主要内容

高等代数: 多项式与线性代数

7.2 不变子空间

直观感觉:一个空间的结构越简单,其上的线性变换也会越简单。根据**线性同构基本定理**,数域\(\F\)上有限维线性空间的结构由其维数决定,维数越小的空间结构越简单。在 **第6章内容** 中证明了1维线性空间上的线性映射都可以等同于数乘一个固定常数这种简单的操作,部分验证了这种直观感觉。
本节中,我们将尝试把一个大空间\(V\)上的线性变换\(\varphi\)部分限制在\(V\)的子空间上去理解。可以这样的限制的子空间就是我们接下来要讲的不变子空间。

子节 7.2.1 不变子空间的定义与举例

定义 7.2.1.

\(U\)\(V\)的子空间,\(\varphi\in \mathcal{L}(V)\),且满足\(\varphi(U)\subseteq U\),则称\(U\)\(\varphi\)-不变子空间\(\varphi\)-子空间
\(\varphi\)限制在\(U\)上,导出\(U\)的线性变换,称为\(\varphi\)\(U\)上的导出变换 (或称为\(\varphi\)\(U\)上的限制变换), 记为\({\color{red}\varphi|_U}\)
\(\varphi\)\(\varphi|_U\)的相同点是在\(U\)上对应法则一样,不同点是\(\varphi\)\(V\)的线性变换,而\(\varphi|_U\)\(U\)的线性变换。
定义中\(U\)\(\varphi\)的不变子空间这个条件必不可少。否则,若\(\varphi(U)\not\subseteq U\),即存在\(\alpha\in U\)使得\(\varphi(\alpha)\notin U\),此时对应法则\(\varphi\)无法限制成为\(U\to U\)的映射,相应地也无法导出\(U\)上的线性变换。
下面是一些具有代表性的不变子空间例子。

7.2.2. 4种普遍的不变子空间.

\(\varphi\in \mathcal{L}(V)\),证明下面4种\(V\)的子空间(可以相同)都是\(\varphi\)-不变子空间:
  1. 0空间;
  2. \(V\)空间本身;
  3. 像空间\({\rm Im}\varphi\)
  4. 核空间\({\rm Ker}\varphi\)
解答.
  1. 0空间是\(V\)的子空间,又\(\varphi(0)=0\),所以0空间是\(\varphi\)-不变子空间。
  2. 因为\(\varphi\)\(V\)上线性变换,所以\(\forall\alpha\in V,\varphi(\alpha)\in V\),由此推出\(V\)\(\varphi\)-不变子空间。
  3. \({\rm Im}\varphi\)\(V\)的子空间,又\(\forall\beta\in{\rm Im}\varphi\)
    \begin{equation*} \varphi(\beta)\in {\rm Im}\varphi, \end{equation*}
    因此\({\rm Im}\varphi\)\(\varphi\)-不变子空间。
  4. \({\rm Ker}\varphi\)\(V\)的子空间,又\(\forall\alpha\in{\rm Ker}\varphi\)
    \begin{equation*} \varphi(\alpha)=0\in {\rm Ker}\varphi, \end{equation*}
    因此\({\rm Ker}\varphi\)\(\varphi\)-不变子空间。

证明.

必要性:因为\(\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle\)\(\varphi\)-不变子空间且\(\xi_i\in\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle\),所以根据定义
\begin{equation*} \varphi(\xi_i)\in\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle,i=1,\ldots ,s. \end{equation*}
充分性:对任意\(\alpha\in\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle\),存在\(a_1,\ldots,a_s\in\F\),使得
\begin{equation*} \alpha=a_1\xi_1+\cdots+a_s\xi_s, \end{equation*}
\begin{equation*} \varphi(\alpha)=a_1\varphi(\xi_1)+\cdots+a_s\varphi(\xi_s). \end{equation*}
由于\(\varphi(\xi_i)\in\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle,i=1,\ldots ,s\),所以
\begin{equation*} a_1\varphi(\xi_1)+\cdots+a_s\varphi(\xi_s)\in\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle, \end{equation*}
\(\varphi(\alpha)\in\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle\),由此推出\(\langle\xi_1,\ldots,\xi_s\rangle\)\(\varphi\)-不变子空间。

