Лямбда-матрица

Pause

Ля́мбда-ма́трица (λ-матрица, матрица многочленов) — квадратная матрица, элементами которой являются многочлены над некоторым числовым полем[1]:

Связанные определения

Если имеется некоторый элемент матрицы, который является многочленом степени , и нет элементов матрицы степени большей чем , то  — степень λ-матрицы. Используя обычные операции над матрицами, любую λ-матрицу можно представить в виде:

где все  — матрицы. В случае если определитель матрицы отличен от нуля, λ-матрица называется регулярной[2]. Пример нерегулярной λ-матрицы:

Алгебра λ-матриц

Сложение и умножение

λ-матрицы одного и того же порядка можно складывать и перемножать между собой обычным образом и в результате получится другая λ-матрица. Пусть и  — λ-матрицы одного и того же порядка, имеющие степени и соответственно, и .

Тогда можно записать, что:

где хотя бы одна из матриц и  — ненулевая.

Отсюда[3]:

Деление

Предположим, что  — регулярная λ-матрица и что существуют такие λ-матрицы и с или со степенью , меньшей степени , что:

.

В этом случае называется правым частным при делении на , а  — правым остатком. Подобно этому и  — левое частное и левый остаток при делении на , если

и или степень меньше степени .

Если правый (левый) остаток равен 0, то называется правым (левым) делителем при делении на [4].

Если  — регулярная, то правое (левое) частное и правый (левый) остаток при делении на существуют и единственны[5].

λ-матрицы с матричными аргументами

Вследствие некоммутативности умножения матриц, в отличие от свойств обычного многочлена, для λ-матрицы нельзя записать равенство, аналогичное:

поэтому мы определяем правое значение λ-матрицы в матрице как:

, если

и левое значение как:

,

а в общем случае: [6].

Теорема Безу для λ-матриц

Для λ-матриц существует свойство, аналогичное теореме Безу для многочленов: правым и левым остатком от деления λ-матрицы на , где  — единичная матрица, является и соответственно[7].

Свойство доказывается через следующее разложение на множители:

При умножении обеих частей этого равенства на слева и сложении всех полученных равенств при правая часть будет иметь вид , где  — некоторая λ-матрица. Левая часть равенства, в свою очередь, будет равна:

Таким образом,

.

Результат теперь следует из единственности правого остатка. Утверждение для левого остатка получается обращением множителей в исходном разложении, умножением полученного выражения на справа и суммированием.

Следствие: чтобы λ-матрица делилась без остатка на справа (слева), необходимо и достаточно, чтобы [7].

Применение

λ-матрицы применяются в следующих задачах линейной алгебры и её приложениях:

Спектральная теория матриц. Характеристическая матрица является частным случаем λ-матрицы; её элементарные делители и каноническая форма Смита определяют жорданову структуру оператора[8].

Системы линейных уравнений с постоянными коэффициентами. λ-матрицы используются при решении систем линейных обыкновенных дифференциальных и разностных уравнений, где спектральная структура λ-матрицы задаёт вид общего решения[9][10].

Аналитические функции от матриц. С помощью λ-матриц строятся определения и вычислительные схемы для функций вида , , [11].

Примечания

  1. ↑ Гантмахер, 1966, с. 135.
  2. ↑ Ланкастер, 1982, с. 116.
  3. ↑ Ланкастер, 1982, с. 116—117.
  4. ↑ Ланкастер, 1982, с. 117.
  5. ↑ Ланкастер, 1982, с. 117—118.
  6. ↑ Ланкастер, 1982, с. 119.
  7. ↑ 1 2 Гантмахер, 1966, с. 92.
  8. ↑ Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2010. — С. 105–118, 132–145. — ISBN 978-5-9221-0524-8.
  9. ↑ Курош А. Г. Основы линейной алгебры. — 3-е изд. — М.: Наука, 1968. — С. 215–224.
  10. ↑ Фаддеев Д. К., Фаддеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры. — 2-е изд. — М.: Физматгиз, 1963. — С. 183–192.
  11. ↑ Беллман Р. Введение в теорию матриц. — М.: Наука, 1976. — С. 195–208.

Литература

  • Гантмахер, Ф. Р. Теория матриц. — 2-е изд.. — М.: Наука, 1966.
  • Ланкастер, П. Теория матриц. — 2-е изд.. — М.: Наука, 1982.

Дополнительно по теме

Категории

Pause