8 votos

Demostrar por Qué es $B^2 = A$ existe?

Definir $$A = \begin{pmatrix} 8 & −4 & 3/2 & 2 & −11/4 & −4 & −4 & 1 \\ 2 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ −9 & 8 & 1/2 & −4 & 31/4 & 8 & 8 & −2 \\ 4 & −6 & 2 & 5 & −7 & −6 & −6 & 0 \\ −2 & 0 & −1 & 0 & 1/2 & 0 & 0 & 0 \\ −1 & 0 & −1/2 & 0 & −3/4 & 3 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1/2 & 0 & 3/4 & −1 & 1 & 0 \\ 2 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 5 \\ \end{pmatrix} \en M_8(\mathbb R)$$

Justificar por qué no existe una matriz de $B$ tal que $B^2 = A$.

Creo que tiene algo que ver con la forma normal de Jordan por lo que he encontrado.

\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 2 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 5 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 5 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 5 \\ \end{pmatrix}

(Sé que los que están debajo de la diagonal, pero creo que no hace una diferencia.)

No tengo idea de lo que debo hacer, ayuda será apreciada!

Gracias!

18voto

shai horowitz Puntos 673

La teoría de las razones por las que se dan más arriba. Para demostrar esto, sin embargo, uno simplemente tiene que encontrar una matriz tal que $B^2=A$ en este caso

$B=$ \begin{array}{cccccccc} \frac{1}{90} \left(-\frac{75}{\sqrt{2}}-70 \sqrt{2}+181 \sqrt{5}\right) & -\frac{2}{\sqrt{5}} & \frac{1}{180} \left(-\frac{75}{\sqrt{2}}-70 \sqrt{2}+91 \sqrt{5}\right) & \frac{1}{\sqrt{5}} & \frac{1}{120} \left(-\frac{75}{\sqrt{2}}-130 \sqrt{2}+73 \sqrt{5}\right) & \frac{4}{9} \left(\frac{3}{\sqrt{2}}+10 \sqrt{2}-\frac{17 \sqrt{5}}{2}\right) & \frac{4}{45} \left(\frac{15}{\sqrt{2}}+20 \sqrt{2}-\frac{43 \sqrt{5}}{2}\right) & \frac{1}{2 \sqrt{5}} \\ \frac{15}{16 \sqrt{2}} & \sqrt{2} & \frac{15}{32 \sqrt{2}} & 0 & \frac{29}{64 \sqrt{2}} & 0 & 0 & 0 \\ \frac{1}{90} \left(\frac{285}{\sqrt{2}}+320 \sqrt{2}-362 \sqrt{5}\right) & \frac{4}{\sqrt{5}} & \frac{1}{180} \left(\frac{285}{\sqrt{2}}+320 \sqrt{2}-182 \sqrt{5}\right) & -\frac{2}{\sqrt{5}} & \frac{1}{120} \left(\frac{285}{\sqrt{2}}+260 \sqrt{2}-146 \sqrt{5}\right) & \frac{1}{9} (-8) \left(\frac{3}{\sqrt{2}}+10 \sqrt{2}-\frac{17 \sqrt{5}}{2}\right) & \frac{1}{45} (-8) \left(\frac{15}{\sqrt{2}}+20 \sqrt{2}-\frac{43 \sqrt{5}}{2}\right) & -\frac{1}{\sqrt{5}} \\ \frac{1}{12} \left(\frac{21}{2 \sqrt{2}}-8 \sqrt{2}+8 \sqrt{5}\right) & 2 \left(\sqrt{2}-\sqrt{5}\right) & \frac{1}{24} \left(\frac{21}{2 \sqrt{2}}-8 \sqrt{2}+8 \sqrt{5}\right) & \sqrt{5} & \frac{1}{16} \left(\frac{5}{2 \sqrt{2}}+40 \sqrt{2}-40 \sqrt{5}\right) & \frac{1}{3} (-2) \left(\frac{3}{\sqrt{2}}+5 \sqrt{2}-5 \sqrt{5}\right) & \frac{1}{3} (-2) \left(\frac{3}{\sqrt{2}}-\sqrt{2}+\sqrt{5}\right) & 0 \\ -\frac{1}{\sqrt{2}} & 0 & -\frac{1}{2 \sqrt{2}} & 0 & \frac{5}{4 \sqrt{2}} & 0 & 0 & 0 \\ -\frac{1}{2 \sqrt{2}} & 0 & -\frac{1}{4 \sqrt{2}} & 0 & -\frac{3}{8 \sqrt{2}} & \frac{5}{2 \sqrt{2}} & \frac{1}{2 \sqrt{2}} & 0 \\ \frac{1}{2 \sqrt{2}} & 0 & \frac{1}{4 \sqrt{2}} & 0 & \frac{3}{8 \sqrt{2}} & -\frac{1}{2 \sqrt{2}} & \frac{3}{2 \sqrt{2}} & 0 \\ \frac{1}{2} \left(-\frac{1}{\sqrt{2}}-2 \sqrt{2}+2 \sqrt{5}\right) & 0 & \frac{1}{4} \left(-\frac{1}{\sqrt{2}}-2 \sqrt{2}+2 \sqrt{5}\right) & 0 & \frac{1}{8} \left(-\frac{3}{\sqrt{2}}-2 \sqrt{2}+2 \sqrt{5}\right) & 0 & 0 & \sqrt{5} \\ \end{array}

