I Algebra liniowa z geometrią 1

Rozdział 2 Pojęcia wstępne

SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU ciało liczb rzeczywistych ◇ ciało liczb zespolonych ◇ wzór de Moivre’a ◇ zasadnicze twierdzenie algebry ◇ ciało ℤp ◇ grupa ◇ grupa 𝕊1 ◇ grupa pierwiastków zespolonych z jedynki

2.1 Zbiory i liczby rzeczywiste

Zbiór jest kolekcją pewnych obiektów. Dla przykładu, zbiór

A={1,2,3}

składa się z elementów 1,2,3 będących liczbami naturalnymi. Napis 1∈A oznacza, że liczba naturalna 1 jest elementem zbioru A. Natomiast napis 4∉A stwierdza, że 4 nie jest elementem zbioru A. Zbiory A i B są równe, gdy składają się z tych samych elementów. Zbiory

{1,2,3}={3,2,1}={1,2,3,1}

są równe. Napis A⊂B oznacza, że zbiór A jest podzbiorem zbioru A, czyli każdy element zbioru A jest elementem zbioru B. Dla przykładu,

{1,2}⊂{-1,0,1,2},{1,8}⊄{-1,0,1,2}.
Przykład 2.1.

Ważne zbiory liczbowe:

  • •

    zbiór liczb naturalnych ℕ={1,2,3,4,5,…};

  • •

    zbiór liczb całkowitych ℤ={…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…};

  • •

    zbiór liczb wymiernych ℚ={mn:m∈ℤ,n∈ℤ∖{0}};

  • •

    zbiór liczb rzeczywistych ℝ.

Zachodzą zawierania

ℕ⊂ℤ⊂ℚ⊂ℝ,

ale żadne z nich nie jest równością. Zbiór liczb rzeczywistych ℝ składa się z liczb wymiernych ℚ i liczb niewymiernych ℝ∖ℚ. Przykładowo, liczby 2, π, 3-3 są niewymierne.

Zbiór pusty ∅, to zbiór który nie zawiera żadnych elementów. Przykładowo,

∅ ={n∈ℕ:n2=-1}
={x∈ℝ:x⋅0≠0}
={m∈ℤ:m3=2}
={m∈ℕ:3.01≤m<3.99}.
  • 𝗧𝗘𝗦𝗧→

    Oceń czy poniższe zdania są prawdziwe:

    • –

      Zbiory A={x∈ℕ:x2=16} i B={x∈ℤ:x2=16} są równe;

    • –

      Suma liczby wymiernej x i niewymiernej y jest liczbą niewymierną;

    • –

      Suma x+y i iloczyn x⋅y liczb wymiernych jest liczbą wymierną;

    • –

      Suma x+y liczb niewymiernych jest liczbą niewymierną;

    • –

      Iloczyn x⋅y liczb niewymiernych jest liczbą niewymierną;

    • –

      Iloczyn x⋅y liczb: wymiernej x i niewymiernej y jest liczbą niewymierną;

    • –

      Suma x+y liczb: wymiernej x i niewymiernej y jest liczbą niewymierną.

⟵

Liczby rzeczywiste możemy dodawać i mnożyć. Wynikiem tych operacji jest ponownie liczba rzeczywista. Bardziej formalnie oznacza to, że określone są dwie funkcje (operacje): dodawanie liczb rzeczywistych

+:ℝ×ℝ∋(x,y)⟼x+y∈ℝ

oraz ich mnożenie

⋅:ℝ×ℝ∋(x,y)⟼x⋅y∈ℝ.

Jeśli poprawnie rozwiązaliście Test to zauważycie, że dodawanie i mnożenie jest również dobrze określonym działaniem w zbiorze liczb wymiernych. Powyższe zdanie oznacza tyle, że suma x+y i iloczyn x⋅y liczb wymiernych jest liczbą wymierną. Nie jest tak z liczbami niewymiernymi. Działania te wyprowadzają nas ze zbioru liczb niewymiernych. Przykładowo, liczby 2 i -2 są niewymierne, ale ich suma 2+(-2)=0 i iloczyn 2⋅(-2)=-2 są liczbami wymiernymi (nawet całkowitymi).

Wróćmy do działań dodawania i mnożenia w zbiorze liczb rzeczywistych. Zakładamy, że dla dowolnych liczb rzeczywistych a,b,c∈ℝ zachodzą warunki (aksjomaty):

  • (i)

    (a+b)+c=a+(b+c)

  • (ii)

    a+b=b+a

  • (iii)

    a+0=a

  • (iv)

    istnieje taka liczba rzeczywista b, że a+b=0

  • (v)

    (a⋅b)⋅c=a⋅(b⋅c)

  • (vi)

    a⋅b=b⋅a

  • (vii)

    a⋅1=a

  • (viii)

    jeżeli a≠0, to istnieje taka liczba rzeczywista a-1 , że a⋅a-1=1

  • (ix)

    a⋅(b+c)=a⋅b+a⋅c

Algebraicy mówią wtedy krótko, że zbiór liczb rzeczywistych ℝ z działaniami + oraz ⋅ jest ciałem. Oznacza to, że trójka (ℝ,+,⋅) (zbiór ℝ i dwa działania w nim) spełnia warunki (i)-(ix).

Liczby rzeczywiste możemy ze sobą porównywać. Dla dowolnych x,y∈ℝ zachodzi jeden z warunków

x=y lub x<y lub y<x.

Relacja < jest zgodna z działaniami w tym sensie, że zachodzą warunki:

  • (1)

    jeśli a<c i b<d, to a+b<c+d,

  • (2)

    jeśli a<b i c>0, to a⋅c<b⋅c.

Dla liczby rzeczywistej x∈ℝ definiujemy jej wartość bezwzględną wzorem

|x|={x,gdy x≥0,-x,gdy x≤0. 

Liczby rzeczywiste możemy interpretować jako punktu na prostej. Liczba nieujemna |x| jest odległością punktu x od punktu 0. Dla liczb rzeczywistych x,y∈ℝ zachodzi nierówność

|x+y|≤|x|+|y|.

2.2 Liczby zespolone

Wprowadzimy teraz ważne uogólnienie ciała liczb rzeczywistych, czyli ciało liczb zespolonych.

Zbiór liczb zespolonych ℂ definiujemy jako zbiór uporządkowanych par liczb rzeczywistych, czyli

ℂ:={(x,y):x,y∈ℝ}.

Podobnie jak liczby rzeczywiste możemy interpretować jako punkty na prostej, tak elementy zbioru ℂ są punktami na płaszczyźnie.

Na razie mamy pewien zbiór tzn. zbiór punktów na płaszczyźnie. Aby mówić o ciele liczb zespolonych musimy w zbiorze ℂ wprowadzić dwa działania + oraz ⋅ spełniające warunki (i)-(ix). Zrobimy to wykorzystując działania określone w zbiorze liczb rzeczywistych. Jest to typowy dla matematyki mechanizm tworzenia nowych struktur w oparciu o struktury już istniejące.

Definicja 2.1 (Suma i iloczyn liczb zespolonych).

Sumę i iloczyn liczb zespolonych (x1,y1), (x2,y2)∈ℂ określamy wzorami

(x1,y1)+(x2,y2) :=(x1+x2,y1+y2), (2.1)
(x1,y1)⋅(x2,y2) :=(x1⋅x2-y1⋅y2,x1⋅y2+y1⋅x2). (2.2)
  • !

    Wzory (2.1) i (2.2) wymagają pewnego komentarza. W formule (2.1) znak + z lewej strony równości jest nowo definiowanym pojęciem dodawania liczb zespolonych przy pomocy, wcześniej zdefiniowanej, formuły z prawej strony: jest to więc znak dodawania punktów na płaszczyźnie. Po prawej stronie znak + jest już wcześniej znaną operacją dodawania liczb rzeczywistych. Mamy tu więc do czynienia z pewną kolizją oznaczeń: znak + z prawej i lewej strony oznacza inne operacje, zdefiniowane w innych zbiorach. Musimy się do tego przyzwyczaić i domyślać się z kontekstu o jakie działanie chodzi. Alternatywą byłoby oznaczanie dodawania liczb zespolonych jakimś innym symbolem niż + np. ♡. Moglibyśmy wtedy formułę (2.1) zapisać jako

    (x1,y1)⁢♡⁢(x2,y2)=(x1+x2,y1+y2).

    Tego typu mnożenie oznaczeń nie wydaje się jednak celowe. Zachęcam do analogicznego przeanalizowania znaczenia symboli ⋅, ± we wzorze (2.2).

Dla liczby zespolonej z=(x,y)∈ℂ wygodnie jest wprowadzić następującą terminologię. Liczby rzeczywiste x oraz y nazywamy odpowiednio częścią rzeczywistą i częścią urojoną liczby zespolonej z. Będziemy używać oznaczeń

Re⁢z:=x,Im⁢z:=y.
Definicja 2.2 (Sprzężenie i moduł liczby zespolonej).

Dwie liczby zespolone (x1,y1) oraz (x2,y2) są równe, wtedy i tylko wtedy, gdy x1=x2 oraz y1=y2, tzn. zarówno ich części rzeczywiste, jak i urojone są równe. Dla liczby zespolonej z=(x,y)∈ℂ definiujemy liczbę przeciwną -z:=(-x,-y) oraz

z¯: =(x,-y) sprzężenie liczby zespolonej
|z|: =x2+y2 moduł liczby zespolonej.

Moduł liczby zespolonej z=(x,y) jest odległością punktu (x,y) od początku układu współrzędnych (0,0).

Zachodzą własności

z1+z2¯=z¯1+z¯2,z1⋅z2¯=z¯1⋅z¯2
|z1+z2|≤|z1|+|z2|,|z1⋅z2|=|z1|⁢|z2|
Re⁢z=z+z¯2,Im⁢z=z-z¯2⁢i.
Przykład 2.2.

Uzasadnimy, że

|z+w|≤|z|+|w|,z,w∈ℂ.

Zauważmy, że

|z+w|2 =(z+w)⁢(z+w¯)
=(z+w)⁢(z¯+w¯)
=|z|2+z⋅w¯+z¯⋅w+|w|2
=|z|2+|w|2+2⁢R⁢e⁢(z⋅w¯)
≤|z|2+|w|2+2⁢|z⋅w|
=(|z|+|w|)2.
Wniosek 2.1.