子节 7.2.2 不变子空间与表示矩阵化简

接下来我们从表示矩阵的角度来理解不变子空间及利用这个概念可以带来的好处。
\(\varphi\in\mathcal{L}(V)\)\(U\)\(\varphi\)-不变子空间。设\((\xi_1,\ldots,\xi_r)\)\(U\)的一个基,将其扩充为\(V\)的一个基\((\xi_1,\ldots,\xi_r,\xi_{r+1},\ldots,\xi_n)\)。注意到\(U\)\(\varphi\)-不变子空间,对任意的 \(i=1,\dots, r \)\(\varphi(\xi_i)\in U\),则\(\varphi(\xi_i)\)\(V\)空间基\((\xi_1,\ldots,\xi_n)\)下坐标的后 \(n-r\)个分量必定为0, 于是\(\varphi\)在基\((\xi_1,\ldots,\xi_n)\)下的矩阵有如下的形式:
\begin{equation} \begin{pmatrix} a_{1,1} & \cdots & a_{1,r} & a_{1,r+1} & \cdots & a_{1,n}\\ \vdots &\ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{r,1} & \cdots & a_{r,r} & a_{r,r+1} & \cdots & a_{r,n}\\ {\color{red}0} & {\color{red}\cdots} & {\color{red}0} & a_{r+1,r+1} & \cdots & a_{r+1,n}\\ {\color{red}\vdots} &{\color{red}\ddots} & {\color{red}\vdots} & \vdots & \ddots & \vdots\\ {\color{red}0} & {\color{red}\cdots} & {\color{red}0} & a_{n,r+1} & \cdots & a_{n,n}\\ \end{pmatrix}.\tag{7.2.1} \end{equation}
反之,若\(\varphi\)在基\((\xi_1,\ldots,\xi_r,\xi_{r+1},\ldots,\xi_n)\)下的矩阵形式为(7.2.1),则\(\langle \xi_1,\ldots,\xi_r\rangle\)也一定是一个\(\varphi\)-不变子空间。
进一步地,设\(\varphi\)\(n\)维线性空间\(V\)的线性变换,\(V=V_1\oplus V_2\),且\(V_1\)\(V_2\)均是\(\varphi\)-不变子空间,取\((\xi_1,\ldots,\xi_r)\)\(V_1\)的基,\((\xi_{r+1},\ldots,\xi_n)\)\(V_2\)的基,则\(\varphi\)在基\((\xi_1,\ldots,\xi_r,\xi_{r+1},\ldots,\xi_n)\)下的矩阵必定形如
\begin{equation} \begin{pmatrix} A_1 & 0\\ 0 & A_2 \end{pmatrix}\tag{7.2.2} \end{equation}
其中\(A_1\)\(r\)阶方阵,\(A_2\)\(n-r\)阶方阵。
反之,若\(\varphi\)在基\((\xi_1,\ldots,\xi_r,\xi_{r+1},\ldots,\xi_n)\)下的表示矩阵是(7.2.2),令
\begin{equation*} V_1=\langle \xi_1,\ldots,\xi_r\rangle,\ \ V_2=\langle \xi_{r+1},\ldots,\xi_n\rangle , \end{equation*}
\(V_1\)\(V_2\)都是\(\varphi\)-子空间,且
\begin{equation*} V = V_1\oplus V_2. \end{equation*}
综合上述讨论,我们有下面一个一般结论。

练习 7.2.3 练习

基础题.