7voto

JeanMarie Puntos 196

Voy a tomar (y modificar ligeramente) una explicación que se puede encontrar en el excelente hilo http://mathoverflow.net/questions/14106/finding-the-square-root-of-a-non-diagonalizable-positive-matrix

$f$ ser cualquier función, suficiente derivable, se puede escribir, por ejemplo, para un $4 \times 4$ Jordania bloque:

$$f\left( \left[ \begin{array} [c]{cccc}% \lambda & 1 & & \\ & \lambda & 1 & \\ & & \lambda & 1\\ & & & \lambda \end{array} \right] \right) =\left[ \begin{array} [c]{cccc}% f\left( \lambda\right) & f^{\prime}\left( \lambda\right) & \frac{1} {2!}f^{\prime\prime}\left( \lambda\right) & \frac{1}{3!}f^{\prime \prime\prime}\left( \lambda\right) \\ & f\left( \lambda\right) & f^{\prime}\left( \lambda\right) & \frac {1}{2!}f^{\prime\prime}\left( \lambda\right) \\ & & f\left( \lambda\right) & f^{\prime}\left( \lambda\right) \\ & & & f\left( \lambda\right) \end{array} \right]$$

(se basa en una cierta expansión de Taylor de $I+N$ donde $N$ es nilpotent de la matriz).

Basta, ahora, $f(x)=\sqrt{x}$ para obtener la raíz cuadrada de un bloque de Jordan de forma similar a las anteriores, pero $3 \times 3$:

$$\left[ \begin{array} [c]{ccc}% \sqrt{\lambda} & \dfrac{1}{2\sqrt{\lambda}} & -\dfrac{1}{8 (\lambda)^{3/2}} \\ & \sqrt{\lambda} & \dfrac{1}{2\sqrt{\lambda}} \\ & & \sqrt{\lambda} \end{array} \right]$$

6voto

Mark Fischler Puntos 11615

Por poner $A$ en forma normal de Jordan ha encontrado un no-singular de la matriz $P$ tal que $$ A = P^{-1}CP $$ donde $C$ es la matriz que se muestra arriba. Es fácil encontrar una matriz compuesta de la raíz de $C$, por ejemplo, en la parte superior izquierda de inicio de la con $\pmatrix{\sqrt{2} &0\\\frac14\sqrt{2}& \sqrt{2}}$

Entonces $$(P^{-1}DP)^2 = P^{-1}D(PP^{-1})DP = P^{-1}D^2=P^{-1}CP=A $$

4voto

GmonC Puntos 114

La pregunta no especifica el coeficiente de campo. Si es el de los números complejos, entonces habría bastado para comprobar que la matriz es nonsingular, ya que cada nonsingular complejidad de la matriz tiene una raíz cuadrada. Si los campos de los números racionales, entonces no hay raíz cuadrada existe para esta matriz. Si es que los números reales, entonces basta con que todos (complejo) autovalores son reales y positivos.

En general, para una nonsingular matriz sobre un campo $K$ de los característicos$~0$, habiendo una división de polinomio característico cuyas raíces son cuadrados en$~K$ (para los números positivos en el caso de $K=\Bbb R$) es una condición suficiente para disponer de una matriz de la raíz cuadrada definida sobre$~K$. La prueba de esto último es el mismo que para el caso complejo: dividir cada restricción $R_\lambda$ a un generalizado espacio propio para $\lambda\in K$ $R_\lambda=\lambda I+N$ $N$ nilpotent, a continuación, $R_\lambda$ tiene raíz cuadrada $\sqrt\lambda\sum_{k=0}^{d-1}\binom{1/2}kN^k$ donde $\sqrt\lambda$ es algo de la raíz cuadrada de$~\lambda$$~K$, e $d$ es el grado de nilpotency de $N$. (Carácter$~0$ es utilizado para los coeficientes binomiales. Tenga en cuenta que uno no necesita encontrar una forma normal de Jordan, sólo la generalización de subespacios propios.)

Para referencias a otros raíz cuadrada de la matriz de preguntas de ver esta respuesta.

Agregó: "En efecto, la condición de la característica$~0$ puede ser debilitado a la característica de no$~2$, ya que los coeficientes binomiales son bien definidos para el caso de que después de la cancelación de todos los impares los factores del denominador en la definición. En efecto, puesto que sólo la existencia de adecuados coeficientes que importa aquí, es suficiente la observación de que $1+X$ $n$- ésima raíz en el poder formal de la serie ring $K[[X]]$ siempre $n$ es invertible en a$~K$ (aquí para $n=2$), que es fácil de mostrar a través de un proceso de Hensel de elevación.

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