Алгебра phys 1 апрель–май — различия между версиями
Goryachko (обсуждение | вклад) |
Goryachko (обсуждение | вклад) |
||
Строка 30: | Строка 30: | ||
<ul><li><math>C</math> — независимое мн.-во относит.-но <math>U</math>: <math>\forall\,f\in\mathrm{FinFunc}(C,K)\;\bigl(\sum_{c\in C}f(c)\,c\in U\,\Rightarrow f=0\bigr)</math>. <math>D</math> — порождающее мн.-во относит.-но <math>U</math>: <math>V=U+\langle D\rangle</math>. | <ul><li><math>C</math> — независимое мн.-во относит.-но <math>U</math>: <math>\forall\,f\in\mathrm{FinFunc}(C,K)\;\bigl(\sum_{c\in C}f(c)\,c\in U\,\Rightarrow f=0\bigr)</math>. <math>D</math> — порождающее мн.-во относит.-но <math>U</math>: <math>V=U+\langle D\rangle</math>. | ||
<li>Базис в <math>V</math> относительно <math>U</math> — независ. и порожд. подмн.-во в <math>V</math> относительно <math>U</math>. Три теоремы об относительных базисах (без подробных доказательств). | <li>Базис в <math>V</math> относительно <math>U</math> — независ. и порожд. подмн.-во в <math>V</math> относительно <math>U</math>. Три теоремы об относительных базисах (без подробных доказательств). | ||
− | <p><u>Теорема 1 об относительных базисах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — вект. пр.-во над <math>K</math>, <math>U\le V</math> и <math> | + | <p><u>Теорема 1 об относительных базисах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — вект. пр.-во над <math>K</math>, <math>U\le V</math> и <math>E\subseteq V</math>; тогда следующие утверждения эквивалентны:<br>(у1) <math>E</math> — базис пространства <math>V</math> относительно <math>U</math>;<br>(у2) <math>E</math> — независимое множество и <math>V=U\oplus\langle E\rangle</math>;<br>(у3) для любого вектора <math>v\in V</math> существуют единственные такие <math>u\in U</math> и <math>f\in\mathrm{FinFunc}(E,K)</math>, что <math>v=u+\sum_{e\in E}f(e)\,e</math>;<br>(у4) <math>E</math> — максимальное независимое множество относительно <math>U</math>;<br>(у5) <math>E</math> — минимальное порождающее множество относительно <math>U</math>.</i><br> |
<u>Теорема 2 об относительных базисах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math> и <math>U\le V</math>; тогда<br>(1) любое независимое подмножество в <math>V</math> относительно <math>U</math> можно дополнить до базиса в <math>V</math> относительно <math>U</math>;<br>(2) из любого порождающего подмножества в <math>V</math> относительно <math>U</math> можно выделить базис в <math>V</math> относительно <math>U</math>.</i><br> | <u>Теорема 2 об относительных базисах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math> и <math>U\le V</math>; тогда<br>(1) любое независимое подмножество в <math>V</math> относительно <math>U</math> можно дополнить до базиса в <math>V</math> относительно <math>U</math>;<br>(2) из любого порождающего подмножества в <math>V</math> относительно <math>U</math> можно выделить базис в <math>V</math> относительно <math>U</math>.</i><br> | ||
− | <u>Теорема 3 об относительных базисах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>U'\le U\le V</math>, <math> | + | <u>Теорема 3 об относительных базисах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>U'\le U\le V</math>, <math>E</math> — базис в <math>V</math> относительно <math>U</math> и<br><math>E'</math> — базис в <math>U</math> относительно <math>U'</math>; тогда <math>E\cap E'=\varnothing</math> и <math>E\cup E'</math> — базис в <math>V</math> относительно <math>U'</math>.</i></p> |