Dla dowolnej liczby zespolonej z=(x,y)∈C zachodzi wzór

z⋅z¯=(|z|2,0).
Dowód.

Dowód polega na bezpośrednim rachunku. Mamy

z⋅z¯ =(x,y)⋅(x,-y)
=(x⋅x-y⋅(-y),x⋅(-y)+y⋅x)
=(x2+y2,0)
=(|z|2,0).

∎

Twierdzenie 2.1.

Dla dowolnych liczb zespolonych z,w,q mamy

  • (i)

    (z+w)+q=z+(w+q)

  • (ii)

    z+w=w+z

  • (iii)

    z+(0,0)=z

  • (iv)

    z+(-z)=(0,0)

  • (v)

    (z⋅w)⋅q=z⋅(w⋅q)

  • (vi)

    z⋅w=w⋅z

  • (vii)

    z⋅(1,0)=z

  • (viii)

    jeżeli z≠0, to istnieje jedyna taka liczba zespolona z-1, że z⋅z-1=(1,0)

  • (ix)

    z⋅(w+q)=z⋅w+z⋅q

W szczególności, trójka (C,+,⋅) jest ciałem.

Dowód.

Udowodnimy dla przykładu punkty (viii) i (ix) pozostawiając dowody pozostałych punktów jako ćwiczenie. Zaczniemy od dowodu punktu (ix). Niech z=(x1,y1), w=(x2,y2) i q=(x3,y3) będą dowolnymi liczbami zespolonymi. Wtedy

z⋅(w+q) =(x1,y1)⋅((x2,y2)+(x3,y3))
=(x1,y1)⋅(x2+x3,y2+y3)
=(x1⋅(x2+x3)-y1⋅(y2+y3),x1⋅(y2+y3)+y1⋅(x2+x3))
=(x1⋅x2-y1⋅y2+x1⋅x3-y1⋅y3,x1⋅y2+y1⋅x2+x1⋅y3+y1⋅x3)
=(x1⋅x2-y1⋅y2,x1⋅y2+y1⋅x2)+(x1⋅x3-y1⋅y3,x1⋅y3+y1⋅x3)
=z⋅w+z⋅q.

Zajmiemy się teraz dowodem punktu (ix). Niech z=(x,y)≠(0,0) będzie dowolną, niezerową liczbą zespoloną. Zauważmy, że |z|2=x2+y2≠0. Szukamy takiej liczby zespolonej z-1, że z⋅z-1=(1,0). Ponieważ

z⋅z¯=(|z|2,0),

więc wystarczy przyjąć, że

z-1=(x|z|2,-y|z|2)=z¯|z|2.

∎

Liczby zespolone postaci (x,0) będziemy utożsamiać z liczbami rzeczywistymi, tzn. będziemy pisać (x,0)=x.

Definicja 2.3 (Jednostka urojona).

Liczbę zespoloną

i:=(0,1)

nazywamy jednostką urojoną.

Zauważmy, że

i2=(0,1)⋅(0,1)=(-1,0)=-1.

Stąd

i2=-1,i3=-i,i4=1,

czyli

i4⁢k=1,i4⁢k+1=i,i4⁢k+2=-1,i4⁢k+3=-i,k∈ℕ.

Każdą liczbę zespoloną z=(x,y) możemy zapisać w postaci algebraicznej:

z=(x,y)=(x,0)+(0,y)=(x,0)+(0,1)⋅(y,0)=x+i⁢y.

Dodawanie i mnożenie liczb zespolonych z1=x1+i⁢y1 oraz z2=x2+i⁢y2 w postaci algebraicznej przyjmuje postać

z1+z2=(x1+x2)+i⁢(y1+y2),
z1⋅z2=(x1⁢x2-y1⁢y2)+i⁢(x1⁢y2+y1⁢x2).

W tej konwencji zapisu liczby zespolone mnożymy tak samo jak liczby rzeczywiste pamiętając, że i2=-1. Dla przykładu,

(1+i⁢2)⁢(4+3⁢i) =4+4⁢i⁢2+3⁢i+3⁢2⁢i2
=4-3⁢2+i⁢(4⁢2+3).
Rysunek 2.1: Mnożenie przez i jest obrotem o π/2.
Rysunek 2.2: Liczba zespolona z, jej argument, moduł i liczba zespolona z¯ sprzężona do z.
Przykład 2.3.

Zapiszemy liczbę 11+3⁢i w postaci a+b⁢i. Mamy

11+3⁢i =11+3⁢i⋅1-3⁢i1-3⁢i
=1-3⁢i1+32
=1-3⁢i10.

Każdą liczbę zespoloną z=x+i⁢y≠0 można zapisać w postaci

z=x+i⁢y=|z|⁢(x|z|+i⁢y|z|).

Ponadto,

x|z|=cos⁡φ,y|z|=sin⁡φ, (2.3)

gdzie φ jest kątem między między osią rzeczywistą a półprostą o początku w punkcie (0,0) przechodzącą przez punkt (x,y). Otrzymujemy stąd postać trygonometryczną liczby zespolonej:

z=|z|⁢(cos⁡φ+i⁢sin⁡φ). (2.4)

Każdą liczbę φ spełniającą równania (2.3) nazywamy argumentem liczby zespolonej z≠0 i oznaczamy arg⁡(z).

Argument arg⁡(z) nie jest wyznaczony jednoznacznie. Jeżeli φ jest pewnym argumentem z, to każdy inny argument z jest postaci

φ+2⁢k⁢π,

dla pewnego k∈ℤ. Jeśli z=0, to równość (2.4) zachodzi dla dowolnej liczby rzeczywistej φ. Argumentem głównym liczby zespolonej z≠0 nazywamy liczbę rzeczywistą φ∈(-π,π] określoną równaniami (2.3). Oznaczamy go przez Arg⁢(z).

Z powyższy rozważań wynika, że liczba zespolona z≠0 jest jednoznacznie wyznaczona przez swój moduł i argument. Wynika stąd, że dwie liczby zespolone są równe wtedy i tylko wtedy, gdy mają równe moduły i ich argumenty różnią się o całkowitą wielokrotność 2⁢π.

Przykład 2.4.

Zapiszemy liczbę z=1+i⁢3 w postaci trygonometrycznej. Mamy |z|=4=2 oraz

cos⁡θ=12,sin⁡θ=32.

Stąd θ=π3, czyli

1+i⁢3=2⁢(cos⁡π3+i⁢sin⁡π3).
Lemat 2.1.

Dla danych w postaci trygonometrycznej liczb zespolonych

z1=|z1|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ),z2=|z2|⁢(cos⁡ψ+i⁢sin⁡ψ)

zachodzi wzór

z1⋅z2=|z1|⁢|z2|⁢(cos⁡(ϕ+ψ)+i⁢sin⁡(ϕ+ψ)).
Dowód.

Bezpośredni rachunek pokazuje, że

z1⋅z2 =|z1|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ)⋅|z2|⁢(cos⁡ψ+i⁢sin⁡ψ)
=|z1|⁢|z2|⁢(cos⁡ϕ⁢cos⁡ψ-sin⁡ϕ⁢sin⁡ψ+i⁢(sin⁡ϕ⁢cos⁡ψ+cos⁡ϕ⁢sin⁡ψ))
=|z1|⁢|z2|⁢(cos⁡(ϕ+ψ)+i⁢sin⁡(ϕ+ψ)).

∎

Twierdzenie 2.2 (Wzór de Moivre’a).

Dla liczby zespolonej z=|z|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ) oraz dla n∈N zachodzi wzór

zn=|z|n⁢(cos⁡n⁢ϕ+i⁢sin⁡n⁢ϕ).

W szczególności, jeśli |z|=1, to

(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ)n=cos⁡n⁢ϕ+i⁢sin⁡n⁢ϕ.
Dowód.

Zastosujemy indukcję względem n. Wzór zachodzi dla n=1. Zakładamy teraz, że jest on prawdziwy dla pewnej liczby naturalnej n. Udowodnimy, że zachodzi on również dla n+1. Mamy

zn+1 =z⋅zn
=|z|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ)⋅|z|n⁢(cos⁡n⁢ϕ+i⁢sin⁡n⁢ϕ)
=|z|n+1⁢(cos⁡(n+1)⁢ϕ+i⁢sin⁡(n+1)⁢ϕ).

∎

Przykład 2.5.

Obliczymy (1+i⁢3)5. Ponieważ 1+i⁢3=2⁢(cos⁡π3+i⁢sin⁡π3), więc

(1+i⁢3)5 =25⁢(cos⁡5⁢π3+i⁢sin⁡5⁢π3)
=32⁢(12-i⁢32).
Definicja 2.4 (Pierwiastek z liczby zespolonej).

Niech n∈ℕ. Liczbę zespoloną w nazywamy pierwiastkiem stopnia n z liczby zespolonej z, jeśli wn=z.

Niech w=|w|⁢(cos⁡ψ+i⁢sin⁡ψ) będzie pierwiastkiem stopnia n z liczby z=|z|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ)≠0. Ze wzoru de Moivre’a wynika, że wtedy

|w|n⁢(cos⁡n⁢ψ+i⁢sin⁡n⁢ψ)=|z|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ).

Stąd |w|n=|z| oraz

n⁢ψ=ϕ+2⁢k⁢π,

dla pewnego k∈ℤ. Wynika stąd, że dla pewnego k∈ℤ mamy

w=|z|n⁢(cos⁡(ϕ+2⁢k⁢πn)+i⁢sin⁡(ϕ+2⁢k⁢πn)). (2.5)

Łatwo sprawdzamy, że istnieje dokładnie n różnych pierwiastków stopnia n z liczby z≠0 danych wzorami

wk=|z|n⁢(cos⁡(ϕ+2⁢k⁢πn)+i⁢sin⁡(ϕ+2⁢k⁢πn)),k=0,1,…,n-1.
  • U

    Na pierwiastki wk stopnia n z niezerowej liczby zespolonej z=|z|⁢(cos⁡ϕ+i⁢sin⁡ϕ) możemy popatrzeć następująco. Niech

    u=|z|n⁢(cos⁡(ϕn)+i⁢sin⁡(ϕn))

    będzie oczywistym pierwiastkiem. Dla pierwiastka stopnia n z jedynki:

    ω=cos⁡2⁢πn+i⁢sin⁡2⁢πn

    mamy

    wk=u⁢ωk,k=0,…,n-1,

    czyli pierwiastkami stopnia n z liczby z∈ℂ są

    u,u⁢ω,u⁢ω2,…,u⁢ωn-1.
Przykład 2.6.

