§E3.26一般固有空間

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以下、KKを可換体、VVを有限次元KK-線形空間、T∈End⁡K(V)T\in\operatorname{End}_K(V)とし、n=dim⁡KVn=\dim_KVと置く。対角化することができない作用素では、固有空間の直和がVV全体に一致するとは限らない。一般固有空間は、T−λIT-\lambda Iを十分な回数だけ作用させると零になるベクトルも含める。特性多項式が一次因子へ分解する場合、一般固有空間は固有値ごとの一次分解を与える。

1 核の増大列

定義 1.1.KKを可換体、VVを有限次元KK-線形空間、T∈End⁡K(V)T\in\operatorname{End}_K(V)とし、n=dim⁡KVn=\dim_KVと置く。λ∈K\lambda\in Kに対し

Gλ(T)=ker⁡(T−λI)nG_\lambda(T)=\ker(T-\lambda I)^n

をλ\lambdaに対応する一般固有空間 (generalized eigenspace) という。

補題 1.2.KKを可換体、VVをnn次元KK-線形空間、N∈End⁡K(V)N\in\operatorname{End}_K(V)とする。増大列

ker⁡N⊆ker⁡N2⊆⋯\ker N\subseteq\ker N^2\subseteq\cdots

について、ker⁡Nk=ker⁡Nk+1\ker N^k=\ker N^{k+1}が一度成り立てば、それ以降の全ての核は等しい。特に、

ker⁡Nn=ker⁡Nn+1=⋯\ker N^n=\ker N^{n+1}=\cdots

である。

証明.ker⁡Nk=ker⁡Nk+1\ker N^k=\ker N^{k+1}と仮定する。x∈ker⁡Nk+2x\in\ker N^{k+2}ならNx∈ker⁡Nk+1=ker⁡NkNx\in\ker N^{k+1}=\ker N^kなので、Nk+1x=0N^{k+1}x=0である。したがってx∈ker⁡Nk+1x\in\ker N^{k+1}であり、逆の包含は常に成り立つからker⁡Nk+1=ker⁡Nk+2\ker N^{k+1}=\ker N^{k+2}となる。この議論を繰り返せば、それ以降の核は全て等しい。

ker⁡Nj⊊ker⁡Nj+1\ker N^j\subsetneq\ker N^{j+1}であるたびに次元は少なくとも11増える。次元はnn以下なので、nn番目までには等号が生じる。よってker⁡Nn\ker N^n以降は一定である。▨

命題 1.3.KKを可換体、VVを有限次元KK-線形空間、T∈End⁡K(V)T\in\operatorname{End}_K(V)、λ∈K\lambda\in Kとする。各k≥1k\ge1に対してker⁡(T−λI)k\ker(T-\lambda I)^kはTT-不変である。したがってGλ(T)G_\lambda(T)もTT-不変であり、T−λIT-\lambda IのGλ(T)G_\lambda(T)への制限は冪零である。

証明.TTと(T−λI)k(T-\lambda I)^kは可換する。x∈ker⁡(T−λI)kx\in\ker(T-\lambda I)^kなら

(T−λI)kTx=T(T−λI)kx=0(T-\lambda I)^kTx=T(T-\lambda I)^kx=0

なので、TxTxも同じ核に属する。特にGλ(T)G_\lambda(T)は不変であり、その上では(T−λI)n=0(T-\lambda I)^n=0である。▨

2 固有値ごとの直和分解

定理 2.1.KKを可換体、VVを有限次元KK-線形空間、T∈End⁡K(V)T\in\operatorname{End}_K(V)とする。TTの特性多項式が

χT(t)=∏i=1r(t−λi)ai\chi_T(t)=\prod_{i=1}^r(t-\lambda_i)^{a_i}

とK[t]K[t]で分解するとする。ここでλ1,…,λr\lambda_1,\ldots,\lambda_rは相異なり、ai≥1a_i\ge1である。このとき

V=Gλ1(T)⊕⋯⊕Gλr(T)V=G_{\lambda_1}(T)\oplus\cdots\oplus G_{\lambda_r}(T)

であり、

dim⁡KGλi(T)=ai\dim_KG_{\lambda_i}(T)=a_i

が各iiについて成り立つ。

証明. 最小多項式は特性多項式を割り、§E3.22 定理 2.1により両者の根は一致するので、正整数eie_iを用いて

mT(t)=∏i=1r(t−λi)ei,1≤ei≤aim_T(t)=\prod_{i=1}^r(t-\lambda_i)^{e_i},\qquad 1\le e_i\le a_i

と書くことができる。§E3.23 定理 1.1により

V=⨁i=1rker⁡(T−λiI)ei.V=\bigoplus_{i=1}^r\ker(T-\lambda_i I)^{e_i}.