<li><u>Теорема об относительно независимых подмножествах в ядрах степеней линейного оператора.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — вект. простр.-во над полем <math>K</math> и<br><math>a\in\mathrm{End}(V)</math>, а также <math>j\in\mathbb N</math>, <math>V_{j-1}=\mathrm{Ker}\,a^{j-1}</math>, <math>V_j=\mathrm{Ker}\,a^j</math> и <math>V_{j+1}=\mathrm{Ker}\,a^{j+1}</math>; тогда<br>(1) если <math>C</math> — независимое подмножество в <math>V_{j+1}</math> относит.-но <math>V_j</math>, то <math>a|_C</math> — инъекция и <math>a(C)</math> — независимое подмножество в <math>V_j</math> относит.-но <math>V_{j-1}</math>;<br>(2) если <math>\dim V<\infty</math>, то <math>\dim V_j-\dim V_{j-1}\ge\dim V_{j+1}-\dim V_j</math>.</i> | <li><u>Теорема об относительно независимых подмножествах в ядрах степеней линейного оператора.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — вект. простр.-во над полем <math>K</math> и<br><math>a\in\mathrm{End}(V)</math>, а также <math>j\in\mathbb N</math>, <math>V_{j-1}=\mathrm{Ker}\,a^{j-1}</math>, <math>V_j=\mathrm{Ker}\,a^j</math> и <math>V_{j+1}=\mathrm{Ker}\,a^{j+1}</math>; тогда<br>(1) если <math>C</math> — независимое подмножество в <math>V_{j+1}</math> относит.-но <math>V_j</math>, то <math>a|_C</math> — инъекция и <math>a(C)</math> — независимое подмножество в <math>V_j</math> относит.-но <math>V_{j-1}</math>;<br>(2) если <math>\dim V<\infty</math>, то <math>\dim V_j-\dim V_{j-1}\ge\dim V_{j+1}-\dim V_j</math>.</i> | ||
<li>Прямая сумма матриц: <math>a\oplus b</math>. Диаграммы Юнга. Жорданов блок: <math>\mathrm{jb}_\Delta(c)=\mathrm{jc}_{n_1}\!(c)\oplus\ldots\oplus\mathrm{jc}_{n_r}\!(c)</math>, где <math>n_1,\ldots,n_r</math> — длины строк диаграммы Юнга <math>\Delta</math>. | <li>Прямая сумма матриц: <math>a\oplus b</math>. Диаграммы Юнга. Жорданов блок: <math>\mathrm{jb}_\Delta(c)=\mathrm{jc}_{n_1}\!(c)\oplus\ldots\oplus\mathrm{jc}_{n_r}\!(c)</math>, где <math>n_1,\ldots,n_r</math> — длины строк диаграммы Юнга <math>\Delta</math>. | ||
Строка 70: | Строка 70: | ||
<math>\mathfrak{su}(n)=\mathfrak{sl}(n,\mathbb C)\cap\mathfrak u(n)</math>. | <math>\mathfrak{su}(n)=\mathfrak{sl}(n,\mathbb C)\cap\mathfrak u(n)</math>. | ||
<li>Утверждение: <i><math>\mathrm e^{\mathfrak{gl}(n,K)}\!\subseteq\mathrm{GL}(n,K)</math> и <math>\mathrm e^{\mathfrak{sl}(n,K)}\!\subseteq\mathrm{SL}(n,K)</math> (здесь <math>K=\mathbb R</math> или <math>K=\mathbb C</math>), а также <math>\mathrm e^{\mathfrak o(n)}\!=\mathrm e^{\mathfrak{so}(n)}\!\subseteq\mathrm{SO}(n)</math>, <math>\mathrm e^{\mathfrak u(n)}\!\subseteq\mathrm U(n)</math>, <math>\mathrm e^{\mathfrak{su}(n)}\!\subseteq\mathrm{SU}(n)</math></i>. | <li>Утверждение: <i><math>\mathrm e^{\mathfrak{gl}(n,K)}\!\subseteq\mathrm{GL}(n,K)</math> и <math>\mathrm e^{\mathfrak{sl}(n,K)}\!\subseteq\mathrm{SL}(n,K)</math> (здесь <math>K=\mathbb R</math> или <math>K=\mathbb C</math>), а также <math>\mathrm e^{\mathfrak o(n)}\!=\mathrm e^{\mathfrak{so}(n)}\!\subseteq\mathrm{SO}(n)</math>, <math>\mathrm e^{\mathfrak u(n)}\!\subseteq\mathrm U(n)</math>, <math>\mathrm e^{\mathfrak{su}(n)}\!\subseteq\mathrm{SU}(n)</math></i>. | ||
− | <li>Теорема Кэли для алгебр Ли. Изоморфизмы <math>\mathbb R</math>-алгебр Ли: <math>\Biggl(\!\begin{align}\mathbb R^3\!&\to\mathfrak{so}(3)\\\beta\ | + | <li>Теорема Кэли для алгебр Ли. Изоморфизмы <math>\mathbb R</math>-алгебр Ли: <math>\Biggl(\!\begin{align}\mathbb R^3\!&\to\mathfrak{so}(3)\\\biggl(\begin{smallmatrix}\beta\\\gamma\\\delta\end{smallmatrix}\biggr)\!&\mapsto\!\biggl(\begin{smallmatrix}0&-\delta&\gamma\\\delta&0&-\beta\\-\gamma&\beta&0\end{smallmatrix}\biggr)\end{align}\!\Biggr)</math>, <math>\Biggl(\!\begin{align}\mathbb R^3\!&\to\mathbb H_\mathrm{vect}\\\biggl(\begin{smallmatrix}\beta\\\gamma\\\delta\end{smallmatrix}\biggr)\!&\mapsto{\textstyle\frac12}(\beta\,\mathrm i+\gamma\,\mathrm j+\delta\,\mathrm k)\end{align}\!\Biggr)</math> и <math>\Biggl(\!\begin{align}\mathbb R^3\!&\to\mathfrak{su}(2)\\\biggl(\begin{smallmatrix}\beta\\\gamma\\\delta\end{smallmatrix}\biggr)\!&\mapsto{\textstyle\frac12}\Bigl(\begin{smallmatrix}\beta\,\mathrm i&\gamma+\delta\,\mathrm i\\-\gamma+\delta\,\mathrm i&-\beta\,\mathrm i\end{smallmatrix}\Bigr)\end{align}\!\Biggr)</math>. |
