存在正交矩阵T，使得T'AT=T-1AT为对角阵.（注意：对角元恰好是A的全体特征值）（常用于证明题）[证明思路]：利用对称变换的理论，等价于对称变换有n个特征向量作成标准正交基（见教材）.也可用数学归纳法，将实对称矩阵A用两次正交相似变换化为对角阵.证明：设σ在n维欧氏空间V的标准正交基下的矩阵是A，则σ是对称变换. n=1时，V=L(α)，取e1=α/α∈V，则σ(e1)∈V，有σ(e1)=ke1，e1即为所求. 设n-1时命题成立（含义？），考虑n的情形.设法把Vn分解成V1+Vn-1，才能使用归纳假设：1）σ对称−引理−−→σ有实数特征值λ1（才能保证特征向量α1∈V(R)，正交矩阵要求实数矩阵）；2）取e1=α1/1，则是实特征向量.设V1是L(e1)的正交补，则V1是σ-子空间，维数为n-1，．且σ|V是V1的对称变换.于是利用归纳假设，V1有n-1个特征向量e2, ,en 标准正交，联合1e1,e2, ,en即为V的特征向量、标准正交基.另证：直接从矩阵角度证明，数学归纳法：n=1显然. 设n-1时命题成立，A必有实数特征n值λ1（特征向量α1∈Rn），取e1=α1/α1，则也是实．特征向量.扩充成R的标准正交基e1,e2, ,en，以它们为列作n级矩阵T1，则T1正交，且T1'AT1=T1A(e1,e2, ,en)=T1(Ae1,Ae2, ,Aen)=(λ1T1e1,T1Ae2, ,T1Aen)-1-1-1-1-1注意到E=T1T1=T1(e1,e2, ,en)=(T1e1,T1e2, ,T1en)，故T1e1-1-1-1-1-1-1是E的第一列，于是T1'AT1形如⎛λ1⎝0C⎫⎪,而AB⎭对称，T1'AT1也对称，得C=0，且B是n-1级对称矩阵.λ2, ,λn)，取由归纳假设，存在n-1级正交矩阵Q，使得Q'BQ=dia(g1T2=⎛ 0⎝0⎫,T=T1T2Q⎪⎭⎛1T'AT=⎝可得T是正交矩阵，并且⎫⎛λ1⎪ Q'⎪⎭⎝⎫⎛1⎪ B⎪⎭⎝⎫⎪= =diag(λ1, ,λn)Q⎪⎭又T'AT=T-1AT与A相似，有相同的特征值，于是λ1, ,λn是A的全部特征值.《欧氏空间》复习一、主要概念1）内积 2）长度 3）夹角 4）正交 5）度量矩阵 6）标准正交基 7）正交矩阵 8）正交变换 9）正交补 10）对称变换 11）最小二乘法二、重要方法1.验证欧氏空间.[内积4条公理]2.利用内积计算长度、夹角；证明向量相等、长度关系式.3.求标准正交基.[可验证！先正交化再单位化，反之…错.]4.正交补的构造与求法.5.正交矩阵、正交变换、对称变换的应用与证明.[注意变换与矩阵的转化]6.求正交矩阵T，使得T'AT=T-1AT为对角阵.（可验证！注意区别第五、七章的方法）7.利用正交线性替换化实二次型为标准形. *8.求最小二乘解. 三、思考题1.什么是内积？欧氏空间的哪些概念与内积有关？（长度、夹角、正交、度量矩阵、标准正交基、同构、正交变换、对称变换、正交补）2.内积与标准正交基有何联系？ 3.标准正交基有何作用？ 4.如何构造子空间的正交补？5.正交矩阵、实对称矩阵各有哪些特点？6.正交变换、对称变换各有哪些特点和区别？四、例题选讲◎ A正定⇒A+E>1证1：A正定⇒特征值λi>0⇒A+E的特征值λi+1>1 于是A+E=(λ1+1)(λ2+1)(λn+1)>1⋅1 1=1 证2：A正定⇒T-1AT=diag(λ1, ,λn),λi>0A+E=Tdiag(λ1, ,λn)T-1+E=Tdiag(λ1+1, ,λn+1)T-1-1=T(λ1+1)(λ2+1) (λn+1)>1⋅1 1=1《期末总复习》一、考试题型填空、计算、证明、讨论或判断二、复习依据作业（习题集）、例题、课外提高三、各章主线 1.线性空间2.线性变换、运算、关于基的矩阵及变换问题的转化、不变子空间可验证）、结论、对角化判定及求可逆矩阵C3.Jordan标准形4.欧氏空间（注意：涉及的概念都与内积有关）(四条公理）、长度、夹角、标准正交基（求法，可验证）可验证）[可验证].区别第5章方法）四、注意事项1.几类矩阵的特点、区别与联系：……可逆矩阵、对称矩阵、合同矩阵、相似矩阵、正定矩阵、正交矩阵. 2.线性变换问题与矩阵问题的转化……线性空间（通过基）、欧氏空间（通过标准正交基） 3.可验证的几种计算类型特征值（迹）、特征向量（代入方程组）、标准正交基（两两正交、长度为1）、正交矩阵（行[或列]向量组标准正交，或A'A=E）。