Wyznaczymy pierwiastki zespolone stopnia trzeciego z liczby

1+i⁢3=2⁢(cos⁡π3+i⁢sin⁡π3).

Dla k=0 mamy

w0=23⁢(cos⁡π9+i⁢sin⁡π9).

Dla k=1 otrzymujemy

w1 =23⁢(cos⁡π3+2⁢π3+i⁢sin⁡π3+2⁢π3)
=23⁢(cos⁡7⁢π9+i⁢sin⁡7⁢π9),

a dla k=2 mamy

w2 =23⁢(cos⁡π3+4⁢π3+i⁢sin⁡π3+4⁢π3)
=23⁢(cos⁡13⁢π9+i⁢sin⁡13⁢π9).
Przykład 2.7.

Pierwiastkami zespolonymi stopnia 4 z jedynki są liczby

1,i,-1,-i.
  • U

    Ponieważ pierwiastki wk dla k=0,1,…,n-1 mają moduły równe |z|n i kolejne argumenty różnią się o 2⁢πn, więc wk są wierzchołkami n-kąta foremnego wpisanego w okrąg o środku w punkcie (0,0) i promieniu |z|n.

Przykład 2.8 (Pierwiastki zespolone wielomianu rzeczywistego).

Rozważmy równanie wielomianowe o współczynnikach rzeczywistych a0,…,an∈ℝ:

an⁢zn+…+a1⁢z+a0=0,an≠0.

Uzasadnimy, że jeżeli liczba zespolona z jest pierwiastkiem tego równania, to jest nim również z¯. Nie jest to prawda, gdy współczynniki a0,…,an są zespolone, ale nie są rzeczywiste. Jeśli

an⁢zn+…+a1⁢z+a0=0,

to

0=0¯ =an⁢zn+…+a1⁢z+a0¯
=an¯⋅z¯n+…+a1¯⋅z¯+a0¯
=an⁢z¯n+…+a1⁢z¯+a0.
Twierdzenie 2.3 (Zasadnicze twierdzenie algebry).

Każdy wielomian

w⁢(z)=zn+an-1⁢zn-1+…+a1⁢z+a0,ai∈ℂ

o współczynnikach zespolonych ma n pierwiastków zespolonych (liczonych z krotnościami) z1,…,zn. Ponadto,

w⁢(z)=(z-z1)⁢(z-z2)⁢…⁢(z-zn).

Pierwszy dowód Twierdzenia 2.3 podał Gauss w 1799 roku.

  • U

    Rozkład wielomianu rzeczywistego nad ℝ

    Z Zasadniczego twierdzenia algebry wynika, że wielomian o współczynnikach zespolonych p⁢(z)=zn+an-1⁢zn-1+…+a1⁢z+a0 ma rozkład na iloczyn wielomianów stopnia pierwszego

    p⁢(z)=(z-z1)⁢…⁢(z-zn),

    gdzie z1,…,zn∈ℂ są pierwiastkami p. Zastanówmy się co możemy powiedzieć o rozkładzie wielomianu p⁢(z)=zn+an-1⁢zn-1+…+a1⁢z+a0 o współczynnikach rzeczywistych. Jak wiemy, jeśli liczba zespolona z1=a+i⁢b z b≠0 jest jego pierwiastkiem, to jest nim również liczba sprzężona z2=a-i⁢b. Zauważmy, że

    (z-z1)⁢(z-z2) =(z-(a+i⁢b))⁢(z-(a-i⁢b))
    =z2-2⁢a⁢z+a2+b2,

    jest wielomianem stopnia 2 o współczynnikach rzeczywistych nie posiadającym pierwiastków rzeczywistych. Wynika stąd, że p możemy rozłożyć na iloczyn wielomianów stopnia jeden i wielomianów nierozkładalnych stopnia dwa o współczynnikach rzeczywistych.

Przykład 2.9.

Można sprawdzić, że wielomian w⁢(z)=z4-5⁢z2-10⁢z-6 ma pierwiastki zespolone -1,3,-1+i,-1-i. Jako wielomian o współczynnikach zespolonych rozkłada się on na czynniki stopnia pierwszego:

w⁢(z)=(z+1)⁢(z-3)⁢(z+1+i)⁢(z+1-i).

Jeśli chcemy, go rozłożyć na iloczyn wielomianów o współczynnikach rzeczywistych, to otrzymujemy

w⁢(z)=(z+1)⁢(z-3)⁢(z2+2⁢z+2)⏟=(z+1+i)⁢(z+1-i).
Przykład 2.10 (Pierwiastki zespolone równania kwadratowego).

Rozważmy równanie kwadratowe

a⁢z2+b⁢z+c=0,a≠0

o współczynnikach rzeczywistych. Jeśli Δ=b2-4⁢a⁢c<0, to ma ono dwa sprzężone rozwiązania zespolone dane wzorami

z1=-b-i⁢|Δ|2⁢a,z2=-b+i⁢|Δ|2⁢a.

Przykładowo, dla

z2+z+1=0

mamy Δ=-3 oraz

z1=-1-i⁢32,z2=-1+i⁢32.
  • U

    Pierwiastki równania kwadratowego Rozważmy równanie kwadratowe

    a⁢z2+b⁢z+c=0,a≠0

    o współczynnikach zespolonych a,b,c∈ℂ. Dla Δ=b2-4⁢a⁢c możemy je zapisać w postaci

    a⁢[(z+b2⁢a)2-Δ4⁢a2]=0,

    co jest równoważne z równością

    (z+b2⁢a)2=Δ4⁢a2,

    czyli

    (2⁢a⁢z+b)2=Δ.

    Wystarczy więc znaleźć pierwiastki kwadratowe z liczby zespolonej Δ.

    Zauważmy, że jeśli z1,z2∈ℂ są pierwiastkami równania a⁢z2+b⁢z+c=0, to

    a⁢z2+b⁢z+c=a⁢(z-z1)⁢(z-z2)

    oraz zachodzą wzory Viete’a

    z1+z2=-ba,z1⋅z2=ca.
Przykład 2.11.

Rozwiążemy równanie

4⁢z2+4⁢i⁢z+(-13-16⁢i)=0,z∈ℂ.

Jest ono równoważne z równaniem z2+i⁢z+-13-16⁢i4=0, czyli

(z+i2)2+14-134-4⁢i=0.

Stąd

(z+i2)2=3+4⁢i.

Znajdziemy pierwiastki stopnia 2 z liczby 3+4⁢i. Jeśli (a+i⁢b)2=3+4⁢i, to

a2-b2=3,2⁢a⁢b=4.

Z drugiego równania a i b są różne od zera i b=2a. Z pierwszego równania mamy

a2-4a2=3,

czyli

a4-3⁢a2-4=0.

Stąd

(a2+1)⁢(a2-4)=0,

czyli a=±2. W konsekwencji, b=±1. Mamy więc, że

z+i2=2+i lub z+i2=-2-i,

czyli

z=2+i2 lub z=-2-3⁢i2.

2.3 Grupy i ciała

Wprowadzimy teraz pewne podstawowe struktury algebraiczne. Ten fragment będzie nieco bardziej abstrakcyjny i wymaga od Was szczególnej uwagi. Ten trud opłaci się w Waszym dalszym matematycznym życiu. Podejmijcie go! Robimy to nie tylko z miłości do abstrakcji, ale przede wszystkim dlatego, że wprowadzenie i używanie tego języka jest po prostu wygodne. Niech X będzie niepustym zbiorem.

Definicja 2.5 (Działanie wewnętrzne w zbiorze).

Działaniem wewnętrznym w zbiorze X nazywamy dowolne odwzorowanie

∘:X×X∋(x,y)⟼x∘y:=∘(x,y)∈X

przyporządkowujące uporządkowanej parze elementów zbioru X element zbioru X.

Przykład 2.12.

Dodawanie i mnożenie liczb rzeczywistych (zespolonych) są działaniami wewnętrznymi w zbiorze ℝ (ℂ). Ponieważ 2-3=-1, więc odejmowanie nie jest działaniem wewnętrznym w zbiorze liczb naturalnych ℕ. Dzielenie x∘y=xy nie jest działaniem wewnętrznym w zbiorze liczb rzeczywistych ℝ, bo nie jest zdefiniowane dla pary (2,0) – nie wolno dzielić przez 0.

Definicja 2.6 (Grupa i grupa abelowa).

Niech ∘:X×X⟶X będzie działaniem w zbiorze X. Para (X,∘) jest grupą, jeśli zachodzą warunki

  • (G1)

    Dla dowolnych x,y,z∈X zachodzi

    (x∘y)∘z=x∘(y∘z) łączność działania
  • (G2)

    Istnieje taki e∈X, że dla dowolnego x∈X zachodzi

    e∘x=x=x∘e istnieje element neutralny.
  • (G3)

    Dla dowolnego x∈X istnieje taki x′∈X, że

    x∘x′=x′∘x=e istnieje element odwrotny.

Jeżeli ponadto,

  • (G4)

    Dla dowolnych x,y∈X mamy

    x∘y=y∘x,przemienność działania

to (G,∘) nazywamy grupą przemienną lub abelową.

  • U

    Element neutralny e w grupie G jest wyznaczony jednoznacznie. Rzeczywiście, jeśli e,e*∈G są elementami neutralnymi, to

    e=e∘e*=e*.

    Podobnie, element odwrotny x′ do x jest wyznaczony jednoznacznie. Jeśli x′,x′′ są odwrotne do x, to

    x′ =x′∘e
    =x′∘(x∘x′′)
    =(x′∘x)∘x′′
    =e∘x′′
    =x′′.
  • 𝗧𝗘𝗦𝗧→

    Oceń które ze zdań jest prawdziwe

    • –

      (ℕ,+) jest grupą abelową;

    • –

      (ℤ,+) jest grupą abelową;

    • –

      (ℚ,+) jest grupą abelową;

    • –

      (ℝ,+) jest grupą abelową;

    • –

      (ℂ,+) jest grupą abelową;

    • –

      ((0,+∞),+) jest grupą abelową;

    • –

      (ℕ,⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℤ,⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℚ,⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℝ,⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℂ,⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℤ∖{0},⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℚ∖{0},⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℝ∖{0},⋅) jest grupą abelową;

    • –

      (ℂ∖{0},⋅) jest grupą abelową.

