C.44. 杂例

例 C.44.1. 级阵. 设  级阵 适合

的列 , , , 分别是 , , , . 设 的列 , , , 分别是 , , , . 则 的列 则, 由多线性, 由加法的结合律与交换律, 我们可按任何方式, 任何次序求这些的和. 特别地, 我们可按 分这些数为若干组, 求出一组的组和 (即一组的元的和), 再求这些组的组和的和. 因为 , 故 . 于是, 我们可分这些数为  组: 适合 的项在一组; 适合 的项在一组; …… 适合 的项在一组. 不难看出, 每一项在某一组里, 且每一项不能在二个不同的组里. 则

不难看出, 时, . 则

不难看出, 时, . 则

设正整数 . 由 , 知在 , , , 中, 有   . 设 (其中, ), 且 (其中, ). 记  级阵注意, 当 , 且 时, , 且 , 按列  展开 , 有按列  展开 , 有…… 最后, 我们算出于是

综上,

例 C.44.2. 级阵. 设 是数. 则

注意, 故, 由上个例,

例 C.44.3. 设正整数 , 适合 . 设 , 分别是  阵. 设正整数 . 由 Binet–Cauchy 公式的推广,

例 C.44.4. 设正整数 , 适合 . 设 , 分别是  阵. 设 是数. 则特别地, 代 以数 , 有

例 C.44.5., , , , , ,  个数. 作  级阵 如下: 我们计算 .

, 且 . 则由此, 不难看出, . 故

我们当然也可用别的方法. 作  级阵 如下: 通俗地, 一方面, 按行  展开, 有另一方面, 我们加列  倍于列 , 加列  倍于列 , …… 加列  倍于列 , 得  级阵. 故 .

我们加列  倍于列 , 加列  倍于列 , …… 加列  倍于列 , 得  级阵. 故

例 C.44.6. 级阵. 则 是有意义的, 且也是方阵. 我们写 . 类似地, 也是有意义的, 且也是方阵. 我们写 . 一般地, 对任何非负整数 , 我们如下定义方阵  次方: 不难看出, .

类似数的非负整数次方, 方阵的非负整数次方适合, 对任何方阵 , 任何非负整数 , ,

(1) ;

(2) .

我们用数学归纳法证明 (1) 与 (2).

(1) 作命题 : . 我们的目标是, 对任何非负整数 , 是对的.

是对的, 因为 .

假定 是对的. 我们由此证明, 也是对的. 注意, 所以, 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

(2) 作命题 : . 我们的目标是, 对任何非负整数 , 是对的.

是对的, 因为 .

假定 是对的. 我们由此证明, 也是对的. 注意, 所以, 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

例 C.44.7. 我们知道, 对任何数 , , 任何非负整数 , 必 . 可是, 存在二个同级的方阵 , , 存在非负整数 , 使 : 取 , 不难算出

不过, 若 , 则我们仍有, 对任何非负整数 , 必 . 为证明此事, 我们要作准备.

作命题 : . (注意, , 而不是 ; 这就像 , 而不是 .) 我们用数学归纳法证明 .

是对的, 因为 .

假定 是对的. 我们由此证明, 也是对的. 注意, 所以, 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

好的. 我们作好了准备.

作命题 : . 我们的目标是, 对任何非负整数 , 是对的.

是对的, 因为 .

假定 是对的. 我们由此证明, 也是对的. 注意, 所以, 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

例 C.44.8. 是方阵. 设 是数. 设 是非负整数. 可以用数学归纳法证明:

(1) . (用 , 若 , 都是  级阵, 且 , 是数.)

(2) . (用 , 若 , 都是  级阵.)

(3) . (用 , 若 , 都是  级阵; 见 “转置的性质”.)

(4) . (用 , 若 , 都是  级阵; 见 “古伴的性质 (3)”.)

请允许我留它们为您的习题.

例 C.44.9.,  级阵. 则存在跟 , 的元有关的数 , , , , 使对任何数 , 有其中, , 且 .

作命题 : 对任何  级阵 , , 存在跟 , 的元有关的数 , , , , 使对任何数 , 有其中, , 且 . 我们的目标是, 对任何非负整数 , 是对的.

是显然的:

假定 是对的. 我们由此证明, 也是对的.

,  级阵. 则,  级阵. 由假定, 存在跟 , 的元有关的数 (从而也是跟 , 的元有关的数) , , , , 使对任何数 , 有其中, , 且 . 为方便, 记 , 且 . 则 , , 的元有关. 则, 的元有关, 且对任何数 , 有最后, 不难算出所以, 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

例 C.44.10. 级阵. 则存在跟 的元有关的数 , , , , 使对任何数 , 有其中, , 且 .

我们考虑 的古伴 . 它的 -元则有跟 的元有关的数 (, , , ), 使对任何数 , 有其中, , 且 . 为方便, 记 . 则有跟 的元有关的数 (, , , ), 使对任何数 , 有 级阵 , 使 (, , , ). 则 , , , 的元全跟 的元有关, 且对任何数 , 有因为 , 我们有 .

因为我们有上式的左侧是比较左侧与右侧, 有

, 知

, 知

最后, 由前面的例, 时, 特别地, .

综上, 我们有:

定理 C.44.11. 级阵.

(1) 存在跟 的元有关的数 , , , , 使对任何数 , 有其中, , 且 . 更具体地, 时,

(2) 用 的一些非负整数次方的数乘的和, 我们可如此表示 的古伴: 的古伴

(3) (Cayley–Hamilton (kēili–hāmérten) 定理)

例 C.44.12. 我们验证 时的情形. 为方便, 设 . 则 . 直接计算, 有注意, , 且则 (1) 被验证.

