Алгебра phys 1 весна 2016 — различия между версиями
Goryachko (обсуждение | вклад) |
Goryachko (обсуждение | вклад) |
||
Строка 50: | Строка 50: | ||
<li>Цепь <math>a</math>-инвариантных подпространств: <math>\{0\}<V_1(a,c)<\ldots<V_{p-1}(a,c)<V_p(a,c)=V_{p+1}(a,c)=\ldots</math>; вывод: <math>V(a,c)=V_p(a,c)</math>. | <li>Цепь <math>a</math>-инвариантных подпространств: <math>\{0\}<V_1(a,c)<\ldots<V_{p-1}(a,c)<V_p(a,c)=V_{p+1}(a,c)=\ldots</math>; вывод: <math>V(a,c)=V_p(a,c)</math>. | ||
<li>Относительные геометрические кратности: <math>\gamma_j(a,c)=\dim V_j(a,c)-\dim V_{j-1}(a,c)</math> и <math>\gamma(a,c)=\gamma_1(a,c)</math>. Утверждение: <math>\gamma(a,c)\le\alpha(a,c)</math>. | <li>Относительные геометрические кратности: <math>\gamma_j(a,c)=\dim V_j(a,c)-\dim V_{j-1}(a,c)</math> и <math>\gamma(a,c)=\gamma_1(a,c)</math>. Утверждение: <math>\gamma(a,c)\le\alpha(a,c)</math>. | ||
− | <li><u>Теорема о диагонализуемых операторах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math> и <math>a\in\mathrm{End}(V)</math>;<br>тогда следующие условия эквивалентны:<br>(1) существует такой упорядоченный базис <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>, что <math>a_e^e</math> — диагональная матрица;<br>(2) <math>\mu_a=\!\!\!\prod_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!(x-c)</math> (то есть <math>\ | + | <li><u>Теорема о диагонализуемых операторах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math> и <math>a\in\mathrm{End}(V)</math>;<br>тогда следующие условия эквивалентны:<br>(1) существует такой упорядоченный базис <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>, что <math>a_e^e</math> — диагональная матрица;<br>(2) <math>\mu_a=\!\!\!\prod_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!(x-c)</math> (то есть <math>\mu_a</math> раскладывается без кратностей в произведение многочленов степени <math>1</math> в кольце <math>K[x]</math>);<br>(3) <math>V=\!\!\!\bigoplus_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!V_1(a,c)</math> (это разложение пространства <math>V</math> в прямую сумму собственных подпространств оператора <math>a</math>);<br>(3') <math>\dim V=\!\!\!\sum_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!\gamma(a,c)</math>.</i> |
<li><u>Лемма об обобщенных собственных подпространствах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — вект. пр. над <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math>, <math>a\in\mathrm{End}(V)</math>, <math>c\in K</math>; тогда<br>(1) для любых <math>j\in\mathbb N_0</math> выполнено <math>\beta(a,c)\le j\,\Leftrightarrow\,V_{\beta(a,c)}(a,c)=V_j(a,c)</math>;<br>(2) <math>\beta(a,c)=\min\{j\in\mathbb N_0\mid V_j(a,c)=V_{j+1}(a,c)\}</math> и <math>V(a,c)=V_{\beta(a,c)}(a,c)=V_{\alpha(a,c)}(a,c)</math>.</i> | <li><u>Лемма об обобщенных собственных подпространствах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — вект. пр. над <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math>, <math>a\in\mathrm{End}(V)</math>, <math>c\in K</math>; тогда<br>(1) для любых <math>j\in\mathbb N_0</math> выполнено <math>\beta(a,c)\le j\,\Leftrightarrow\,V_{\beta(a,c)}(a,c)=V_j(a,c)</math>;<br>(2) <math>\beta(a,c)=\min\{j\in\mathbb N_0\mid V_j(a,c)=V_{j+1}(a,c)\}</math> и <math>V(a,c)=V_{\beta(a,c)}(a,c)=V_{\alpha(a,c)}(a,c)</math>.</i> | ||