1.
\(\varphi:\mathbb{F}^2\rightarrow\mathbb{F}^2,\ (a,b)^T\mapsto (b,a)^T\),试求所有非平凡的\(\varphi\)-不变子空间。
解答.
\(U\)是非平凡的\(\varphi\)-不变子空间,则\(\dim U=1\)。设\((a,b)^T\)\(U\)的基,则\(\varphi((a,b)^T)=(b,a)^T\in U\),即存在\(k\in\mathbb{F}\)使得\((b,a)^T=k(a,b)^T\),故\(b=\pm a\)。因此\(U=\langle (1,1)\rangle\)\(\langle (1,-1)\rangle\)
2.
\(V\)是4维线性空间,\(V\)上线性变换\(\varphi\)在基\(\xi_1,\xi_2,\xi_3,\xi_4\)下的矩阵为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 1&0&2&-1\\ 0&1&4&-2\\ 2&-1&0&1\\ 2&-1&-1&2 \end{pmatrix}, \end{equation*}
  1. 证明:\(U=\langle \xi_1+2 \xi_2, \xi_2+\xi_3+2 \xi_4\rangle\)\(\varphi\)-不变子空间;
  2. \(\varphi|_U\)在基\(\xi_1+2 \xi_2, \xi_2+\xi_3+2 \xi_4\)下的矩阵。
解答.
  1. 由已知条件知\(\left\{\begin{array}{l} \varphi (\xi_1)=\xi_1+2 \xi_3+2 \xi_4,\\ \varphi (\xi_2)=\xi_2- \xi_3- \xi_4,\\ \varphi (\xi_3)=2\xi_1+4 \xi_2- \xi_4,\\ \varphi (\xi_4)=-\xi_1-2 \xi_2+\xi_3+2 \xi_4,\\ \end{array}\right.\)
    \begin{equation*} \begin{array}{c}\varphi (\xi_1+2 \xi_2)=\varphi (\xi_1)+2 \varphi(\xi_2)=\xi_1+2 \xi_2\in U,\\ \varphi (\xi_2+ \xi_3+2 \xi_4)=\varphi (\xi_2)+\varphi (\xi_3)+2 \varphi(\xi_4)=\xi_2+\xi_3+2 \xi_4\in U,\end{array} \end{equation*}
    \(U\)\(\varphi\)-子空间。
  2. 因为
    \begin{equation*} \begin{array}{c} \varphi|_U(\xi_1+2 \xi_2)=\varphi(\xi_1+2 \xi_2)=\xi_1+2 \xi_2,\\ \varphi|_U(\xi_2+ \xi_3+2 \xi_4)=\varphi(\xi_2+\xi_3+2 \xi_4)=\xi_2+\xi_3+2 \xi_4, \end{array} \end{equation*}
    \begin{equation*} \varphi(\xi_1+2 \xi_2,\xi_2+\xi_3+2 \xi_4)=(\xi_1+2 \xi_2,\xi_2+\xi_3+2 \xi_4)\begin{pmatrix} 1&0\\0&1 \end{pmatrix}, \end{equation*}
    所以\(\varphi|_U\)在基\(\xi_1+2 \xi_2, \xi_2+\xi_3+2 \xi_4\)下的矩阵为\(\begin{pmatrix} 1&0\\0&1 \end{pmatrix}\)

提高题.

