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thematicsroy

新虫 (小有名气)

[求助] 请教一个看似简单的代数问题。

设P为矩阵算子,若对任意矩阵A,B,有P(AB)=P(A)P(B).试证明P=(det)^k  (k可以是任意非负整数)
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hank612

至尊木虫 (著名写手)

(1) 必须假设P不是零算子,就是说存在矩阵A 使得 P(A)不等于零。 由P(A*I)=P(A)*P(I) 及P(A)非零知道 P(I)=1. 那么对于任意可逆矩阵M, 由P(M*M^{-1})=1知道 P(M^{-1})=P(M)^{-1}不等于零。

(2) A=diag(a, a^{-1}, 1,...,1), B=diag(a^{-1}, a, 1, .., 1). 则A,B相似知道P(A)=P(B). 由P(AB)=1 知道 P(A)=P(B)=1. 不用担心P(A)=-1, 因为 A=(diag(sqrt(a), 1/sqrt(a), 1,...,1))^2.

(3) 由此可知,若A=diag(c1,..,cn), B=diag(c1*c2*...*cn, 1,..,1),他们可以用一串(2)中类型的对角阵转换,所以P(A)=P(B).

(4)必须假定P是连续函数,否则有反例。 由于Cauchy问题:设f: R-->R 满足 f(x+y)=f(x)+f(y), 并且 f连续,那么f(x)=c*x 是线性函数。 因此存在 k 使得 P(diag(c1,..,cn))=(c1*c2*...*cn)^k.
http://en.wikipedia.org/wiki/Cauchy's_functional_equation

http://math.stackexchange.com/qu ... at-fx-xt-for-some-t
(5) 假设域是代数闭域,这样Jordan标准型总是存在。


(6)由于 P(AB)=P(BA)可知 P(M^{-1}*A*M)=P(A), 由此可以假设 A是若当标准型。并且在相差一个对角矩阵的情况下,可以设对角线上全为1(因为(A-a)^n=0 当且仅当 ((A/a)-1)^n=0 )


(7)假设A是若当标准型,对角线上全为1, 那么 A^2和A 相似(因为(A^2-1)^n=0 当且仅当 (A-1)^n=0 ), 因此 P(A)=1.

(8) 总结:任给一个矩阵A, P(A)等于P在A的Jordan标准型上的作用。 把A的Jordan标准型分解成两个矩阵乘积,其中一个是对角阵,对角元素是A的特征值;另一个相似于一些对角线为1的若当阵的直和, 因此由(4)可知 P(A)=det(A)^k.

从证明过程中可以看出,k可以是任意实数。 P连续的条件不能少,但不要求域是代数闭域C,至少要求是在实数域R上。
We_must_know. We_will_know.
2楼2014-07-21 11:54:15
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