湖南师范大学 2025年高等代数第2题
📝 题目
2.设 $\displaystyle \mathscr{A}$ 是线性空间 $V$ 上的线性变换,$\displaystyle f(t), g(t)$ 是两个多项式,$\displaystyle h(t)=f(t) g(t)$ ,问什么情况下,有 $\displaystyle f(\mathscr{A}) V \cap g(\mathscr{A}) V=h(\mathscr{A}) V$ .
💡 答案解析
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📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:明确包含关系
由于 $h(\mathscr{A}) = f(\mathscr{A})g(\mathscr{A}) = g(\mathscr{A})f(\mathscr{A})$,对任意 $x \in h(\mathscr{A})V$,存在 $w \in V$ 使得 $x = f(\mathscr{A})g(\mathscr{A})w$。则 $x = f(\mathscr{A})(g(\mathscr{A})w) \in f(\mathscr{A})V$,且 $x = g(\mathscr{A})(f(\mathscr{A})w) \in g(\mathscr{A})V$,所以 $h(\mathscr{A})V \subseteq f(\mathscr{A})V \cap g(\mathscr{A})V$。因此只需讨论反向包含成立的条件。
公式:$h(\mathscr{A})V \subseteq f(\mathscr{A})V \cap g(\mathscr{A})V$
提示:注意线性变换的像空间是子空间,包含关系容易验证。
步骤 2/5
目标:引入最大公因式
设 $d(t) = \gcd(f(t), g(t))$,则存在多项式 $u(t), v(t)$ 使得 $d(t) = u(t)f(t) + v(t)g(t)$。将 $\mathscr{A}$ 代入得 $d(\mathscr{A}) = u(\mathscr{A})f(\mathscr{A}) + v(\mathscr{A})g(\mathscr{A})$。
公式:$d(\mathscr{A}) = u(\mathscr{A})f(\mathscr{A}) + v(\mathscr{A})g(\mathscr{A})$
提示:最大公因式的存在性依赖于多项式环是主理想整环。
步骤 3/5
目标:充分性:当 $f$ 与 $g$ 互素时等式成立
若 $\gcd(f,g)=1$,则 $d(t)=1$,存在 $u,v$ 使得 $u(t)f(t)+v(t)g(t)=1$。对任意 $x \in f(\mathscr{A})V \cap g(\mathscr{A})V$,存在 $y,z \in V$ 使得 $x = f(\mathscr{A})y = g(\mathscr{A})z$。则
$$x = (u(\mathscr{A})f(\mathscr{A})+v(\mathscr{A})g(\mathscr{A}))x = u(\mathscr{A})f(\mathscr{A})x + v(\mathscr{A})g(\mathscr{A})x$$
$$= u(\mathscr{A})f(\mathscr{A})g(\mathscr{A})z + v(\mathscr{A})g(\mathscr{A})f(\mathscr{A})y = f(\mathscr{A})g(\mathscr{A})(u(\mathscr{A})z + v(\mathscr{A})y) \in h(\mathscr{A})V.$$
因此 $f(\mathscr{A})V \cap g(\mathscr{A})V \subseteq h(\mathscr{A})V$,结合第一步得等式成立。
公式:$x = f(\mathscr{A})g(\mathscr{A})(u(\mathscr{A})z + v(\mathscr{A})y)$
提示:注意交换性:$f(\mathscr{A})g(\mathscr{A})=g(\mathscr{A})f(\mathscr{A})$。
步骤 4/5
目标:必要性:若等式成立则 $f$ 与 $g$ 互素
反证法。假设 $\gcd(f,g) \neq 1$,则存在非常数多项式 $d(t)$ 整除 $f$ 和 $g$。设 $f = d f_1$,$g = d g_1$,则 $h = d^2 f_1 g_1$。考虑 $\mathscr{A}$ 的若尔当标准型,取 $\lambda$ 为 $d(t)$ 的根,则存在特征向量 $v \neq 0$ 使得 $\mathscr{A}v = \lambda v$。于是 $f(\mathscr{A})v = f(\lambda)v = 0$,$g(\mathscr{A})v = g(\lambda)v = 0$,故 $v \in \ker f(\mathscr{A}) \cap \ker g(\mathscr{A})$。但 $v$ 不一定属于 $h(\mathscr{A})V$,因为 $h(\mathscr{A})V$ 是像空间。例如,取 $\mathscr{A}$ 为二维幂零若尔当块 $J_2(0)$,$f(t)=t$,$g(t)=t$,则 $f(\mathscr{A})V = g(\mathscr{A})V = \langle e_1 \rangle$,而 $h(\mathscr{A})V = \mathscr{A}^2 V = 0$,等式不成立。因此 $f$ 与 $g$ 必须互素。
提示:反例构造:考虑幂零变换和 $f(t)=g(t)=t$。
步骤 5/5
目标:总结结论
综上所述,$f(\mathscr{A})V \cap g(\mathscr{A})V = h(\mathscr{A})V$ 当且仅当 $f(t)$ 与 $g(t)$ 互素,即 $\gcd(f,g)=1$。
公式:$\gcd(f,g)=1$
提示:注意条件与线性变换的具体形式无关,只依赖于多项式。
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