3.
\(\varphi\)是数域\(\mathbb{F}\)\(n\)维线性空间\(V\)上的线性变换,取定\(\lambda\in\mathbb{F}\),记
\begin{equation*} V_\lambda^{(\varphi)}=\{\alpha\in V\ |\ \varphi (\alpha)=\lambda \alpha\}, \end{equation*}
证明:\(V_\lambda^{(\varphi)}\)\(\varphi\)-不变子空间。
解答.
\begin{equation*} \varphi(0_V)=0_V=\lambda 0_V, \end{equation*}
所以\(0_V\in V_\lambda\)\(V_\lambda\)\(V\)的非空子集。对任意\(\alpha,\beta\in V_\lambda,a,b\in\mathbb{F}\),有
\begin{equation*} \varphi (\alpha)=\lambda \alpha,\varphi(\beta)=\lambda \beta, \end{equation*}
\begin{equation*} \varphi (a \alpha+b \beta)=a\varphi(\alpha)+b\varphi(\beta)=a(\lambda \alpha)+b(\lambda \beta)=\lambda(a \alpha+b \beta)\mbox{。} \end{equation*}
因此\(V_\lambda\)\(V\)的子空间。又
\begin{equation*} \varphi (\alpha)=\lambda \alpha\in V_\lambda, \end{equation*}
\(V_ \lambda\)\(\varphi\)-不变子空间。
4.
\(\varphi ,\psi\)\(n\)维线性空间\(V\)上线性变换,
  1. \(\varphi\psi=\psi\varphi\),证明:\({\rm Ker}\varphi\)\({\rm Im}\varphi\)都是\(\psi\)-不变子空间;
  2. \(\varphi^2=\varphi\),证明:\({\rm Ker}\varphi\)\({\rm Im}\varphi\)都是\(\psi\)-不变子空间的充分必要条件是\(\varphi\psi=\psi\varphi\)
解答.
  1. 对任意\(\alpha\in{\rm Ker}\varphi\), 有\(\varphi(\alpha)=0\)。因为\(\varphi\psi =\psi\varphi\),所以
    \begin{equation*} \varphi(\psi(\alpha))=\psi(\varphi (\alpha))=\psi (0)=0, \end{equation*}
    \(\psi (\alpha)\in{\rm Ker}\varphi\)。因此,\({\rm Ker}\varphi\)\(\psi\)-子空间。
    对任意\(\beta\in{\rm Im}\varphi\),存在\(\alpha\in V\),使得\(\beta=\varphi(\alpha)\)。因为\(\varphi\psi=\psi\varphi\),所以
    \begin{equation*} \psi(\beta)=\psi\varphi(\alpha)=\varphi(\psi(\alpha))\in{\rm Im}\varphi, \end{equation*}
    \({\rm Im}\varphi\)\(\psi\)-子空间。
  2. \((1)\),充分性成立。下证必要性。
    对任意\(\alpha\in V\),有\(\varphi^2(\alpha)-\varphi(\alpha)=0\),即\(\varphi(\alpha)-\alpha\in {\rm Ker}\varphi\)。因为\({\rm Ker}\varphi\)\(\psi\)-不变子空间,所以\(\psi(\varphi(\alpha)-\alpha)\in{\rm Ker}\varphi\),即\(\varphi\left(\psi(\varphi(\alpha)-\alpha)\right)=0\),故
    \begin{equation} \varphi\psi(\alpha)=\varphi\psi\varphi(\alpha).\tag{7.2.3} \end{equation}
    注意到\({\rm Im}\varphi\)\(\psi\)-不变子空间,且\(\varphi(\alpha)\in{\rm Im}\varphi\),所以\(\psi \left(\varphi(\alpha)\right)\in {\rm Im}\varphi\),即存在\(\beta\in V\)使得\(\psi \left(\varphi(\alpha)\right)=\varphi(\beta)\)。于是,
    \begin{equation} \varphi\psi\varphi(\alpha)=\varphi\left(\varphi(\beta)\right)=\varphi^2(\beta)=\varphi(\beta)=\psi \left(\varphi(\alpha)\right).\tag{7.2.4} \end{equation}
    (7.2.3)(7.2.4)得,\(\varphi\psi(\alpha)=\psi\varphi(\alpha)\)

挑战题.

