קוד:קריטריון ללכסינות על ידי הריבויים

מתוך Math-Wiki
גרסה מ־20:16, 4 באוקטובר 2014 מאת ארז שיינר (שיחה | תרומות) (3 גרסאות יובאו)
(הבדל) → הגרסה הקודמת | הגרסה האחרונה (הבדל) | הגרסה הבאה ← (הבדל)
הגרסה להדפסה אינה נתמכת עוד וייתכן שיש בה שגיאות תיצוג. נא לעדכן את הסימניות בדפדפן שלך ולהשתמש בפעולת ההדפסה הרגילה של הדפדפן במקום זה.

כעת נמצא קריטריון ללכסינות, המסתמך על הריבויים האלגברי והגיאומטרי של הערכים העצמיים של המטריצה )או האופרטור(. ניזכר בדוגמה של בלוק ז'ורדן; הוא לא היה לכסין, מפני שלא היו מספיק וקטורים עצמיים הקשורים לערך העצמי $\lambda$. אם כן, נרצה שלכל ערך עצמי יהיו מספיק וקטורים עצמיים, ואת זאת נביע במשפט הבא:

\begin{thm}

נניח ש-$p_A\left(x\right)$ מתפרק למכפלה של גורמים לינאריים. אזי $A$ לכסינה אם ורק אם לכל ע"ע $\lambda$ של $A$, הריבוי הגיאומטרי $m_\lambda$ שווה לריבוי האלגברי $k_\lambda$.

\end{thm}

\begin{proof}

\begin{description}

\item[$\boxed{\Leftarrow}$] נניח ש-$A$ לכסינה. אזי למרחב $\mathbb{F}^n$ יש בסיס $B=\left\{v_1,\dots,v_n\right\}$ המורכב מו"ע של $A$. נחלק את $B$ ל-$s$ תתי קבוצות, לפי הע"ע השונים $\lambda_1,\dots,\lambda_s$, ונסמנן $B_1,\dots,B_s$. לכל $\lambda_i$ נסמן ב-$m_i$ את הריבוי הגיאומטרי שלו וב-$k_i$ את הריבוי האלגברי שלו. נתבונן בסכום $m_1+\cdots+m_s=?$. מתקיים $$m_1+\cdots+m_s=\dim V_{\lambda_1}+\cdots+\dim V_{\lambda_s}\ge\left|B_1\right|+\cdots+\left|B_s\right|=n$$ מצד שני, $k_1+\cdots+k_s=\deg p_A\left(x\right)=n$.

כמו כן, $k_i\ge m_i$ לכל $i=1,\dots,s$.

אם כן, עד כה ידוע כי $n=k_1+\cdots+k_s\ge m_1+\cdots+m_s=n$. לכן, $$k_1+\cdots+k_s=m_1+\cdots+m_s$$ ומכאן שמתקיים $k_1=m_1,\dots,k_s=m_s$, כדרוש.

\item[$\boxed{\Rightarrow}$] נניח שלכל $i=1,\dots,s$ (לפי הסימונים הקודמים), $m_i=k_i$, ונוכיח ש-$A$ לכסינה. כדי לעשות זאת, נוכיח של-$\mathbb{F}^n$ קיים בסיס המורכב מו"ע של $A$.

מההנחה $m_i=k_i$, נקבל $m_1+\cdots+m_s=k_1+\cdots+k_s=n$. לכל $\lambda_i$ עבור $i=1,\dots,s$, נתבונן במרחב העצמי $V_{\lambda_i}$. מתקיים $m_i=\dim V_{\lambda_i}$.

לכל $i=1,\dots,s$ נבנה בסיס $B_i$ של $V_{\lambda_i}$. אזי $\left|B_1\right|=m_1,\dots,\left|B_s\right|=m_s$.

נגדיר $B=\bigcup_{j=1}^sB_j$, ונוכיח ש-$B$ הוא הבסיס הנדרש. $B$ מורכב מו"ע, על פי הבנייה.

נסמן $B_1=\left \{ v_1^{\left ( 1 \right )},\dots,v_1^{\left(m_1 \right )} \right \},\dots,B_s=\left \{ v_s^{\left ( 1 \right )},\dots,v_s^{\left(m_s \right )} \right \}$. אזי $$\left|B\right|=m_1+\cdots+m_s=n$$

לכן, מספיק להוכיח ש-$B$ בת"ל. ניקח צירוף לינארי מתאפס של איברי הקבוצה $B$: $$\left(\star\right)\quad\underbrace{\alpha_1^{\left(1 \right )}v_1^{\left(1 \right )}+\cdots+\alpha_1^{\left(m_1 \right )}v_1^{\left(m_1 \right )}}_{w_1}+\cdots+\underbrace{\alpha_s^{\left(1 \right )}v_s^{\left(1 \right )}+\cdots+\alpha_s^{\left(m_s \right )}v_s^{\left(m_s \right )}}_{w_s}=0$$ אזי $w_1+\cdots+w_s=0$, וכן לכל $i=1,\dots,s$, מתקיים $w_i\in V_{\lambda_i}$, כלומר כל $w_i$ הוא ו"ע של $A$ הקשור ל-$\lambda$ או אפס.

אם $w_i=0$, אזי $\alpha_i^{\left(1 \right )}v_i^{\left(1 \right )}+\cdots+\alpha_i^{\left(m_i \right )}v_i^{\left(m_i \right )}=0$. לכן, אם כל $w_i=0$, אז כל המקדמים בשוויון $\left(\star\right)$ שווים לאפס, וסיימנו.

נניח בשלילה שיש כמה אינדקסים $i$ שעבורם $w_i\neq 0$. אזי $w_i$-ים אלו הם ו"ע הקשורים ל-$\lambda_i$. נסמן ב-$I$ את אוסף כל האינדקסים הנ"ל, ונקבל $\sum_{i\in I}w_i=0$, בסתירה לבת"ל של ו"ע הקשורים לע"ע שונים. הסתירה מוכיחה את הדרוש.

\end{proof}