⟵

Przykład 2.13.

Niech

G={x+y⁢5:x,y∈ℚ,x2-5⁢y2=1}.

Pokażemy, że G z mnożeniem liczb rzeczywistych jest grupą abelową. Musimy przede wszystkim pokazać, że jest to działanie wewnętrzne w G. Niech x+y⁢5,u+w⁢5∈G. Oznacza to, że x,y,u,w∈ℚ oraz

x2-5⁢y2=1=u2-5⁢w2.

Mamy

(x+y⁢5)⁢(u+w⁢5)=x⁢u+5⁢y⁢w⏟∈ℚ+(x⁢w+y⁢u)⏟∈ℚ⁢5.

Musimy pokazać, że (x⁢u+5⁢y⁢w)2-5⁢(x⁢w+y⁢u)2=1. Sprawdzamy, że

(x⁢u+5⁢y⁢w)2-5⁢(x⁢w+y⁢u)2 =x2⁢u2+10⁢x⁢u⁢y⁢w+25⁢y2⁢w2-5⁢x2⁢w2-10⁢x⁢w⁢y⁢u-5⁢y2⁢u2
=x2⁢u2+25⁢y2⁢w2-5⁢x2⁢w2-5⁢y2⁢u2
=(x2-5⁢y2)⏟=1⁢(u2-5⁢w2)⏟=1
=1.

Mnożenie liczb rzeczywistych jest łączne i przemienne, więc warunki (G1) i (G4) są spełnione. Ponadto, 1∈G, więc zachodzi warunek (G2). Zauważmy, że jeśli x+y⁢5∈G, to z warunku x2-5⁢y2=1 wynika, że x≠0. Ponadto, x+y⁢5≠0, bo wtedy 5 byłby liczbą wymierną, gdy y≠0. Łatwo sprawdzamy, że x-y⁢5∈G oraz

(x+y⁢5)⁢(x-y⁢5)=x2-5⁢y2=1,

czyli warunek (G3) zachodzi.

Przykład 2.14 (Grupa S1).

Poprawne rozwiązanie Testu 1 prowadzi nas do wniosku, że (ℂ∖{0},⋅) jest grupą abelową. Oznacza to, że działanie mnożenia

⋅:ℂ∖{0}×ℂ∖{0}∋(z,w)⟼z⋅w∈ℂ∖{0}

spełnia warunki (G1)-(G4) z definicji grupy. Zbiór ℂ∖{0} jest płaszczyzną z usuniętym początkiem układu współrzędnych. Rozważmy okrąg jednostkowy o środku w początku układu

𝕊1:={z∈ℂ:|z|=1}.

Oczywiście 𝕊1⊂ℂ∖{0}. Zauważmy, że jeżeli z1, z2∈𝕊1, to z1⋅z2∈𝕊1, gdyż

|z1⋅z2|=|z1|⁢|z2|=1.

Oznacza to, że iloczyn liczb zespolonych ze zbioru 𝕊1 jest ponownie liczbą należącą do 𝕊1. Wynika stąd, że mnożenie liczb zespolonych jest działaniem wewnętrznym w zbiorze 𝕊1 i możemy je traktować jako odwzorowanie

⋅:𝕊1×𝕊1⟶𝕊1.

W takim razie może (𝕊1,⋅) jest również grupą?

  • U

    Podgrupa

    Przypuśćmy, że (G,∘) jest grupą i H⊂G jest takim jej niepustym podzbiorem, że x∘y∈H dla x,y∈H. Oznacza to, że ∘ jest również działaniem wewnętrznym w H. To jeszcze za mało, aby (H,∘) było grupą. Rozważmy prosty przykład grupy liczb całkowitych G=ℤ z działaniem dodawania liczb całkowitych ∘⁣=⁣+. Wtedy jest to również działanie wewnętrzne w zbiorze liczb naturalnych H=ℕ⊂G=ℤ. Zauważmy, że (ℕ,+) nie jest grupą. Przede wszystkim dodawanie nie ma elementu neutralnego w ℕ, bo 0∉ℕ. W takim razie rozważmy podzbiór ℕ0={0}∪ℕ⊂ℤ. Oczywiście, dodawanie liczb całkowitych jest również działaniem wewnętrznym w ℕ0 i nie mamy już problemu z elementem neutralnym. Pojawia się jednak nowy problem, gdyż przykładowo, element 1∈ℕ0 nie ma elementu odwrotnego (przeciwnego) w zbiorze ℕ0, bo -1∉ℕ0.

    Z naszych rozważań wynika, że podzbiór H⊂G dziedziczy strukturę grupy z (G,∘), jeśli spełnione są warunki:

    • –

      x∘y∈H dla wszystkich x,y∈H,

    • –

      e∈H, gdzie e∈G jest elementem neutralnym dla ∘,

    • –

      x′∈H, gdzie x′∈G jest elementem odwrotnym do x∈H.

    Wtedy rzeczywiście (H,∘) jest grupą. Algebraicy mówią wtedy, że (H,∘) jest podgrupą grupy (G,∘).

Wróćmy do okręgu 𝕊1. Zauważmy, że element neutralny 1, dla mnożenia liczb zespolonych, należy do zbioru 𝕊1. Ponadto, dla z∈𝕊1 mamy z-1=z¯∈𝕊1, bo |z¯|=|z|. Ponieważ warunki (G1)-(G4) zachodzą w zbiorze ℂ∖{0}, więc tym bardziej są spełnione w mniejszym zbiorze 𝕊1. Wynika stąd, że para (𝕊1,⋅) jest również grupą abelową. Jest ona podgrupą grupy (ℂ∖{0},⋅).

Przykład 2.15 (Grupa zespolonych pierwiastków z jedynki).

Zdefiniujemy teraz jeszcze pewne ważne podgrupy grupy (𝕊1,⋅). Będą one składały się ze skończonej liczby elementów. Ustalmy dowolną liczbę naturalną n≥1. Rozważmy zbiór Gn wszystkich pierwiastków stopnia n z liczby 1, czyli

Gn={ϵk:k=0,1,…,n-1},

gdzie

ϵk=cos⁡(2⁢k⁢πn)+i⁢sin⁡(2⁢k⁢πn).

Zauważmy, że dla z,w∈Gn mamy

(z⋅w)n=zn⋅wn=1⋅1=1.

Wynika stąd, że mnożenie liczb zespolonych jest działaniem wewnętrznym w zbiorze Gn. Ponadto, 1∈Gn oraz z-1=z¯, więc z-1∈Gn, czyli (Gn,⋅) jest grupą abelową.

Rysunek 2.3: Pierwiastki zespolone szóstego stopnia z jedynki. Stanowią one grupę abelową z działaniem mnożenia liczb zespolonych.

Podamy teraz abstrakcyjną definicję algebraicznej struktury ciała z którą zetknęliśmy się już w przypadku liczb rzeczywistych i zespolonych. Rozważmy zbiór 𝔽 w którym określone są dwa działania wewnętrzne

+:𝔽×𝔽⟶𝔽,⋅:𝔽×𝔽⟶𝔽.

Zgodnie z przyjętym (całkowicie umownie) oznaczeniem będziemy je nazywali dodawaniem i mnożeniem, chociaż nie muszą one mieć nic wspólnego ze znanymi nam działaniami arytmetycznymi w zbiorach liczbowych.

Definicja 2.7 (Ciało).

Trójka (𝔽,+,⋅) jest ciałem, jeśli zachodzą warunki

  • (F1)

    para (𝔽,+) jest grupą abelową z elementem neutralnym 0∈𝔽 dla działania +;

  • (F2)

    para (𝔽∖{0},⋅) jest grupą abelową z działaniem ⋅;

  • (F3)

    x⋅(y+z)=x⋅y+x⋅z dla dowolnych x,y,z∈𝔽.

  • !

    W punkcie (F2) w sposób niejawny zakładamy, że iloczyn elementów różnych od 0 jest różny od 0, bo mnożenie ⋅ jest z założenia działaniem wewnętrznym w zbiorze 𝔽∖{0} (definicja grupy).

    Z drugiej strony dla dowolnego x∈𝔽 zachodzi równość

    0⋅x=0,

    bo

    0⋅x=(0+0)⋅x=0⋅x+0⋅x.
Przykład 2.16 (Rozszerzenie ciała Q o 2).

Rozważmy zbiór

ℚ⁢(2):={a+b⁢2:a,b∈ℚ}.

Elementy zbioru ℚ⁢(2) są liczbami rzeczywistymi, czyli ℚ⁢(2)⊂ℝ. Pokażemy, że struktura ciała (ℝ,+,⋅) ,,dziedziczy się’’ na zbiór ℚ⁢(2) z działaniami dodawania i mnożenia liczb rzeczywistych zawężonymi do zbioru ℚ⁢(2). Zauważmy najpierw, że

0=0+0⁢2∈ℚ⁢(2),1=1+0⁢2∈ℚ⁢(2),

czyli elementy neutralne działań należą do zbioru ℚ⁢(2). Ponadto, działania są wewnętrzne w ℚ⁢(2), bo

(a+b⁢2)+(a1+b1⁢2)=a+a1⏟∈ℚ+(b+b1)⏟∈ℚ⁢2∈ℚ⁢(2),

oraz

(a+b⁢2)⋅(a1+b1⁢2)=a⁢a1+2⁢b⁢b1⏟∈ℚ+(a⁢b1+b⁢a1)⏟∈ℚ⁢2∈ℚ⁢(2).

Zauważmy, że

(a+b⁢2)+(-a-b⁢2)=0,

więc element odwrotny do a+b⁢2 względem działania +, czyli -a-b⁢2 jest elementem zbioru ℚ⁢(2).

Załóżmy, że a+b⁢2≠0. Wtedy a-b⁢2≠0. Stąd

a2-2⁢b2=(a+b⁢2)⁢(a-b⁢2)≠0,

czyli

(a+b⁢2)⋅(a-b⁢2a2-2⁢b2)=1,

więc

a-b⁢2a2-2⁢b2=aa2-2⁢b2-ba2-2⁢b2⁢2∈ℚ⁢(2)

jest elementem odwrotnym do a+b⁢2. Z powyższych rozważań wynika, że (ℚ⁢(2),+,⋅) jest ciałem.