− | <li><u>Теорема о разложении в прямую сумму корневых подпространств.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>,<br><math>\dim V<\infty</math>, <math>a\in\mathrm{End}(V)</math> и многочлен <math>\chi_a</math> раскладывается в произведение многочленов степени <math>1</math> в кольце <math>K[x]</math> (если <math>K=\mathbb C</math>, то<br>это условие выполнено для любого оператора <math>a</math> в силу алгебраической замкнутости поля <math>\mathbb C</math>); тогда<br>(1) <math>V=\!\!\!\bigoplus_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!V(a,c)</math> (это разложение пространства <math>V</math> в прямую сумму корневых подпространств оператора <math>a</math>);<br>(2) для любых <math>c\in\mathrm{Spec}(a)</math>, обозначая через <math>\mathrm{nil}(a,c)</math> оператор <math>(a-c\cdot\mathrm{id}_V)|_{V(a,c)\to V(a,c)}</math>, имеем следующие факты: <math>\ | + | <li><u>Теорема о разложении в прямую сумму корневых подпространств.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>,<br><math>\dim V<\infty</math>, <math>a\in\mathrm{End}(V)</math> и многочлен <math>\chi_a</math> раскладывается в произведение многочленов степени <math>1</math> в кольце <math>K[x]</math> (если <math>K=\mathbb C</math>, то<br>это условие выполнено для любого оператора <math>a</math> в силу алгебраической замкнутости поля <math>\mathbb C</math>); тогда<br>(1) <math>V=\!\!\!\bigoplus_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!V(a,c)</math> (это разложение пространства <math>V</math> в прямую сумму корневых подпространств оператора <math>a</math>);<br>(2) для любых <math>c\in\mathrm{Spec}(a)</math>, обозначая через <math>\mathrm{nil}(a,c)</math> оператор <math>(a-c\cdot\mathrm{id}_V)|_{V(a,c)\to V(a,c)}</math>, имеем следующие факты: для любых <math>j\in\mathbb N_0</math><br>выполнено <math>\,\mathrm{Ker}\,\mathrm{nil}(a,c)^j=V_j(a,c)</math>, а также <math>\mathrm{nil}(a,c)</math> — нильпотентный оператор и <math>\dim V(a,c)=\alpha(a,c)</math>.</i></ul> |
<h3>1.6 Линейные операторы (часть 3)</h3> | <h3>1.6 Линейные операторы (часть 3)</h3> | ||
Строка 70: | Строка 70: | ||
<li><u>Теорема о жордановой нормальной форме нильпотентного оператора.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math>,<br><math>a\in\mathrm{End}(V)</math>, <math>a</math> — нильпотентный оператор; тогда существует такой упорядоченный базис <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>, что <math>a_e^e=\mathrm{jb}_{\Delta(a,0)}(0)</math>.</i> | <li><u>Теорема о жордановой нормальной форме нильпотентного оператора.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math>,<br><math>a\in\mathrm{End}(V)</math>, <math>a</math> — нильпотентный оператор; тогда существует такой упорядоченный базис <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>, что <math>a_e^e=\mathrm{jb}_{\Delta(a,0)}(0)</math>.</i> | ||
<li><u>Теорема о жордановой нормальной форме.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math>, <math>a\in\mathrm{End}(V)</math><br>и многочлен <math>\chi_a</math> раскладывается в произведение многочленов степени <math>1</math> в кольце <math>K[x]</math> (если <math>K=\mathbb C</math>, то это условие выполнено для<br>любого оператора <math>a</math> в силу алгебраической замкнутости поля <math>\mathbb C</math>); тогда существует такой упорядоченный базис <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>, что<br><math>a_e^e=\!\!\!\bigoplus_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!