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【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式

时间:2023-08-09 22:02:50浏览次数:31  
标签:13 Cayley 多项式 定理 最小 Machine 3.4 零化 Hamliton


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【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_02

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3.4 Hamliton-Cayley定理、最小多项式

定义3.19

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵,若存在多项式【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_05,使得【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_06

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_07是零矩阵,称【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_05是矩阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的零化多项式


(1)对任何【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03,都存在零化多项式

线性空间【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_12【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_13维的
所以【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_14一定是线性相关的(【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_15
故,存在不全为0的数【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_16,使得
【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_17
即存在一个多项式【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_18,使得
【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_19
易得【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_18【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的零化多项式

(2)任何矩阵的零化多项式不惟一

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_18【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的零化多项式,则【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_24也是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的零化多项式,其中【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_26为任意非零多项式

Hamliton-Cayley定理

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_27

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依据Hamliton-Cayley定理,对于【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_31时,计算【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_32可以用小于【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的方幂来表示,简化矩阵运算

比如,设

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试计算【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_36

解答

由题易得

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利用多项式的除法可得

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由Hamliton-Cayley定理可知【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_41,得

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定义3.20

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的所有零化多项式中,次数最低的首一多项式,称为【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式,记为【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46

由Hamliton-Cayley定理定理可知,任意【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式是存在的,且次数不超过【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04

定理3.4.1

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的任意零化多项式都可以被【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式整除

证明

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_55【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的任意一个零化多项式,则有

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_57

其中【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_58【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_59

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_60表示多项式【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_61的次数(最高项的次数)

依据上式,有

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因为【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_63,得到

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_64

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_58时,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_66,说明【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46可以被【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_55整除

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_69这里的0是数字零
【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_64这里的0是矩阵零
【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_64时,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_72是一个关于【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_73的多项式,不一定是0,这里需要讨论

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_74时,若【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_66

因为 【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_59

所以得到一个次数比【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46还低的零化多项式,产生矛盾

所以,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_78一定等于0

综上,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_04阶方阵【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的任意零化多项式都可以被【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式整除,记作 【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_82

定理3.4.2

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式是惟一的

证明

一般证明惟一性时,可以先假设同时存在两个满足条件的事例,然后证明二者相等即可

依据题意,假设【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_84都是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式

由定理3.4.1 可知

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_86

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_87都可以相互被整除

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_88

将上述第二个式子代入第一个式子得到

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_89

第一个式子代入第二个式子同样得到

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_90

结合 【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_91都可以相互被整除且都为首一多项式,可以得到

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_92

综上,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式是惟一的

定理3.4.3

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式的根是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的特征根

反之,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的特征根必是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式的根


证:【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的最小多项式的根是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的特征根

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的最小多项式,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_05【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的特征多项式,其中【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_104

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_105【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46的根,则

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_107

由定理3.4.1,有

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_108

因为【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_109,所以有

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_110

说明【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_111也是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的特征根

证:【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的特征根必是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的最小多项式的根

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_111【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_03的特征根,【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_117是其对应的特征向量,则有

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进而可得

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_119

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_120

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_121

推出

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_122

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_123,所以

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_107

说明【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_111【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46的根


推论

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_127

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_128

其中

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_129


例题

分别求矩阵

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的最小多项式

解答

1)求【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_21的最小多项式

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_132

由推论可知

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46可能是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_134或者【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_135

因为【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_136

所以【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_137

2)求【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_138的最小多项式

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_139

依据推论

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_机器学习_46可能是【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_141这四种情况

因为【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_1024程序员节_142

所以【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_算法_143的最小多项式【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_矩阵_144

定理3.4.4

【机器学习|数学基础】Mathematics for Machine Learning系列之矩阵理论(13):Hamliton-Cayley定理、最小多项式_Machine_145

标签:13,Cayley,多项式,定理,最小,Machine,3.4,零化,Hamliton
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