Przykład 2.17.

Rozważmy zbiór

X={a+b⁢53:a,b∈ℚ}.

Uzasadnimy, że nie jest on ciałem z dodawaniem i mnożeniem liczb rzeczywistych. Problem mamy z mnożeniem, bo nie jest ono działaniem wewnętrznym w zbiorze X. Pokażemy bowiem, że (53)2∉X. Przypuśćmy, że (53)2=a+b⁢53 dla pewnych a,b∈ℚ. Mnożąc przez 53 dostajemy, że

5= a⁢53+b⁢(53)2
=a⁢53+a⁢b+b2⁢53
=a⁢b+53⁢(a+b2).

Ponieważ 53 jest liczbą niewymierną, więc a+b2=0 i a⁢b=5, czyli -b3=5, więc 53=-b∈ℚ. Otrzymana sprzeczność pokazuje, że (53)2∉X.

Przykład 2.18 (Ciało Z2).

Niech ℤ2={0,1}. Definiujemy dodawanie + w zbiorze ℤ2={0,1} przez tabelę wyników tego działania

+ 0 1
0 0 1
1 1 0

Analogicznie definiujemy mnożenie ⋅ w zbiorze ℤ2={0,1} poprzez tabelę

⋅ 0 1
0 0 0
1 0 1

Sprawdzamy łatwo, że tak zdefiniowana trójka (ℤ2,+,⋅) jest ciałem.

  • U

    Ciało ℤp

    Niech ℤ3={0,1,2}. Definiujemy działania + oraz ⋅ w zbiorze ℤ3 przez

    + 0 1 2
    0 0 1 2
    1 1 2 0
    2 2 0 1
    ⋅ 0 1 2
    0 0 0 0
    1 0 1 2
    2 0 2 1

    Sprawdzamy łatwo, że (ℤ3,+,⋅) jest ciałem.

    Dla liczby całkowitej x∈ℤ i liczby naturalnej n≥1 przez [x]n oznaczamy resztę z dzielenia liczby x przez n. Zauważcie, że działania w ℤ3 możemy zapisać następująco:

    x+y=[x+y]3,x⋅y=[x⋅y]3,x,y∈ℤ3.

    Nic nie stoi na przeszkodzie, aby podobnie zdefiniować działania w zbiorze

    ℤn={0,1,…,n-1}

    dla liczby naturalnej n≥1. Przyjmujemy, że

    x+y=[x+y]n,x⋅y=[x⋅y]n,x,y∈ℤn.

    Trójka (ℤn,+,⋅) nie zawsze jest ciałem. Elementem neutralnym dodawania jest 0. Zauważmy, że przykładowo w ℤ6 mamy

    2⋅3=[6]6=0.

    Oznacza to, że ℤ6 nie jest ciałem. Analogiczny argument pokazuje, że ℤn nie jest ciałem, gdy n nie jest liczbą pierwszą. Można sprawdzić, że (ćwiczenie) (ℤn,+,⋅) jest ciałem wtedy i tylko wtedy, gdy n jest liczbą pierwszą.

  • U

    Ciało skończone nie musi być równe ℤp dla liczby pierwszej p. Poniższe tabelki definiują ciało 4-elementowe:

    + 0 1 a b
    0 0 1 a b
    1 1 0 b a
    a a b 0 1
    b b a 1 0
    ⋅ 0 1 a b
    0 0 0 0 0
    1 0 1 a b
    a 0 a b 1
    b 0 b 1 a

    (ℤ4,+,⋅) nie jest ciałem, bo 2⋅2=0.

2.4 Macierze M2×2⁢(𝔽)

Niech 𝔽 będzie ciałem. Przez macierz A=[ai⁢j] wymiaru 2 rozumiemy tablicę

A=[a11a12a21a22],ai⁢j∈𝔽

mającą dwa wiersze i dwie kolumny. Zbiór wszystkich takich macierzy będziemy oznaczać przez M2×2⁢(𝔽). Powiemy, że A=[ai⁢j],B=[bi⁢j]∈M2×2⁢(𝔽) są równe (A=B), jeśli ai⁢j=bi⁢j dla i,j=1,2.

W zbiorze M2×2⁢(𝔽) definiujemy działanie dodawania

+:M2×2(𝔽)×M2×2(𝔽)⟶M2×2(𝔽)

wzorem

A+B=[a11a12a21a22]+[b11b12b21b22]=[a11+b11a12+b12a21+b21a22+b22].

Sprawdzamy łatwo, że (M2×2⁢(𝔽),+) jest grupą abelową. Elementem neutralnym dodawania jest macierz zerowa

0=[0000],

a elementem przeciwnym do A jest macierz

-A:=[-a11-a12-a21-a22].

W zbiorze M2×2⁢(𝔽) definiujemy działanie mnożenia

⋅:M2×2(𝔽)×M2×2(𝔽)⟶M2×2(𝔽).

Formuła na A⋅B jest nieco bardziej skomplikowana i w dalszym ciągu wyjaśni się dlaczego taka właśnie. Definiujemy

A⋅B=[a11a12a21a22]⋅[b11b12b21b22]=[a11⁢b11+a12⁢b21a11⁢b12+a12⁢b22a21⁢b11+a22⁢b21a21⁢b12+a22⁢b22].

Sprawdzamy łatwo, że dla macierzy

I=[1001]

oraz dowolnej macierzy A∈M2×2⁢(𝔽) mamy

I⁢A=A⁢I=A.

Oznacza to, że I jest elementem neutralnym mnożenia macierzy. Naturalne jest pytanie czy trójka (M2×2⁢(𝔽),+,⋅) jest ciałem. Bezpośredni rachunek pokazuje, że spełnione są następujące warunki:

  • •

    (A+B)+C=A+(B+C)

  • •

    A+0=0+A=A,

  • •

    A+(-A)=0,

  • •

    A+B=B+A,

  • •

    (A⁢B)⁢C=A⁢(B⁢C),

  • •

    A⁢I=I⁢A=A,

  • •

    A⁢(B+C)=A⁢B+B⁢C.

Z definicją ciała mamy jednak kilka problemów. Po pierwsze dla niezerowej macierzy A=[0010] mamy

[0010]⁢[0010]=[0000],

czyli mnożenie macierzy nie jest działaniem wewnętrznym w zbiorze macierzy niezerowych. Nie mamy więc do czynienia z ciałem. Ponadto, niezerowa macierz A=[0010] nie posiada elementu odwrotnego względem mnożenia macierzy. Rzeczywiście, dla dowolnej macierzy B=[abcd] mamy

A⁢B=[0010]⁢[abcd]=[00ab]≠I.

Mnożenie macierzy nie jest też przemienne, bo przykładowo

[0010]⏟A⁢[0100]⏟B=[0001],
[0100]⏟B⁢[0010]⏟A=[1000].
Przykład 2.19.

Dla macierzy A=[1000], B=[0100]∈M2×2⁢(𝔽) mamy

A⁢B=B,B⁢A=0.
  • U

    Możecie, a nawet powinniście zapytać, dlaczego mnożenie macierzy definiujemy tak dziwną formułą. Moglibyśmy przecież, przez analogię do definicji dodawania macierzy, przyjąć że

    A⋅B=[a11a12a21a22]⋅[b11b12b21b22]=[a11⁢b11a12⁢b12a21⁢b21a22⁢b22].

    Przecież nie jest to takie złe mnożenie. Ma element neutralny, czyli macierz [1111]. Jest ono oczywiście łączne i przemienne. Oczywiście mamy problem z istnieniem elementu odwrotnego do macierzy niezerowej, bo jeśli tylko w macierzy A=[abcd] któryś z wyrazów a,b,c,d jest równy zero, to A nie posiada macierzy odwrotnej. Ale przecież podobne problemy mieliśmy z wcześniej zdefiniowanym mnożeniem. Powód takiego zdefiniowania mnożenia macierzy jest nieco głębszy i poznamy go nieco później.

Naturalne jest pytanie dla jakich macierzy A istnieje taka macierz B∈M2×2⁢(𝔽), że

A⁢B=B⁢A=I.

Okazuje się, że takie macierze A można łatwo scharakteryzować. W tym celu dla macierzy A=[abcd] definiujemy element ciała 𝔽 wzorem

det⁢A=a⁢d-b⁢c

i nazywamy wyznacznikiem macierzy A.

Wniosek 2.2.

Dla A,B∈M2×2⁢(F) mamy

det⁢(A⁢B)=det⁢A⋅det⁢B

oraz det⁢I=1.

Dowód.

Sprawdzamy to bezpośrednim rachunkiem. Oczywiście zachodzi równość det⁢I=1. Dla macierzy A=[abcd] oraz B=[efgh] mamy

det⁢(A⁢B) =det⁢[a⁢e+b⁢ga⁢f+b⁢hc⁢e+d⁢gc⁢f+d⁢h]
=(a⁢e+b⁢g)⁢(c⁢f+d⁢h)-(c⁢e+d⁢g)⁢(a⁢f+b⁢h)
=a⁢e⁢d⁢h+b⁢g⁢c⁢f-c⁢e⁢b⁢h-d⁢g⁢a⁢f
=(a⁢d-b⁢c)⁢(e⁢h-f⁢g)
=det⁢A⋅det⁢B.

∎

Wniosek 2.3.

Zachodzą warunki:

  • •

    det⁢(A1⁢…⁢An)=det⁢A1⋅…⋅det⁢An

  • •

    det⁢(An)=(det⁢A)n

  • •

    det⁢[z⁢az⁢bz⁢cz⁢d]=z2⋅det⁢[abcd],z∈𝔽

  • •

    det⁢[abcd]=-det⁢[badc]

  • •

    det⁢[z⁢abz⁢cd]=z⋅det⁢[abcd]

  • •

    det⁢[a+ebc+fd]=det⁢[abcd]+det⁢[ebfd]

Jeśli A=det⁢[abcd]∈M2×2⁢(ℂ) jest macierzą zespoloną, to definiujemy

A¯=[a¯b¯c¯d¯]∈M2×2⁢(ℂ).