<p><u>Теорема Кэли для алгебр Ли.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле и <math>\mathfrak g</math> — <math>K</math>-алгебра Ли; обозначим через <math>{}_K\mathfrak g</math> векторное пространство над полем <math>K</math>, получающееся<br>из алгебры <math>\mathfrak g</math> при «забывании» умножения в этой алгебре; тогда<br>(1) для любых <math>a\in\mathfrak g</math>, обозначая через <math>\mathrm{ad}_a</math> отображение <math>\biggl(\!\begin{align}\mathfrak g&\to\mathfrak g\\b&\mapsto[a,b]\end{align}\!\biggr)</math>, имеем следующий факт: <math>\mathrm{ad}_a</math> — линейный оператор (то есть <math>\mathrm{ad}_a\!\in\mathfrak{gl}({}_K\mathfrak g)</math>);<br>(2) отображение <math>\biggl(\!\begin{align}\mathfrak g&\to\mathfrak{gl}({}_K\mathfrak g)\\a&\mapsto\mathrm{ad}_a\end{align}\!\biggr)</math> — гомоморфизм алгебр Ли.</i></p> | <p><u>Теорема Кэли для алгебр Ли.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле и <math>\mathfrak g</math> — <math>K</math>-алгебра Ли; обозначим через <math>{}_K\mathfrak g</math> векторное пространство над полем <math>K</math>, получающееся<br>из алгебры <math>\mathfrak g</math> при «забывании» умножения в этой алгебре; тогда<br>(1) для любых <math>a\in\mathfrak g</math>, обозначая через <math>\mathrm{ad}_a</math> отображение <math>\biggl(\!\begin{align}\mathfrak g&\to\mathfrak g\\b&\mapsto[a,b]\end{align}\!\biggr)</math>, имеем следующий факт: <math>\mathrm{ad}_a</math> — линейный оператор (то есть <math>\mathrm{ad}_a\!\in\mathfrak{gl}({}_K\mathfrak g)</math>);<br>(2) отображение <math>\biggl(\!\begin{align}\mathfrak g&\to\mathfrak{gl}({}_K\mathfrak g)\\a&\mapsto\mathrm{ad}_a\end{align}\!\biggr)</math> — гомоморфизм алгебр Ли.</i></p> | ||
<li>Алгебра дифференцирований <math>K</math>-алгебры <math>A</math>: <math>\mathrm{Der}(A)=\{d\in\mathfrak{gl}({}_K\!A)\mid\forall\,a,b\in A\;\bigl(d(a\,b)=d(a)\,b+a\,d(b)\bigr)\}</math> — подалгебра алгебры Ли <math>\mathfrak{gl}({}_K\!A)</math>. | <li>Алгебра дифференцирований <math>K</math>-алгебры <math>A</math>: <math>\mathrm{Der}(A)=\{d\in\mathfrak{gl}({}_K\!A)\mid\forall\,a,b\in A\;\bigl(d(a\,b)=d(a)\,b+a\,d(b)\bigr)\}</math> — подалгебра алгебры Ли <math>\mathfrak{gl}({}_K\!A)</math>. | ||
<li>Пример: пусть <math>M</math> — открытое подмножество в <math>\mathbb R^n</math> и <math>v\in\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R^n)</math>; тогда <math>\Biggl(\begin{align}\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R)&\to\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R)\\f&\mapsto\sum_{i=1}^nv^i\frac{\partial f}{\partial x^i}\end{align}\Biggr)</math> — дифференцирование алгебры <math>\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R)</math>.</ul> | <li>Пример: пусть <math>M</math> — открытое подмножество в <math>\mathbb R^n</math> и <math>v\in\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R^n)</math>; тогда <math>\Biggl(\begin{align}\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R)&\to\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R)\\f&\mapsto\sum_{i=1}^nv^i\frac{\partial f}{\partial x^i}\end{align}\Biggr)</math> — дифференцирование алгебры <math>\mathrm C^\infty\!(M,\mathbb R)</math>.</ul> |
Версия 00:30, 19 апреля 2017
2 Линейная алгебра
2.3 Линейные операторы (часть 2)
2.3.1 Многочлены от линейных операторов, спектр и характеристический многочлен линейного оператора
- Эвалюация — гомоморфизм. Кольцо, порожденное лин. оператором : .
