'''[[קשר בין לכסינות לבין הפולינום המינימלי|פתרון]]'''
===שאלת הבונוס===
תהי <math>A \in \mathbb{C}^{n}</math> הפיכה, ונתון ש <math>A^2</math> לכסינה. הוכח ש<math>A</math> לכסינה.
יש פותרים לשאלת הבונוס. השאלה נפתרה בשני דרכים עיקריות:
'''1.'''
<math>P_{A^2}</math> מתפרק לגורמים לינאריים כי אנחנו מעל המרוכבים. לכן <math>P_{A^2}=(x-\lambda_1)\cdots(x-\lambda_k)</math>. המטריצה <math>A</math> הפיכה ולכן גם <math>A^2</math> הפיכה, ולכן אין לה ע"ע אפס (לפי משפט). לכן לכל <math>\lambda_i</math> קיימים שני שורשים <math>\pm\alpha_i</math> כך ש<math>\alpha_i^2=\lambda_i</math>.
<math>P_{A^2}(A^2)=0</math> כלומר לכן
<math>0=P_{A^2}(A^2)=(A^2-\alpha_1^2)\cdots(A^2-\alpha_k^2)=(A-\alpha_1)(A+\alpha_1)\cdots(A-\alpha_k)(A+\alpha_k)=0</math>.
נסמן <math> g=(x-\alpha_1)(x+\alpha_1)\cdots(x-\alpha_k)(x+\alpha_k)</math> וקבלנו ש<math>g(A)=0</math> ולכן הפולינום המינימלי של <math>A</math> מחלק את <math>g(A)</math>. אבל <math>g</math> מכיל גורמים לינאריים בלבד ולכן גם הפולינום המינימלי של <math>A</math> מכיל גורמים לינאריים בלבד (שימו לב, אם אפס היה ע"ע אז היה גורם <math>x^2</math> לא לינארי). ולכן ולפי משפט (ראה תיקון/השלמה שנייה) <math>A</math> לכסינה.
'''2.'''
אנחנו מעל המרוכבים אז לכל מטריצה יש צורת ז'ורדן. תהיי <math>J</math> צורת הז'ורדן של <math>A</math>. אזי <math>A=P^{-1}JP</math>, נעלה בריבוע ונקבל <math>A^2=P^{-1}J^2P</math>כלומר <math>A^2</math> ו <math>J^2</math> דומות.
נניח בשלילה ש<math>A</math> לא לכסינה ונוכיח שנובע ש<math>J^2</math> לא לכסינה וזו סתירה לכך ש<math>A^2</math> לכסינה.
<math>J</math> היא סכום ישר של בלוקים, ולכן <math>J^2</math> היא סכום ישר של הבלוקים של <math>J</math> בריבוע. הנחנו ש<math>A</math> לא לכסינה, לכן בצורת הז'ורדן שלה <math>J</math> יש בלוק בגודל גדול או שווה ל2 (אחרת כל הבלוקים בגודל אחד וזו מטריצה אלכסונית).
נניח <math>J_r(\lambda)</math> בלוק ז'ורדן ב<math>J</math> כך ש<math>r\geq 2</math>. מכיוון ש<math>A</math> הפיכה אין לה ע"ע אפס! ולכן <math>\lambda \neq 0</math>. לכן בהכרח (תרגיל) <math>J_r(\lambda)^2</math> מכיל איברים שאינם אפסים מעל האלכסון, והאלכסון שלו מכיל את <math>\lambda^2</math>. ולכן <math>rank(J_r(\lambda)^2-\lambda^2I)>0</math>. לכן יש ל <math>J_r(\lambda)^2</math> פחות מ <math>r</math> וקטורים עצמיים בת"ל.
לפי משפט, כמות הוקטורים העצמיים הבת"ל של מטריצה שהיא סכום ישר של מטריצות, היא סכום כמויות הוקטורים העצמיים הבת"ל בכל אחת מן המטריצות. זה נכון כי <math>rank(A\oplus B)=rankA+rankB</math>. אבל הראנו שיש בסכום הישר של המטריצה <math>J^2</math> את הבלוק <math>J_r(\lambda)^2</math> שתורם פחות מ <math>r</math> וקטורים עצמיים בת"ל. ולכן לכל המטריצה <math>J^2</math> יש פחות מ<math>n</math> וקטורים עצמיים בת"ל, ולכן היא לא לכסינה. סתירה.