Wtedy

  • •

    det⁢A¯=det⁢A¯,

  • •

    (A¯)¯=A,A⁢B¯=A¯⁢B¯,

  • •

    A+B¯=A¯+B¯,z⁢A¯=z¯⁢A¯,

  • •

    jeśli det⁢A≠0, to (A¯)-1=A-1¯

Twierdzenie 2.4.

Dla macierzy A=[abcd]∈M2×2⁢(F) następujące warunki są równoważne

  • (1)

    det⁢A≠0,

  • (2)

    istnieje taka macierz B∈M2×2⁢(𝔽), że

    A⁢B=B⁢A=I.

    Piszemy wtedy, że B=A-1.

Dowód.

(1) wynika z (2), bo wtedy

det⁢A⋅det⁢B=det⁢(A⁢B)=det⁢I=1,

czyli det⁢A≠0.

Jeśli zachodzi warunek (1), to definiujemy B wzorem

B=1det⁢A⁢[d-b-ca].

Sprawdzamy łatwo, że A⁢B=B⁢A=I. ∎

Wniosek 2.4.

Niech A=[abcd]∈M2×2⁢(F). Jeśli det⁢A≠0, to

A-1=1det⁢A⁢[d-b-ca].

Dla macierzy A=[abcd]∈M2×2⁢(𝔽) definiujemy jej macierz transponowaną

AT=[acbd]

oraz dla z∈𝔽 określamy

z⋅[abcd]=[z⁢az⁢bz⁢cz⁢d].

Bezpośredni rachunek pokazuje, że

  • (i)

    (AT)T=A,

  • (ii)

    (A+B)T=AT+BT,

  • (iii)

    (z⋅A)T=z⋅AT,

  • (iv)

    (A⁢B)T=BT⁢AT,

  • (v)

    det⁢AT=det⁢A.

Ponadto, jeśli A jest odwracalna, to A-1⁢A=I, czyli AT⁢(A-1)T=I, więc AT jest też odwracalna oraz (AT)-1=(A-1)T.

Przykład 2.20 (Macierzowa interpretacja ciała C).

Wskażemy teraz podzbiór zbioru M2×2⁢(ℝ), który pod względem algebraicznym bardzo przypomina ciało liczb zespolonych. Definiujemy

Mℂ:={A∈M2×2⁢(ℝ):A=[x-yyx],x,y∈ℝ}.

Łatwo sprawdzamy, że jeśli A=[x-yyx],B=[u-wwu]∈Mℂ, to

A+B=[x+u-(y+w)y+wx+u]∈Mℂ

oraz

A⁢B=[Re⁢(x+i⁢y)⁢(u+i⁢w)-Im⁢(x+i⁢y)⁢(u+i⁢w)Im⁢(x+i⁢y)⁢(u+i⁢w)Re⁢(x+i⁢y)⁢(u+i⁢w)]∈Mℂ,

więc dodawanie i mnożenie macierzy jest działaniem wewnętrznym w Mℂ.

Można sprawdzić bezpośrednim rachunkiem, że trójka (Mℂ,+,⋅) jest ciałem. My, aby to zauważyć, zastosujemy nieco inne podejście. W tym celu definiujemy

f:ℂ∋x+i⁢y⟼[x-yyx]∈Mℂ.

Jest to bijekcja oraz f⁢(0)=0, f⁢(1)=I. Ponadto,

f⁢(z1+z2)=f⁢(z1)+f⁢(z2),

oraz

f⁢(z1⁢z2)=f⁢(z1)⁢f⁢(z2),

dla dowolnych z1,z2∈ℂ.

Bijekcja f o powyższych własnościach pozwala na identyfikację struktur algebraicznych (ℂ,+,⋅) oraz (Mℂ,+,⋅). Algebraicy mówią wtedy, że te ciała są izomorficzne. Z algebraicznego punktu widzenia ciała izomorficzne są nierozróżnialne.

Sprawdzamy poprzez bezpośredni rachunek, że f ma dodatkowe własności:

  • •

    dla macierzy J=[0-110] mamy

    J2=-I oraz J4=I,
  • •

    f⁢(i)=J,

  • •

    f⁢(zn)=(f⁢(z))n,

  • •

    f⁢(z¯)=(f⁢(z))T, gdzie

    [x-yyx]T:=[xy-yx],
  • •

    det⁢f⁢(z)=|z|2,

  • •

    f⁢(1/z)=(f⁢(z))-1=1|z|2⁢(f⁢(z))T.

MACIERZOWA INTERPRETACJA CIAŁA ℂ z=x+i⁢y⟼A=[x-yyx]=x⋅I+y⋅J  z¯=x-i⁢y⟼AT=[xy-yx] (x+i⁢y)⁢(x-i⁢y)=x2+y2⟼[x-yyx]⁢[xy-yx]=(x2+y2)⁢[1001] (x+i⁢y)⁢(a+i⁢b) =x⁢a-y⁢b+i⁢(x⁢b+y⁢a) ⟼[x-yyx]⁢[a-bba]=[x⁢a-y⁢b-(x⁢b+y⁢a)x⁢b+y⁢ax⁢a-y⁢b] Dla x2+y2≠0 z-1=1x+i⁢y=x-i⁢yx2+y2⟼[x-yyx]-1=1x2+y2⁢[xy-yx] in=cos⁡n⁢π2+i⁢sin⁡n⁢π2⟼[0-110]n=[cos⁡n⁢π2-sin⁡n⁢π2sin⁡n⁢π2cos⁡n⁢π2] (cos⁡θ+i⁢sin⁡θ)n=cos⁡n⁢θ+i⁢sin⁡n⁢θ⟼[cos⁡θ-sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]n=[cos⁡n⁢θ-sin⁡n⁢θsin⁡n⁢θcos⁡n⁢θ] Dla z=x+i⁢y=|z|⁢(cos⁡θ+i⁢sin⁡θ) zn=|z|n⁢(cos⁡n⁢θ+i⁢sin⁡n⁢θ)⟼[x-yyx]n=|z|n⁢[cos⁡n⁢θ-sin⁡n⁢θsin⁡n⁢θcos⁡n⁢θ]
Przykład 2.21 (Grupy izomorficzne).

Zobrazujemy pojęcie izomorfizmu grup. Rozważmy grupę abelową

G4={1,i,-1,-i}={1,i,i2,i3}

pierwiastków zespolonych 4 stopnia z jedynki. Działaniem grupowym jest mnożenie liczb zespolonych. Zbiór

G4′={I,J,-I,-J}={I,J,J2,J3}

jest grupą abelową z działaniem mnożenia macierzy. Zbiór reszt z dzielenia liczby całkowitej przez 4

ℤ4={0, 1, 2, 3}

jest grupą z działaniem ,,dodawania reszt‘‘. Działania w tych grupach są opisane tabelkami:

⋅ 1 i -1 -i
1 1 i -1 -i
i i -1 -i 1
-1 -1 -i 1 i
-i -i 1 i -1
⋅ I J -I -J
I I J -I -J
J J -I -J I
-I -I -J I J
-J -J I J -I
+ 0 1 2 3
0 0 1 2 3
1 1 2 3 0
2 2 3 0 1
3 3 0 1 2

Powyższe tabelki pokazują, że struktura algebraiczna wszystkich trzech grup jest identyczna. Jest ona taka sama jak dla grupy 4-elementowej G={e,a,b,c} z działaniem ∘ opisanym tabelką

∘ e a b c
e e a b c
a a b c e
b b c e a
c c e a b
Przykład 2.22 (M2×2⁢(Z2)).

Zbiór M2×2⁢(ℤ2) składa się z 24 elementów. Macierz A∈M2×2⁢(ℤ2) jest odwracalna, gdy det⁢A≠0. W ciele ℤ2 oznacza to, że det⁢A=1. Mamy 6 macierzy spełniających ten warunek:

[1001],[1101],[1011],[1110],[0110],[0111].

Podzbiory M2×2⁢(𝔽) dostarczają wielu przykładów grup.

Przykład 2.23 (Grupa GL2⁢(F)).

Rozważmy zbiór macierzy odwracalnych

GL2⁢(𝔽)={A∈M2×2⁢(𝔽):det⁢A≠0}.

Jeśli A,B∈GL2⁢(𝔽), to

det⁢(A⁢B)=det⁢A⋅det⁢B≠0,

czyli A⁢B∈GL2⁢(𝔽). Ponadto, I∈GL2⁢(𝔽) oraz A-1∈GL2⁢(𝔽) dla A∈GL2⁢(𝔽), bo

1 =det⁢I
=det⁢(A⁢A-1)
=det⁢A⋅det⁢A-1,

czyli det⁢A-1≠0. Oznacza to, że GL2⁢(𝔽) z działaniem mnożenia macierzy jest grupą. Nie jest to grupa abelowa, bo przykładowo

[1101]⁢[1011]=[2111],
[1011]⁢[1101]=[1112].

Definiujemy ponadto zbiór

SL2⁢(𝔽)={A∈M2×2⁢(𝔽):det⁢A=1}⊂GL2⁢(𝔽).

Jest on również grupą (nieabelową) z mnożeniem macierzy.

Przykład 2.24 (Macierze symplektyczne).

Definiujemy zbiór macierzy symplektycznych jako

Symp⁢(2):={A∈M2×2⁢(ℝ):AT⁢J⁢A=J},J=[0-110].

Sprawdzimy, że jest to grupa z mnożeniem macierzy. Można to zrobić sprawdzając warunki definiujące grupę. W tym celu należy sprawdzić, że

  • •

    jeśli A,B∈Symp⁢(2), to A⁢B∈Symp⁢(2),

  • •

    I∈Symp⁢(2),

  • •

    jeśli A∈Symp⁢(2), to A jest odwracalna oraz A-1∈Symp⁢(2).

My zrobimy to nieco inaczej. Bezpośredni rachunek pokazuje, że

AT⁢J⁢A=[0-det⁢Adet⁢A0].

Wynika stąd, że A∈Symp⁢(2) wtedy i tylko wtedy, gdy det⁢(A)=1. Oznacza to, że

Symp⁢(2)=S⁢L2⁢(ℝ)
Przykład 2.25 (Macierze górnie trójkątne).