- Минимальный многочлен лин. оператора : , нормирован, ; .
- Теорема о ядрах многочленов от линейного оператора. Пусть — поле, — векторное пространство над полем и ; тогда
(1) если , то (то есть — -инвариантное подпространство);
(2) если и делит , то ;
(3) если , и многочлены попарно взаимно просты, то
(и, значит, ). - Проектор (идемпотент): . Отражение: (здесь ).
- Собственные число и вектор лин. операт. : . Спектр лин. операт. : . Лемма о спектре.
Лемма о спектре. Пусть — поле, — векторное простр.-во над полем и ; тогда
и, если , то "" можно заменить на "". - Характеристический многочлен матрицы : . Характеристический многочлен лин. оператора : . Корректность опред.-я.
- След линейного оператора : . Корректность определения. Теорема о спектре и характеристическом многочлене. Теорема Гамильтона–Кэли.
Теорема о спектре и характеристическом многочлене. Пусть — поле, — вект. простр.-во над полем , и ; тогда
(1) (и, значит, );
(2) ;
(3) если (то есть — нильпотентный линейный оператор), то .Теорема Гамильтона–Кэли. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда .
- Кратности: (алгебраич. кратность), . Теорема о минимальном многочлене.
Теорема о минимальном многочлене. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда
(1) делит (и, значит, для любых выполнено );
(2) .
2.3.2 Собственные, обобщенные собственные и корневые подпространства линейного оператора
- Собственные подпространства: ; геометрическая кратность: . Лемма о собственных подпространствах.
Лемма о собственных подпространствах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , , , и
попарно различны; тогда
(1) ;
(2) если и — независимые множества, то — независимое множество;
(3) если , то для любых выполнено . - Теорема о диагонализуемых линейных операторах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда
следующие утверждения эквивалентны:
(у1) существует такой упорядоченный базис , что — диагональная матрица;
(у2) (то есть многочлен раскладывается без кратностей в произведение многочленов степени в кольце );
(у3) (то есть пространство раскладывается в прямую сумму собственных подпространств линейного оператора );
(у4) . - Обобщенные собственные подпростр.-ва: ; относительные геометрич. кратности: .
- Жорданова клетка: ; если , то и .
- Теорема об обобщенных собственных подпространствах. Пусть — поле, — вект. пр.-во над , , и ; тогда
(1) для любых выполнено и, если , то ;
(2) для любых выполнено ;
(3) и . - Корневые подпространства: . Нильпотентные части линейного оператора : .
- Теорема о разложении в прямую сумму корневых подпространств. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , ,
и многочлен раскладывается в произведение многочленов степени в кольце (если , то это условие выполнено
для любых в силу алгебраической замкнутости поля ); тогда
(1) (то есть пространство раскладывается в прямую сумму корневых подпространств линейного оператора );
(2) для любых выполнено , — нильпотентный линейный оператор и .
2.3.3 Относительные базисы, жорданова нормальная форма, приложения жордановой нормальной формы
- — независимое мн.-во относит.-но : . — порождающее мн.-во относит.-но : .
- Базис в относительно — независ. и порожд. подмн.-во в относительно . Три теоремы об относительных базисах (без подробных доказательств).
Теорема 1 об относительных базисах. Пусть — поле, — вект. пр.-во над , и ; тогда следующие утверждения эквивалентны:
(у1) — базис пространства относительно ;
(у2) — независимое множество и ;
(у3) для любого вектора существуют единственные такие и , что ;
(у4) — максимальное независимое множество относительно ;
(у5) — минимальное порождающее множество относительно .
Теорема 2 об относительных базисах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда
(1) любое независимое подмножество в относительно можно дополнить до базиса в относительно ;
(2) из любого порождающего подмножества в относительно можно выделить базис в относительно .