\mathrm{jb}_{\Delta(a,c)}(c)</math> (то есть матрица <math>a_e^e</math> раскладывается в прямую сумму жордановых блоков).</i> | <li><u>Теорема о жордановой нормальной форме.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math>, <math>a\in\mathrm{End}(V)</math><br>и многочлен <math>\chi_a</math> раскладывается в произведение многочленов степени <math>1</math> в кольце <math>K[x]</math> (если <math>K=\mathbb C</math>, то это условие выполнено для<br>любого оператора <math>a</math> в силу алгебраической замкнутости поля <math>\mathbb C</math>); тогда существует такой упорядоченный базис <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>, что<br><math>a_e^e=\!\!\!\bigoplus_{c\in\mathrm{Spec}(a)}\!\!\!\mathrm{jb}_{\Delta(a,c)}(c)</math> (то есть матрица <math>a_e^e</math> раскладывается в прямую сумму жордановых блоков).</i> | ||
− | <li>Экспонента оператора: <math>\mathrm e^a=\sum_{k=0}^\infty\frac1{k!}\,a^k</math>. Вычисление | + | <li>Экспонента от оператора: <math>\mathrm e^a=\sum_{k=0}^\infty\frac1{k!}\,a^k</math>. Вычисление многочленов и рядов от матриц при помощи теоремы о жордановой нормальной форме. |
+ | <li>Стационарное уравнение Шрёдингера для частицы в одномерной потенциальной яме с бесконечными стенками. Спектр и собственные функции.</ul> | ||
<h3>1.7 Алгебры</h3> | <h3>1.7 Алгебры</h3> |
Версия 22:20, 17 апреля 2016
1 Линейная алгебра
|
Материал первой половины второго семестра курса алгебры
Содержание первой половины второго семестра курса алгебры
1.1 Матрицы, базисы, координаты
- 1.1.1 Пространства матриц, столбцов, строк
- 1.1.2 Столбцы координат векторов и матрицы гомоморфизмов
- 1.1.3 Преобразования координат при замене базиса
- 1.1.4 Элементарные матрицы и приведение к ступенчатому виду
1.2 Линейные операторы (часть 1)
- 1.2.1 Ядро и образ линейного оператора
- 1.2.2 Ранг линейного оператора
- 1.2.3 Системы линейных уравнений
1.3 Конструкции над векторными пространствами
- 1.3.1 Прямая сумма векторных пространств и факторпространства
- 1.3.2 Двойственное пространство
1.4 Полилинейные отображения, формы объема, определитель
- 1.4.1 Отступление о симметрических группах
- 1.4.2 Полилинейные отображения и формы объема
- 1.4.3 Определитель линейного оператора
- 1.4.4 Миноры матрицы и присоединенная матрица
Материал второй половины второго семестра курса алгебры
1.5 Линейные операторы (часть 2)
1.5.1 Многочлены от операторов
- Многочлен от оператора: . Эвалюация — гомоморфизм колец и векторных пространств.
- Кольцо, порожденное оператором: — коммутативное подкольцо и подпространство в .
- Минимальный многочлен оператора: , приведен, ; .
- Утверждение: пусть и ; тогда и, если и делит , то .
- Теорема о разложении в прямую сумму ядер. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , ,
и ; тогда . - Следствие из теоремы о разложении в прямую сумму ядер. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , ,
, и , где , и попарно взаимно просты; тогда . - Проектор (идемпотент): . Нильпотентный оператор: .
1.5.2 Спектр оператора и характеристический многочлен оператора
- Спектр оператора: ; если , то .
- Характеристический многочлен матрицы: . Характеристический многочлен оператора: . Корректность определения.
- Утверждение: . Утверждение: (и, значит, ).
- Теорема Гамильтона–Кэли. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда .
- Две кратности: — кратность как корня многочлена (алгебраическая кратность) и — кратность как корня многочлена .