Macierz A=[ab0d]∈M2×2⁢(𝔽) nazywamy górnie trójkątną. Zauważmy, że

[ab0d]⁢[xy0z]=[a⁢xa⁢y+b⁢z0d⁢z],

czyli iloczyn macierzy górnie trójkątnych jest macierzą górnie trójkątną. Macierz A=[ab0d] jest odwracalna wtedy i tylko wtedy, gdy det⁢A=a⁢d≠0. Macierz odwrotna jest wtedy równa

A-1=[1a-ba⁢d01d],

czyli jest górnie trójkątna. Wynika stąd, że macierze górnie trójkątne o niezerowym wyznaczniku tworzą grupę z mnożeniem macierzy. Jest ona podgrupą grupy GL2⁢(𝔽). Podobnie, macierze górnie trójkątne o wyznaczniku równym 1 (tzn. d=1/a) tworzą podgrupę grupy SL2⁢(𝔽). Ponadto, macierze górnie trójkątne spełniające warunek a=d=1 są również podgrupą SL2⁢(𝔽).

Przykład 2.26 (Macierze ortogonalne).

Definiujemy zbiór macierzy ortogonalnych przez

O⁢(2)={A∈M2×2⁢(ℝ):AT⁢A=I}.

Zauważmy, że

1 =det⁢I
=det⁢(AT⁢A)
=det⁢(AT)⋅det⁢A
=(det⁢A)2,

więc det⁢A=±1. Oznacza to, że A jest odwracalna, czyli istnieje taka macierz A-1, że A-1⁢A=A⁢A-1=I. Mnożąc równość AT⁢A=I z prawej strony przez A-1, otrzymujemy, że AT=A-1.

Jeśli A,B∈O⁢(2), to

(A⁢B)T⁢(A⁢B) =(BT⁢AT)⁢(A⁢B)
=BT⁢(AT⁢A)⏟=I⁢B
=BT⁢B
=I,

czyli A⁢B∈O⁢(2). Oczywiście I∈O⁢(2). Ponieważ A-1=AT dla A∈O⁢(2) oraz

(AT)T⁢AT=A⁢AT=I,

czyli A-1∈O⁢(2). Wynika stąd, że O⁢(2) jest grupą i podgrupą grupy GL2⁢(ℝ). Nie jest ona abelowa. Przyglądniemy się jej bliżej. Niech

A=[abcd]∈O⁢(2).

Jeśli det⁢A=1, to

A-1=[d-b-ca],

czyli z równości AT=A-1 mamy

a=d,b=-c.

Macierz A ma więc postać

A=[a-cca]

dla pewnych takich liczb a,c∈ℝ, że a2+c2=det⁢A=1. Wynika stąd, że

A=[cos⁡θ-sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]

dla pewnego θ∈ℝ.

Jeśli det⁢A=-1, to

A-1=-[d-b-ca],

więc równość AT=A-1 oznacza, że

a=-d,b=c.

Macierz A ma więc postać

A=[acc-a]

dla pewnych takich liczb a,c∈ℝ, że a2+c2=-det⁢A=1. Wynika stąd, że

A=[cos⁡θsin⁡θsin⁡θ-cos⁡θ]

dla pewnego θ∈ℝ.

Zbiór

S⁢O⁢(2)={A∈O⁢(2):det⁢A=1}

jest grupą z mnożeniem macierzy. Składa się ona z wszystkich macierzy postaci

[cos⁡θ-sin⁡θsin⁡θcos⁡θ],θ∈ℝ.

Sprawdzamy łatwo, że jest to grupa abelowa. Jest ona izomorficzna z grupą (𝕊1,⋅) poprzez

f:𝕊1∋cos⁡θ+i⁢sin⁡θ⟼[cos⁡θ-sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]∈S⁢O⁢(2).
  • U

    Macierze ortogonalne i symplektyczne możemy traktować jako szczególny przypadek ogólniejszej konstrukcji. Mianowicie, dla ustalonej macierzy S∈M2×2⁢(ℝ) rozważmy

    GS={A∈G⁢L2⁢(ℝ):AT⁢S⁢A=S}.

    Jest to grupa z mnożeniem macierzy. Dla S=I otrzymujemy O⁢(2), a dla S=J grupę Sp⁢(2).

Przykład 2.27 (Macierze symetryczne).

Zbiór rzeczywistych macierzy symetrycznych

Sym2⁢(ℝ)={A∈M2×2⁢(ℝ):A=AT}

jest grupą z działaniem dodawania macierzy.

Dla macierzy A=[abcd]∈M2×2⁢(𝔽) definiujemy jej ślad wzorem

tr⁢A=a+d.

Sprawdzamy łatwo, że

  • (i)

    tr⁢(A+B)=tr⁢A+tr⁢B,

  • (ii)

    tr⁢(z⋅A)=z⁢tr⁢A,

  • (iii)

    tr⁢(A⁢B)=tr⁢(B⁢A),

  • (iv)

    tr⁢(AT)=tr⁢A.

  • U

    Niech A∈M2×2⁢(𝔽). Mówimy, że macierz B∈M2×2⁢(𝔽) jest podobna do A, jeśli istnieje taka macierz odwracalna S∈M2×2⁢(𝔽), że B=S-1⁢A⁢S. Wtedy

    det⁢B =det⁢(S-1⁢A⁢S)
    =det⁢S-1⏟=1det⁢S⋅det⁢A⋅det⁢S
    =det⁢A

    oraz

    tr⁢B =tr⁢(S-1⁢A⁢S)
    =tr⁢((S-1⁢A)⁢S)
    =tr⁢(S⁢(S-1⁢A))
    =tr⁢((S⁢S-1)⁢A)
    =tr⁢A.
Przykład 2.28 (Macierze o śladzie równym 0).

Definiujemy zbiór

T0⁢(𝔽)={A∈M2×2⁢(𝔽):tr⁢A=0}.

Jest to grupa abelowa z działaniem dodawania macierzy.

Przykład 2.29 (Macierze hamiltonowskie).

Rozważmy zbiór

H2={A∈M2×2⁢(ℝ):(J⁢A)T=J⁢A}.

Ponieważ JT=-J więc (J⁢A)T=J⁢A wtedy i tylko wtedy, gdy

J⁢A+AT⁢J=0.

Takie macierze są nazywane macierzami hamiltonowskimi. Pełnią one ważną rolę w teorii równań różniczkowych i mechanice klasycznej. Uzasadnimy, że H2 jest grupą z dodawaniem macierzy. Zamiast sprawdzać warunki z definicji grupy zauważmy, że

J⁢A+AT⁢J=[0-tr⁢Atr⁢A0].

Oznacza to, że H2=T0⁢(ℝ), czyli jest grupą.

Przykład 2.30 (Macierze unitarne).

Dla macierzy zespolonej A=[z1w1z2w2]∈M2×2⁢(ℂ) definiujemy

A*=[z¯1z¯2w¯1w¯2]

Sprawdzamy łatwo, że

  • •

    A*=(A¯)T,

  • •

    det⁢A*=det⁢A¯,

  • •

    (A*)*=A,(z⁢A+B)*=z¯⁢A*+B*,

  • •

    (A⁢B)*=B*⁢A*,

  • •

    det⁢A*=det⁢A¯.

Rozważmy zbiór macierzy unitarnych

U⁢(2):={A∈M2×2⁢(ℂ):A*⁢A=I}.

Warunek A*⁢A=I oznacza, że A*=A-1 oraz |det⁢A|=1. U⁢(2) stanowi grupę z mnożeniem macierzy.

Jeśli det⁢A=1, to

A-1=[w2-w1-z2z1].

Z równości A*=A-1 otrzymujemy, że

z1=w¯2,z2=-w¯1.

Macierz A ma więc w tym przypadku postać

A=[zw-w¯z¯]

dla pewnych takich liczb zespolonych z,w∈ℂ, że

|z|2+|w|2=det⁢A=1.

Grupa

S⁢U⁢(2)={A∈U⁢(2):det⁢A=1}

składa się więc z macierzy postaci

[zw-w¯z¯],gdzie |z|2+|w|2=1.
Przykład 2.31 (Macierze hermitowskie).

Zbiór zespolonych macierzy hermitowskich

Herm2⁢(ℂ)={A∈M2×2⁢(ℂ):A=A*}

jest grupą z działaniem dodawania macierzy. Przyglądniemy się jej bliżej. Niech A=[z1w1z2w2]∈Herm2⁢(ℂ). Ponieważ

A*=[z¯1z¯2w¯1w¯2],

więc

z1=z¯1,w2=w¯2,w1=z¯2.

Wynika stąd, że A∈Herm2⁢(ℂ) jeśli A ma postać

A=[ac¯cd],gdzie a,d∈ℝ,c∈ℂ.
Przykład 2.32 (Macierze hermitowskie).

Zbiór zespolonych macierzy hermitowskich

Herm2⁢(ℂ)={A∈M2×2⁢(ℂ):A=A*}

jest grupą z działaniem dodawania macierzy. Przyglądniemy się jej bliżej. Niech A=[z1w1z2w2]∈Herm2⁢(ℂ). Ponieważ

A*=[z¯1z¯2w¯1w¯2],

więc

z1=z¯1,w2=w¯2,w1=z¯2.

Wynika stąd, że A∈Herm2⁢(ℂ) jeśli A ma postać

A=[ac¯cd],gdzie a,d∈ℝ,c∈ℂ.

2.5 Pewne ważne macierze

Rozważymy pewne specjalne macierze, które będą pojawiały się w dalszym ciągu wykładu. Zaczniemy od pewnego ogólnego rezultatu zwanego Twierdzeniem Cayleya–Hamiltona.

Lemat 2.2 (Twierdzenie Cayleya–Hamiltona).

Dla macierzy A∈M2×2⁢(F) zachodzi równość

A2-tr⁢(A)⋅A+det⁢(A)⋅I=[0000].
Dowód.

Zastosujemy brutalną siłę, czyli bezpośredni rachunek. Niech A=[abcd]. Mamy

A2-(a+d)⋅A+(a⁢d-b⁢c)⋅I =(A-a⋅I)⁢(A-d⋅I)-(b⁢c)⋅I
=[0bcd-a]⁢[a-dbc0]-[b⁢c00b⁢c]
=[b⁢c0c⁢(a-d)+(d-a)⁢cb⁢c]-[b⁢c00b⁢c]
=[0000].

