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习题 5.18

的线性子空间, . 称 的不变子空间, 若 . 求证:

(1) 的特征空间均是 的不变子空间;

(2)若 的不变子空间, 则 也是 的不变子空间;

(3) 任取 都是 的不变子空间;

(4) 若 , 使得 , 则 均是 的不变子空间.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明

(1) 设 的一个特征值,特征空间
对任意 ,有 。 计算

,即 。因此 的不变子空间。

(2) 若 的不变子空间,则 有界,故连续。任取 ,存在序列 使 。由 的连续性,
,有 ,从而 中点的极限,故
此外,在赋范空间中线性子空间的闭包仍为线性子空间,所以 也是 的不变子空间。

(3) 固定

  • 零空间 :若 ,则 。于是

    ,即

  • 值域 :若 ,则存在 使得 。那么

    因为 。故

因此 均为 的不变子空间。

(4) 设

  • 零空间 :取 ,则 。由交换性,

    所以 ,即

  • 值域 :取 ,则存在 使 。利用交换性,

因此 都是 的不变子空间。 ∎