- Лемма о минимальном и характеристическом многочленах. Пусть — поле, — вект. пр. над , , ; тогда
(1) многочлен делит многочлен (и, значит, );
(2) ;
(3) если — нильпотентный оператор, то .
1.5.3 Собственные и корневые подпространства оператора
- Обобщенные собственные подпространства: . Корневые подпространства: .
- Цепь -инвариантных подпространств: ; вывод: .
- Относительные геометрические кратности: и . Утверждение: .
- Теорема о диагонализуемых операторах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ;
тогда следующие условия эквивалентны:
(1) существует такой упорядоченный базис , что — диагональная матрица;
(2) (то есть раскладывается без кратностей в произведение многочленов степени в кольце );
(3) (это разложение пространства в прямую сумму собственных подпространств оператора );
(3') . - Лемма об обобщенных собственных подпространствах. Пусть — поле, — вект. пр. над , , , ; тогда
(1) для любых выполнено ;
(2) и . - 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 любого оператора в силу алгебраической замкнутости поля ); тогда
(1) (это разложение пространства в прямую сумму корневых подпространств оператора );
(2) для любых , обозначая через оператор , имеем следующие факты: для любых
выполнено , а также — нильпотентный оператор и .
1.6 Линейные операторы (часть 3)
1.6.1 Относительные базисы
- Независимое подмножество в относительно : . Порождающее подмножество в относительно : .
- Базис в относительно : одновременно независимое и порождающее подмножество в относительно . Три леммы-упражнения.
Лемма 1 об относительных базисах. Пусть — поле, — вект. пр. над , , ; тогда следующие условия эквивалентны:
(1) — базис в относительно ;
(1') — независимое подмножество в и ;
(2) — максимальное независимое подмножество в относительно ;
(3) — минимальное порождающее подмножество в относительно .
Лемма 2 об относительных базисах. Пусть — поле, — вект. пр. над , , ; тогда
(1) любое независимое подмножество в относительно можно дополнить до базиса в относительно ;
(2) из любого конечного порождающего подмножества в относительно можно выделить базис в относительно .
Лемма 3 об относительных базисах. Пусть — поле, — вект. пр. над , , — базис в относительно , — базис в
относительно ; тогда — базис в относительно . - Теорема об относительно независимых подмножествах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ;
обозначим через , , пространства , , соответственно; пусть — независимое подмножество в
относительно ; тогда — биекция и — независимое подмножество в относительно . - Следствие из теоремы об относительно независимых подмножествах. Пусть — поле, — векторное пространство над полем ,
, и ; тогда .
1.6.2 Жорданова нормальная форма оператора
- Жордановы клетки: и . Прямая сумма матриц: .
- Диаграммы Юнга. Жорданов блок: , где числа суть длины строк диаграммы Юнга .
- Диаграмма Юнга : высоты столбцов диаграммы суть относительные геометрические кратности .
- Теорема о жордановой нормальной форме нильпотентного оператора. Пусть — поле, — векторное пространство над , ,
, — нильпотентный оператор; тогда существует такой упорядоченный базис , что . - Теорема о жордановой нормальной форме. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , ,
и многочлен раскладывается в произведение многочленов степени в кольце (если , то это условие выполнено для
любого оператора в силу алгебраической замкнутости поля ); тогда существует такой упорядоченный базис , что
(то есть матрица раскладывается в прямую сумму жордановых блоков). - Экспонента от оператора: . Вычисление многочленов и рядов от матриц при помощи теоремы о жордановой нормальной форме.
- Стационарное уравнение Шрёдингера для частицы в одномерной потенциальной яме с бесконечными стенками. Спектр и собственные функции.
1.7 Алгебры
1.7.1 Определения и конструкции, связанные с алгебрами
1.7.2 Алгебра с делением (тело) кватернионов
1.7.3 Полилинейные формы и многочлены от свободных переменных
1.7.4 Алгебры Ли (основные определения и примеры)
2 Билинейная алгебра
3 Полилинейная алгебра
| ||||||||
|