5.
\(\varphi\)\(n\)维线性空间\(V\)上的线性变换,\(\varphi\)在基\(\xi_1,\xi_2,\cdots ,\xi_n\)下的矩阵是
\begin{equation*} \begin{pmatrix} a&0&0&\cdots&0&0\\ 1&a&0&\cdots&0&0\\ 0&1&a&\cdots&0&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ 0&0&0&\cdots&a&0\\ 0&0&0&\cdots&1&a \end{pmatrix}, \end{equation*}
证明:
  1. \(U\)\(\varphi\)-子空间,且\(\xi_1\in U\),则\(U=V\)
  2. 对于任意非零\(\varphi\)-子空间\(U\),总有\(\xi_n\in U\)
  3. \(V\)不能分解为两个非平凡的\(\varphi\)-子空间的直和;
  4. \(\varphi\)的所有不变子空间。
解答.
  1. 依题意,
    \begin{equation*} \varphi(\xi_1)=a\xi_1+\xi_2,\varphi(\xi_2)=a\xi_2+\xi_3,\cdots ,\varphi(\xi_{n-1})=a\xi_{n-1}+\xi_n,\varphi(\xi_n)=a\xi_n. \end{equation*}
    \(U\)\(V\)\(\varphi\)-子空间,且\(\xi_1\in U\),所以\(\xi_2=\varphi(\xi_1)-a\xi_1\in U\)。于是,\quad \(\xi_3=\varphi(\xi_2)-a\xi_2\in U\)。依此类推,得\(\xi_1,\xi_2,\cdots ,\xi_n\in U\)。故\(U=V\)
  2. 因为\(U\)\(V\)的非零\(\varphi\)-子空间,所以存在\(\alpha\in U\),满足\(\alpha\neq 0\)。由\(0\neq\alpha\in V\),可设\(\alpha=a_1\xi_1+a_2\xi_2+\cdots +a_n\xi_n\),这里\(a_1,a_2,\cdots ,a_n\)不全为零。假设\(a_i\)\(a_1,a_2,\cdots ,a_n\)中第一个不为零的数,此时
    \begin{equation*} \alpha=a_i\xi_i+a_{i+1}\xi_{i+1}+\cdots +a_n\xi_n\in U. \end{equation*}
    根据\(\varphi(\alpha)-a \alpha\in U\)
    \begin{equation*} a_i \xi_{i+1}+a_{i+1}+\xi_{i+2}+\cdots +a_{n-1}\xi_n\in U. \end{equation*}
    \(\beta=a_i \xi_{i+1}+a_{i+1}+\xi_{i+2}+\cdots +a_{n-1}\xi_n\),根据\(\varphi(\beta)-a \beta\in U\)
    \begin{equation*} a_i\xi_{i+2}+a_{i+1}\xi_{i+3}+\cdots +a_{n-2}\xi_n\in U. \end{equation*}
    依此类推,我们有\(a_i\xi_n\in U\)。因为\(a_i\neq 0\),所以\(\xi_n=\frac{1}{a_i}(a_i \xi_n)\in U\)
  3. \((2)\),任意两个非平凡\(\varphi\)-子空间\(V_1,V_2\)必含\(\xi_n\),故\(V_1\bigcap V_2\neq 0\)。从而\(V\)不能分解成两个非平凡\(\varphi\)-不变子空间的直和。
  4. 依题意知,子空间\(0,U_i=\langle \xi_i,\xi_{i+1},\cdots ,\xi_n\rangle\)\(\varphi\)-不变子空间。下证\(V\)\(\varphi\)-不变子空间有且只有以上这些。设\(U\neq 0\)\(V\)\(\varphi\)-不变子空间,记
    \begin{equation*} i_0=\min\{i\ |\ a_i\neq 0\mbox{且}a_i \xi_i+a_{i+1} \xi_{i+1}+\cdots +a_n \xi_n\in U\}, \end{equation*}
    \(U\subseteq\langle \xi_{i_0},\xi_{i_0+1},\cdots ,\xi_n\rangle\)。我们断言,\(U=\langle \xi_{i_0},\xi_{i_0+1},\cdots ,\xi_n\rangle\)。事实上,由\(i_0\)的定义知:存在\(a_{i_0},a_{i_0+1},\cdots ,a_n\in\mathbb{F}\)使得\(a_{i_0}\xi_{i_0}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+1}+\cdots +a_n \xi_n\in U\)。由\((2)\)\(\xi_n\in U\),所以
    \begin{equation*} (a_{i_0}\xi_{i_0}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+1}+\cdots +a_n \xi_n)-a_n \xi_n\in U. \end{equation*}
    \(\beta_1\triangleq a_{i_0}\xi_{i_0}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+1}+\cdots +a_{n-1} \xi_{n-1}\),则\(\beta_1\in U\)。于是,