∎

  • U

    Twierdzenie Cayleya–Hamiltona pozwala wyznaczyć macierz odwrotną do macierzy nieosobliwej A. Mnożąc równość A2-tr⁢(A)⁢A+det⁢(A)⁢I=0 przez A-1 otrzymujemy, że

    A-1=1det⁢(A)⁢(tr⁢(A)⋅I-A)

    Ponadto, tr⁢(A2)=(tr⁢(A))2-2⁢d⁢e⁢t⁢(A).

  • U

    Wzory Viete’a

    Dla macierzy A∈M2×2⁢(ℂ) rozważmy równanie kwadratowe

    pA⁢(z)=z2-tr⁢(A)⁢z+det⁢(A)=0.

    Ma ono dwa pierwiastki zespolone λ1,λ2∈ℂ, czyli

    z2-tr⁢(A)⁢z+det⁢(A) =(z-λ1)⁢(z-λ2)
    =z2-(λ1+λ2)⁢z+λ1⁢λ2.

    Wynika stąd, że

    tr⁢(A)=λ1+λ2,det⁢(A)=λ1⁢λ2.

    Liczby λ1,λ2 będziemy nazywać wartościami własnymi macierzy A.

    Z twierdzenia Cayleya–Hamiltona mamy

    A2-(λ1+λ2)⋅A+(λ1⁢λ2)⋅I=[0000],

    czyli

    [0000]=(A-λ1⋅I)⁢(A-λ2⋅I)=(A-λ2⋅I)⁢(A-λ1⋅I).
Przykład 2.33.

Niech A=[1101]∈M2×2⁢(ℂ). Korzystając z Twierdzenia Cayleya–Hamiltona obliczymy A5+A3. Rozważmy wielomian w⁢(z)=z5+z3. Dzieląc go przez wielomian charakterystyczny pA⁢(z)=z2-2⁢z+1=(z-1)2 macierzy A otrzymujemy, że

w⁢(z)=(z3+2⁢z2+4⁢z+6)⁢pA⁢(z)+(8⁢z-6).

Z Twierdzenia Cayleya–Hamiltona mamy

A5+A3=(A3+2⁢A2+4⁢A+6⁢I)⁢(A-I)2⏟=0+(8⁢A-6⁢I)=8⁢A-6⁢I,

czyli

A5-A3=8⁢[1101]-6⁢[1001]=[2802].
Przykład 2.34.

Korzystając z Twierdzenia Cayleya–Hamiltona obliczymy A1000, gdzie A=[1102]. Wielomian charakterystyczny pA⁢(z)=z2-3⁢z+2 ma dwa pierwiastki λ1=1 i λ2=2. Dzieląc wielomian w⁢(z)=z1000 przez pA otrzymujemy, że

w⁢(z)=q⁢(z)⁢pA⁢(z)+r⁢(z),

gdzie r⁢(z)=r1⁢z+r0 jest resztą z dzielenia. Współczynniki r1 i r0 możemy wyznaczyć podstawiając λ1 i λ2 za z. Otrzymujemy, że

r1+r0=λ11000=1,2⁢r1+r0=λ21000=21000.

Rozwiązaniem układu są

r1=21000-1,r0=2-21000.

Z Twierdzenia Cayleya–Hamiltona wynika, że

A1000 =r⁢(A)
=(21000-1)⁢[1102]+(2-21000)⁢[1001]
=[121000-1021000].
Przykład 2.35 (Wartości własne macierzy symetrycznych i hermitowskich).

Jeśli A=[abbd]∈M2×2⁢(ℝ) jest macierzą symetryczną, to A ma rzeczywiste wartości własne. Rzeczywiście, dla równania

z2-(a+d)⁢z+a⁢d-b2=0

mamy

(a+d)2-4⁢(a⁢d-b2) =a2+2⁢a⁢d+d2-4⁢a⁢d+4⁢b2
=(a-d)2+4⁢b2
≥0.

Również, jeśli

A=[ac¯cd]∈M2×2⁢(ℂ),a,d∈ℝ,c∈ℂ

jest macierzą hermitowską, to A ma rzeczywiste wartości własne. Dla równania

0=z2-(a+d)⁢z+a⁢d-c⁢c¯=z2-(a+d)⁢z+a⁢d-|c|2

mamy

(a+d)2-4⁢(a⁢d-|c|2) =a2+2⁢a⁢d+d2-4⁢a⁢d+4⁢|c|2
=(a-d)2+4⁢|c|2
≥0.
  • U

    Twierdzenie Cayleya–Hamiltona pozwala łatwo obliczać potęgi macierzy A. Rozważmy macierz A=[1234]. Wtedy A2-5⁢A-2⁢I=0. Powiedzmy, że chcemy znaleźć A4. Mamy

    A3 =A⁢(5⁢A+2⁢I)⏟=A2
    =5⁢A2+2⁢A
    =5⁢(5⁢A+2⁢I)+2⁢A
    =27⁢A+10⁢I

    oraz

    A4 =A3⁢A
    =(27⁢A+10⁢I)⁢A
    =27⁢A2+10⁢A
    =27⁢(5⁢A+2⁢I)+10⁢A
    =145⁢A+54⁢I.

    Analogicznie pokazuje się, że An=a⋅A+b⋅I dla pewnych a,b∈𝔽

Przykład 2.36 (Macierz nilpotentna).

Powiemy, że macierz A∈M2×2⁢(ℂ) jest nilpotentna, jeśli An=0 dla pewnego n∈ℕ. Pokażemy najpierw, że A2=0. Możemy założyć, że n≥2, bo A=0 dla n=1. Zauważmy, że

0=det⁢An=(det⁢A)n,

czyli det⁢A=0. Niech A=[abcd]. Wtedy

A2=[a2+b⁢ca⁢b+b⁢da⁢c+c⁢db⁢c+d2].

Ponieważ, det⁢A=a⁢d-b⁢c, więc

A2=[(a+d)⁢a(a+d)⁢b(a+d)⁢c(a+d)⁢d]=tr⁢(A)⁢A.

Stąd

0=An=(tr⁢(A))n-1⁢A,

czyli tr⁢A=a+d=0. Z twierdzenia Cayleya–Hamiltona wynika, że

A2=0.

Warunek ten oznacza, że

a2+b⁢c=b⁢(a+d)=c⁢(a+d)=b⁢c+d2=0.

Wiemy, że a+d=0, czyli a=-d. Przyglądnijmy się równaniu a2+b⁢c=0. Mamy dwa przypadki ze względu na c:

  • •

    jeśli c=0, to a=0 i A=[0b00] dla b∈ℂ.

  • •

    jeśli c≠0, to b=-a2c oraz

    A=[a-a2cc-a]=1c⁢[a⁢c-a2c2-a⁢c],a,c∈ℂ,c≠0.
Przykład 2.37 (Inwolucja).

Powiemy, że A∈M2×2⁢(ℂ) jest inwolucją, jeśli A2=I. Wynika stąd, że (det⁢A)2=1, czyli det⁢A=±1. Ponadto, A-1=A. Ze wzoru na A-1 mamy, że

[d-b-ca]=det⁢(A)⁢[abcd].

Jeśli det⁢A=1, to a=d oraz b=c=0. Ponadto, 1=a⁢d-b⁢c=a2 czyli a=±1. Stąd, A=I lub A=-I.

Jeśli det⁢A=-1, to a=-d i -1=a⁢d-b⁢c=-a2-b⁢c, czyli a2+b⁢c=1. Mamy dwa przypadki względem b:

  • •

    jeśli b=0, to a=±1 i c jest dowolne; wtedy

    A=[-10c1] lub A=[10c-1].
  • •

    jeśli b≠0, to c=1-a2b oraz

    A=[ab1-a2b-a],a∈ℂ,b∈ℂ∖{0}.
Przykład 2.38 (Macierz idempotentna).

Macierz A∈M2×2⁢(ℂ) nazywamy idempotentną, jeśli A2=A. Ponieważ (det⁢A)2=det⁢A, więc det⁢A=1 lub det⁢A=0. Jeśli A=[abcd], to A2=A oznacza, że

a2+b⁢c=a,b⁢(a+d-1)=c⁢(a+d-1)=(a-d)⁢(a+d-1)=0.

Jeśli a+d-1≠0, to b=c=0, a=d i a2=a. Wtedy A=0 lub A=I.

Jeśli a+d-1=0, to warunki redukują się do a2+b⁢c=a.

Mamy dwa przypadki względem b:

  • •

    jeśli b≠0, to c=a2-ab oraz

    A=[aba-a2b1-a],a∈ℂ,b∈ℂ∖{0}.
  • •

    jeśli b=0, to albo a=0 albo a=1 i wtedy

    A=[00c1] lub [10c0],c∈ℂ.
Przykład 2.39 (Macierz Grama).

Dla macierzy rzeczywistej A=[abcd]∈M2×2⁢(ℝ) jej macierz Grama jest zdefiniowana jako AT⁢A. Stąd

AT⁢A=[acbd]⁢[abcd]=[a2+c2a⁢b+c⁢da⁢b+c⁢db2+d2].

Zauważmy, że

  • •

    AT⁢A jest symetryczna,

  • •

    AT⁢A ma rzeczywiste wartości własne,

  • •

    tr⁢AT⁢A=a2+b2+c2+d2,

  • •

    tr⁢AT⁢A=0 wtedy i tylko wtedy, gdy A=0.

Przyglądnijmy się wyznacznikowi macierzy AT⁢A. Mamy

det⁢AT⁢A =det⁢AT⋅det⁢A
=(det⁢A)2≥0.
Przykład 2.40 (Rzeczywista macierz normalna).

Rozważmy taką macierz rzeczywistą A=[abcd]∈M2×2⁢(ℝ), że

AT⁢A=A⁢AT.

Nazywamy ją macierzą normalną. Oznacza to, że

[a2+c2a⁢b+c⁢da⁢b+c⁢db2+d2]=[a2+b2a⁢c+b⁢da⁢c+b⁢dc2+d2],

czyli

c2=b2,a⁢b+c⁢d=a⁢c+b⁢d.

Mamy dwie możliwości:

  • •

    jeśli c=b, to A jest symetryczna,

  • •

    jeśli b=-c, to c⁢(d-a)=c⁢(a-d); wtedy albo c=0 i A jest symetryczna albo c≠0 i wtedy a=d oraz A ma postać

    A=[a-cca].