因为 , 我们有类似地, 可验证 ; 请允许我留它为您的习题. 则 (2) 被验证.

最后, 则 (3) 被验证.

例 C.44.13. 级阵. 设 是不超过 的正整数. 按行  展开, 有注意, 的列  对应 的列 . 则所以 (注意, 对整数 , , 有 )

是反称阵. 则 , 且 . 注意, . 则注意, . 则ndalign* 则回想, 对反称阵 , 有 . 回想, 回想, 注意, . 则 是偶数. 则

, , 且 . 作 级反称阵 , 其中, 注意, . 则 , , 且 . 则, 由我们有注意, 若 , 或 , 或 , 或 , 则 . 所以

回想, , , 且 时, 回想, . 于是, 对不等于 的, 且不超过 的正整数 , , 所以, 若 ,

综上, 我们有:

定理 C.44.14. 级反称阵. 设 是不超过 的正整数. 设不超过 的正整数 , 不等于 . 则

例 C.44.15. 级反称阵. 作  级反称阵 , 其中, . 设 , 是不超过 的正整数. 则于是, 若   适合 , 则 .

例 C.44.16. 级反称阵. 它的古伴 也是反称阵, 故 的 pfaffian 是有意义的. 则注意, . 于是, 若 , , 则 , 且由前面的结果, . 则 . 故上式仍是对的.

例 C.44.17. 设一元运算 适合, 对任何 , , 必

由此, . 则 .

注意, . 则 . 则 .

注意, . 则 . 则 . 则 . 于是, 若 , , , 的每一个是 , , 或 , 则

 级阵, 我们研究, 会是什么.

. 则 . 则 .

. 则 . 则

. 则

我们想, 我们或许知道 了. 为方便, 我们作这样的记号: 若  阵, 且 是正整数, 则 也是  阵, 其中,

作命题 : 对任何  级阵 , 我们的目标是, 对任何正整数 , 是对的.

是对的.

假定 是对的. 我们由此证明, 也是对的.

注意, 注意, 既然 的列  相同 (若 ), 则 . 则

由假定, 注意, . 则注意, 当 时, . 则综上, 所以, 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

注意, 既然 的列  相同 (若 ), 则 . 并且, . 则为方便, 我们作这样的记号: 若  阵, 则 也是  阵, 其中, . 则

最后, 我们再引入方阵的 trace: 若  级阵, 则 trace (chuìsi)

例 C.44.18. 级反称阵. 我们求 .

. 则 . 则 .

. 则 . 则 .

. 则 . 则 .

. 则 . 则

作命题 : 对任何  级反称阵 , 再作命题 : 是对的. 我们用数学归纳法证明, 对任何大于 的正整数 , 是对的. 则对不低于 的正整数 , 是对的.

显然地是对的. 则 是对的.

是对的. 则 是对的. 我们要证, 是对的. 则我们要证, 是对的. 于是, 若我们以 证, 是对的, 则 是对的.

. 则注意, 的位置是行 , 列 . (回想, 若 , 则 , 且若 , 则 .) 由假定, 为方便, 我们简单地写 . 则注意, 综上, 所以, 是对的. 则 是对的. 由数学归纳法, 待证命题成立.

例 C.44.19. 回想, 若  级阵, 则 的 trace 我们说, trace 也是方阵的一个属性, 就像行列式是方阵的一个属性那样.

,  级阵. 设 是数. 设  阵, 且  阵. 则:

(1) . 注意,

(2) . 注意,

(3) . 注意,

(4) . 注意, (其实, 此事是例 C.44.3 的一个特别的情形.)

值得提, 当 时, 一般不是对的. 为此, 设 , 是这样的  级阵: 可以验证, . 则 . 但是, .

例 C.44.20. 级阵. 则存在  级阵 , 使 .

我们知道, . 若 , 我们取 .

以下, 我们设 . 注意, 此时, (注意, 若 , 则 的古伴总为 ), 且 .

, 我们可取 为任何非零的  级阵 (如 ).

以下, 我们设 , 且 . 注意, 此时, (注意, 若 , 则 的古伴不为 , 除非 ).

我们说, 存在小于 的正整数 , 使 有行列式非零的  级子阵, 且 没有行列式非零的  级子阵. 设 (其中, , 且 ; 则 ) 是 的一个  级子阵, 且 有行列式非零的  级子阵 (此  级子阵当然是 的行列式非零的  级子阵). 则 , 且 .

 级阵 , 使 (因为 的元都是 的元, 且 ). 我们说明, , 且 .

注意, 不等于任何 , 则 . 则 . 若 等于某 , 则 等于某 , 则 不等于任何 , 则 级阵 , 使 的行 的行 相等 (若 ). 则 , 且 . 则 .

, , , , , , 中是第 小的数. 若 , 则 就是  级子阵 . 注意, . 则 . 若 , 则我们分别地使 的行  与在行  的下面的 行, 行 , , 行 , 交换位置, 变 . 则 . 若 , 则我们分别地使 的行  与在行  的上面的 行, 行 , , 行 , 交换位置, 变 . 则 . 则 .

综上, 既然 的每一个元都是 , 则 .

我们可几乎类似地证, . 当然, 我们也可这样作.

相当于 . 且 也没有行列式非零的  级子阵. 注意, 的一个  级子阵, 且 有行列式非零的  级子阵 (此  级子阵当然是 的行列式非零的  级子阵). 则 , 且 .

我们类似地作  级阵 , 使. (注意, , 故 . 在其他的情形, .) 并且, 当然, . 那么, 由前面的讨论, .