    \begin{equation*} \varphi(\beta_1)-a \beta_1-a_{n-1}\xi_n\in U, \end{equation*}
    \begin{equation*} \gamma_1\triangleq a_{i_0}\xi_{i_0+1}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+2}+\cdots +a_{n-2} \xi_{n-1}\in U, \end{equation*}
    再根据\(\varphi(\gamma_1)-a \gamma_1-a_{n-2}\xi_n\in U\)
    \begin{equation*} \gamma_2\triangleq a_{i_0}\xi_{i_0+2}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+3}+\cdots +a_{n-3} \xi_{n-1}\in U, \end{equation*}
    依此类推,有\(a_{i_0}\xi_{n-1}\in U\)。由\(a_{i_0}\neq 0\)可知\(\xi_{n-1}\in U\)。于是,
    \begin{equation*} \beta_2\triangleq\beta_1-a_{n-1}\xi_{n-1}= a_{i_0} \xi_{i_0}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+1}+\cdots +a_{n-2}\xi_{n-2}\in U. \end{equation*}
    同理,我们有
    \begin{equation*} \varphi(\beta_2)-a\beta_2-a_{n-2}\xi_{n-1}\in U, \end{equation*}
    \begin{equation*} \eta_1\triangleq a_{i_0}\xi_{i_0+1}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+2}+\cdots +a_{n-3}\xi_{n-2}\in U. \end{equation*}
    再由\(\varphi(\eta_1)-a\eta_1-a_{n-3}\xi_{n-1}\in U\),得
    \begin{equation*} \eta_2\triangleq a_{i_0}\xi_{i_0+2}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+3}+\cdots +a_{n-4}\xi_{n-3}\in U. \end{equation*}
    依此类推,\(a_{i_0}\xi_{n-2}\in U\)。由\(a_{i_0}\neq 0\)可知\(\xi_{n-2}\in U\)。于是,
    \begin{equation*} \beta_3\triangleq\beta_2-a_{n-2}\xi_{n-2}= a_{i_0} \xi_{i_0}+a_{i_0+1}\xi_{i_0+1}+\cdots +a_{n-3}\xi_{n-3}\in U. \end{equation*}
    重复上述步骤,最后有\(a_{i_0}\xi_{i_0}\in U\)。由\(a_{i_0}\neq 0\)\(\xi_{i_0}\in U\)。因此,
    \begin{equation*} U=\langle \xi_{i_0},\xi_{i_0+1},\cdots ,\xi_n\rangle . \end{equation*}
6.
\(\varphi\)\(n\)维线性空间\(V\)上的线性变换,证明:
  1. \({\rm Ker}\varphi\subseteq{\rm Ker}\varphi^2\subseteq{\rm Ker}\varphi^3\subseteq\cdots\subseteq{\rm Ker}\varphi^n\subseteq\cdots\)
  2. \({\rm Im}\varphi\supseteq{\rm Im}\varphi^2\supseteq{\rm Im}\varphi^3\supseteq\cdots\supseteq{\rm Im}\varphi^n\supseteq\cdots\)
  3. 存在正整数\(s\),使得\({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\)
  4. 存在正整数\(t\),使得\({\rm Im}\varphi^t={\rm Im}\varphi^{t+1}\)
  5. \({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\),则对于任意正整数\(i\),有\({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+i}\)
  6. \({\rm Im}\varphi^t={\rm Im}\varphi^{t+1}\),则对于任意正整数\(i\),有\({\rm Im}\varphi^t={\rm Im}\varphi^{t+i}\)
  7. \({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\)的充分必要条件是\({\rm Im}\varphi^s={\rm Im}\varphi^{s+1}\)