この直和の第jj成分ではT=λjI+NjT=\lambda_jI+N_jと書け、Njej=0N_j^{e_j}=0である。j≠ij\ne iなら

T−λiI=(λj−λi)(I+Njλj−λi)T-\lambda_iI=(\lambda_j-\lambda_i) \left(I+\frac{N_j}{\lambda_j-\lambda_i}\right)

であり、括弧内の逆写像は有限幾何級数で与えられる。したがってT−λiIT-\lambda_iIは第jj成分上で可逆である。一方、第ii成分上では(T−λiI)ei=0(T-\lambda_iI)^{e_i}=0である。よってk≥eik\ge e_iに対して

ker⁡(T−λiI)k=ker⁡(T−λiI)ei.\ker(T-\lambda_i I)^k=\ker(T-\lambda_i I)^{e_i}.

ei≤ai≤ne_i\le a_i\le nなので、右辺はGλi(T)G_{\lambda_i}(T)である。これにより、表示した一般固有空間の直和分解を得る。

次元を求める。Wi=Gλi(T)W_i=G_{\lambda_i}(T)、Ni=(T−λiI)∣WiN_i=(T-\lambda_i I)|_{W_i}と置くとNiN_iは冪零である。冪零指数をqqとすれば

(I−sNi)−1=I+sNi+⋯+sq−1Niq−1(I-sN_i)^{-1}=I+sN_i+\cdots+s^{q-1}N_i^{q-1}

がK[s]K[s]上で成り立つ。したがってdet⁡(I−sNi)\det(I-sN_i)はK[s]K[s]の単元であり、s=0s=0での値が11なので恒等的に11である。di=dim⁡Wid_i=\dim W_iとすると

χT∣Wi(t)=det⁡((t−λi)I−Ni)=(t−λi)di.\chi_{T|_{W_i}}(t) =\det\bigl((t-\lambda_i)I-N_i\bigr) =(t-\lambda_i)^{d_i}.

直和に適合する基底ではTTの行列はブロック対角形であるから

χT(t)=∏i=1rχT∣Wi(t)=∏i=1r(t−λi)di.\chi_T(t)=\prod_{i=1}^r\chi_{T|_{W_i}}(t) =\prod_{i=1}^r(t-\lambda_i)^{d_i}.

相異なる一次因子の指数を比較してdi=aid_i=a_iを得る。▨

直和分解により、一般の作用素を固有値ごとの作用素へ分けることができる。各成分上の作用素は

T∣Gλ(T)=λI+NλT|_{G_\lambda(T)}=\lambda I+N_\lambda

と書け、NλN_\lambdaは冪零である。後続の記事では、この冪零部分の構造を調べる。

3 計算例

例 3.1 (固有空間では足りない例).V=C3V=\mathbb C^3とし、

A=(210020002)A= \begin{pmatrix} 2&1&0\\ 0&2&0\\ 0&0&2 \end{pmatrix}

とする。固有値22の代数的重複度は33である。一方、

A−2I=(010000000)A-2I= \begin{pmatrix} 0&1&0\\ 0&0&0\\ 0&0&0 \end{pmatrix}

なので

ker⁡(A−2I)=span⁡(e1,e3)\ker(A-2I)=\operatorname{span}(e_1,e_3)

は二次元である。しかし(A−2I)2=0(A-2I)^2=0であるから

G2(A)=ker⁡(A−2I)3=C3.G_2(A)=\ker(A-2I)^3=\mathbb C^3.

一般固有空間の次元は代数的重複度33と一致する。

例 3.2 (射影作用素の構成).

A=(2100020000200015)A= \begin{pmatrix} 2&1&0&0\\ 0&2&0&0\\ 0&0&2&0\\ 0&0&1&5 \end{pmatrix}

とする。特性多項式は(t−2)3(t−5)(t-2)^3(t-5)である。

f1(t)=t−5,f2(t)=(t−2)3f_1(t)=t-5,\qquad f_2(t)=(t-2)^3

に対し、

g1(t)=−t2+t−727,g2(t)=127g_1(t)=\frac{-t^2+t-7}{27},\qquad g_2(t)=\frac1{27}

と置くと、直接展開することにより

g1f1+g2f2=1g_1f_1+g_2f_2=1

を確認することができる。一次分解の射影作用素

P1=g1(A)f1(A),P2=g2(A)f2(A)P_1=g_1(A)f_1(A),\qquad P_2=g_2(A)f_2(A)

は

P1=(10000100001000−130),P2=(00000000000000131)P_1= \begin{pmatrix} 1&0&0&0\\ 0&1&0&0\\ 0&0&1&0\\ 0&0&-\frac13&0 \end{pmatrix}, \qquad P_2= \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\ 0&0&0&0\\ 0&0&0&0\\ 0&0&\frac13&1 \end{pmatrix}

となる。行列積を計算すると

P1+P2=I,Pi2=Pi,P1P2=P2P1=0P_1+P_2=I,\qquad P_i^2=P_i,\qquad P_1P_2=P_2P_1=0

である。さらにrank⁡P1=3\operatorname{rank}P_1=3、rank⁡P2=1\operatorname{rank}P_2=1なので、それぞれの像がG2(A)G_2(A)とG5(A)G_5(A)を与える。

4 演習

問題 4.1 (核の段階とブロックの情報). 上の三次行列について

dim⁡ker⁡(A−2I)=2,dim⁡ker⁡(A−2I)2=3\dim\ker(A-2I)=2,\qquad \dim\ker(A-2I)^2=3

である。第一の次元だけでは空間全体を分解することができないが、第二段階で核が全空間に達する。この差は、固有値22に対して長さが22の冪零鎖が存在することを表す。

参考文献

  1. Kenneth Hoffman and Ray Kunze, Linear Algebra, 2nd ed., Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1971.一般固有空間と一次分解の関係を参考にした。
  2. Steven Roman, Advanced Linear Algebra, 3rd ed., Graduate Texts in Mathematics, Springer, New York, 2008.核の増大列と一般固有空間分解を参考にした。

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