Теорема 3 об относительных базисах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , , — базис в относительно и
— базис в относительно ; тогда и — базис в относительно . - Теорема об относительно независимых подмножествах в ядрах степеней линейного оператора. Пусть — поле, — вект. простр.-во над полем и
, а также , , и ; тогда
(1) если — независимое подмножество в относит.-но , то — инъекция и — независимое подмножество в относит.-но ;
(2) если , то . - Прямая сумма матриц: . Диаграммы Юнга. Жорданов блок: , где — длины строк диаграммы Юнга .
- Диаграмма Юнга : высоты столбцов диаграммы — относительные геометрич. кратности . Корректность опред.-я.
- Теорема о жордановой нормальной форме. Обозначение: . Утверждение: пусть и ; тогда .
Теорема о жордановой нормальной форме. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда
(1) если — нильпотентный линейный оператор, то существует такой упорядоченный базис , что ;
(2) если многочлен раскладывается в произведение многочленов степени в кольце (если , то это условие выполнено для любых
в силу алгебраической замкнутости поля ), то существует такой упорядоченный базис , что . - Многочлен (ряд) от жордановой клетки: . Экспонента от лин. операт. : . Теорема о свойствах экспоненты.
Теорема о свойствах экспоненты.
(1) Пусть — банахово пространство и ; тогда , а также и .
(2) Пусть и ; тогда , а также и . - Однородная система линейных дифференциальных уравнений: (, ); решение системы: , где .
2.4 Алгебры
2.4.1 Определения и конструкции, связанные с алгебрами
- -Алгебра — вект. пространство над с билинейным умножением — кольцо (в широком смысле слова) с «правильным» умножением на скаляры из .
- Примеры: -алгебры , , , , , ; -алгебры , , , и с векторным умножением.
- Структурные константы алгебры: . Утверждение: массив однозначно определяет умножение в алгебре .
- Теорема Кэли для ассоциативных алгебр с 1. Инъект. гомоморфизмы -алгебр: и .
Теорема Кэли для ассоциативных алгебр с 1. Пусть — поле и — ассоциативная -алгебра с ; обозначим через векторное пространство
над полем , получающееся из алгебры при «забывании» умножения в этой алгебре; тогда
(1) для любых , обозначая через отображение , имеем следующий факт: — линейный оператор (то есть );
(2) отображение — инъективный гомоморфизм алгебр с . - Алгебры с делением: и . Утверждение: конечномерная алгебра без делителей нуля — алгебра с делением.
- Моноидная алгебра ( — моноид): с операцией свертки; способ записи элементов: ().
- Алгебра многочленов от свободных переменных: . Одночлены: . Степень. Однородные многочлены.
2.4.2 Алгебра полилинейных форм
- Тензорное произведение полилинейных форм: . Свойства тензорного произведения.
- Базис в пространстве : . Разложение формы по базису: .
- Обозначение: . Пример: . Преобразов.-е при замене базиса: .
- Алгебра полилинейных форм (ковариантных тензоров) над : . Утверждение: — ассоциативная -алгебра с .
- Теорема об алгебре полилинейных форм. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда
(1) отображение, продолжающее по линейности частичное отображение , — изоморфизм алгебр с ;
(2) для любых изоморфизм из пункта (1) отображает пространство однородных многочленов степени в пространство . - Идеалы и : и .
- Алгебра многочленов от коммутирующих переменных: . Утверждение: .
- Алгебра многочленов от грассмановых переменных: . Грассмановы одночлены: , где .
2.4.3 Алгебры Ли (основные определения и примеры)
- -Алгебра Ли — -алгебра, умножение в которой антисимметрично () и удовлетворяет тождеству Якоби ().
- Коммутатор в ассоциативной алгебре : . Алгебра : вект. простр.-во с операцией . Утверждение: алгебра — алгебра Ли.
- Примеры: , , с векторным умножением — алгебра Ли, так как в алгебре Ли .
- Матричные алгебры Ли: , , , , .
- Утверждение: и (здесь или ), а также , , .
- Теорема Кэли для алгебр Ли. Изоморфизмы -алгебр Ли: , и .
Теорема Кэли для алгебр Ли. Пусть — поле и — -алгебра Ли; обозначим через векторное пространство над полем , получающееся
из алгебры при «забывании» умножения в этой алгебре; тогда
(1) для любых , обозначая через отображение , имеем следующий факт: — линейный оператор (то есть );
(2) отображение — гомоморфизм алгебр Ли. - Алгебра дифференцирований -алгебры : — подалгебра алгебры Ли .
- Пример: пусть — открытое подмножество в и ; тогда — дифференцирование алгебры .