  8. \({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\),那么\(V={\rm Ker}\varphi^s\oplus{\rm Im}\varphi^s\)
解答.
  1. 对任意\(m\in\mathbb{Z}^+,\alpha\in{ m Ker}\varphi^m\),有\(\varphi^m(\alpha)=0\),则
    \begin{equation*} \varphi^{m+1}(\alpha)=\varphi(\varphi^m(\alpha))=\varphi(0)=0. \end{equation*}
    \({ m Ker}\varphi^m\subseteq{ m Ker}\varphi^{m+1}\)
  2. 对任意\(m\in\mathbb{Z}^+\),下证\({\rm Im}\varphi^m\supseteq{\rm Im}\varphi^{m+1}\)。对任意\(\beta\in{\rm Im}\varphi^{m+1}\),存在\(\alpha\in V\),使得\(\beta=\varphi^{m+1}(\alpha)\),则
    \begin{equation*} \beta=\varphi^m(\varphi(\alpha))\in{\rm Im}\varphi^m. \end{equation*}
    从而\({\rm Im}\varphi^m\supseteq{\rm Im}\varphi^{m+1}\)
  3. \({\rm Ker}\varphi^m\neq{\rm Ker}\varphi^{m+1}\)的充要条件是\(\dim{\rm Ker}\varphi^m<\dim{\rm Ker}\varphi^{m+1}\)。因为\(V\)是有限维线性空间,所以\((1)\)中的包含关系不可能全部是真包含。故存在正整数\(s\),使得\({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\)
  4. \({\rm Im}\varphi^m\neq{\rm Im}\varphi^{m+1}\)的充要条件是\(\dim{\rm Im}\varphi^m>\dim{\rm Im}\varphi^{m+1}\)。因为\(V\)是有限维线性空间,所以\((2)\)中的包含关系不可能全部是真包含。故存在正整数\(t\),使得\({\rm Im}\varphi^t={\rm Im}\varphi^{t+1}\)
  5. 我们只需证明对任意\(j>s\),总有\({\rm Ker}\varphi^j={\rm Ker}\varphi^{j+1}\)。事实上,对任意\(\alpha\in{\rm Ker}\varphi^{j+1}\),有\(\varphi^{j+1}(\alpha)=0\),即\(\varphi^{s+1}(\varphi^{j-s}(\alpha))=0\),则\(\varphi^{j-s}(\alpha)\in{\rm Ker}\varphi^{s+1}\)。注意到\({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\),所以\(\varphi^{j-s}(\alpha)\in{\rm Ker}\varphi^s\)。因而
    \begin{equation*} 0=\varphi^s(\varphi^{j-s}(\alpha))=\varphi^j(\alpha), \end{equation*}
    这说明\(\alpha\in\varphi^j\),即\({\rm Ker}\varphi^{j+1}\subseteq{\rm Ker}\varphi^j\)。由结论\((1)\),有\({\rm Ker}\varphi^{j}\subseteq{\rm Ker}\varphi^{j+1}\),因此\({\rm Ker}\varphi^j={\rm Ker}\varphi^{j+1}\)。从而,
    \begin{equation*} {\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}={\rm Ker}\varphi^{s+2}=\cdots={\rm Ker}\varphi^{s+i}=\cdots . \end{equation*}
  6. 我们只需证明对任意\(j>t\),总有\({\rm Im}\varphi^j={\rm Im}\varphi^{j+1}\)。事实上,对任意\(\alpha\in{\rm Im}\varphi^{j}\),存在\(\beta\in V\),使得\(\alpha=\varphi^{j}(\beta)\),即\(\alpha=\varphi^{j-t}(\varphi^t(\beta))\)。注意到\(\varphi^t(\beta)\in{\rm Im}\varphi^t\)\({\rm Im}\varphi^{t}={\rm Im}\varphi^{t+1}\),所以存在\(\gamma\in V\),使得\(\varphi^t(\beta)=\varphi^{t+1}(\gamma)\)。因而
    \begin{equation*} \alpha=\varphi^{j-t}(\varphi^{t+1}(\gamma))=\varphi^{j+1}(\gamma)\in{\rm Im}\varphi^{j+1}, \end{equation*}
    这说明\({\rm Im}\varphi^{j}\subseteq{\rm Im}\varphi^{j+1}\)。由结论\((2)\),有\({\rm Im}\varphi^{j+1}\subseteq{\rm Im}\varphi^{j}\),因此\({\rm Im}\varphi^j={\rm Im}\varphi^{j+1}\)。从而,
    \begin{equation*} {\rm Im}\varphi^t={\rm Im}\varphi^{t+1}={\rm Im}\varphi^{t+2}=\cdots={\rm Im}\varphi^{t+i}=\cdots . \end{equation*}
  7. 根据维数公式
    \begin{equation*} \dim{\rm Ker}\varphi^s+\dim{\rm Im}\varphi^s=\dim V=\dim{\rm Ker}\varphi^{s+1}+\dim{\rm Im}\varphi^{s+1}, \end{equation*}
    结合\({\rm Ker}\varphi^s\subseteq{\rm Ker}\varphi^{s+1}\)\({\rm Im}\varphi^s\supseteq{\rm Im}\varphi^{s+1}\),得到
    \begin{equation*} \begin{array}{ccl}{\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}&\Leftrightarrow&\dim{\rm Ker}\varphi^s=\dim{\rm Ker}\varphi^{s+1}\\ &\Leftrightarrow&\dim{\rm Im}\varphi^s=\dim{\rm Im}\varphi^{s+1}\\ &\Leftrightarrow&{\rm Im}\varphi^s={\rm Im}\varphi^{s+1}. \end{array} \end{equation*}
  8. 因为\({\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{s+1}\),所以由\((5),(6),(7)\)
    \begin{equation*} {\rm Ker}\varphi^s={\rm Ker}\varphi^{2s},{\rm Im}\varphi^s={\rm Im}\varphi^{2s}. \end{equation*}
    对任意\(\alpha\in V\)\(\varphi ^s(\alpha)\in{\rm Im}\varphi^s\),所以存在\(\beta\in V\)使得\(\varphi ^s(\alpha)=\varphi^{2s}(\beta)\),则
    \begin{equation*} \alpha=\varphi^s(\beta)+(\alpha-\varphi^s(\beta)), \end{equation*}
    这里
    \begin{equation*} \varphi^s(\alpha-\varphi^s(\beta))=\varphi^s(\alpha)-\varphi^{2s}(\beta)=0, \end{equation*}
    \(\alpha-\varphi^s(\beta)\in{\rm Ker}\varphi^s\)。而\(\varphi^s(\beta)\in{\rm Im}\varphi^s\),故\(V={\rm Ker}\varphi^s+{\rm Im}\varphi^s\)
    对任意\(\alpha\in{\rm Ker}\varphi^s\bigcap{\rm Im}\varphi^s\),存在\(\beta\in V\)使得\(\alpha=\varphi^s(\beta)\)。又\(\varphi^s(\alpha)=0\),所以
    \begin{equation*} 0=\varphi^s(\varphi^s(\beta))=\varphi^{2s}(\beta), \end{equation*}
    \(\beta\in{\rm Ker}\varphi^{2s}={\rm Ker}\varphi^{s}\)。于是\(\alpha=\varphi^s(\beta)=0\),即\({\rm Ker}\varphi^s\bigcap{\rm Im}\varphi^s=0\)
    综上,\(V={\rm Ker}\varphi^s\oplus{\rm Im}\varphi^s\)
7.
\(\varphi\)\(n\)维线性空间\(V\)上的线性变换,满足\(\dim {\rm Im}\varphi^2=\dim{\rm Im}\varphi\),证明:\({\rm Im}\varphi\bigcap{\rm Ker}\varphi=0\)
解答.
对任意\(\alpha\in{\rm Im}\varphi\bigcap{\rm Ker}\varphi\),存在\(\beta\in V\)使得\(\alpha=\varphi(\beta)\)。因\(\varphi(\alpha)=0\),所以\(\varphi^2(\beta)=0\),即\(\beta\in{\rm Ker}\varphi^2\)。由条件\(\dim {\rm Im}\varphi^2=\dim{\rm Im}\varphi\)\({\rm Im}\varphi^2\subseteq{\rm Im}\varphi\),得\({\rm Im}\varphi^2={\rm Im}\varphi\)。根据上题结论\((7)\)知,\({\rm Ker}\varphi^2={\rm Ker}\varphi\)。故\(\beta\in{\rm Ker}\varphi\),即
\begin{equation*} \alpha=\varphi(\beta)=0. \end{equation*}
因此\({\rm Im}\varphi\bigcap{\rm Ker}\varphi=0\)