9 votos

Matrices que conmutan con todas las matrices que conmutan con una matriz dada

Dejemos que $A$ ser un $n \times n$ matriz con entradas de un campo arbitrario $F$ y que $C(A)$ denota el conjunto de todas las matrices que conmutan con $A$ .

¿Es cierto que $C(C(A))= \{ \alpha_1 + \alpha_2 A + \cdots + \alpha_{n-1}A^{n-1}\mid\alpha_i \in F \}$ ?

Este problema es una versión generalizada de los problemas 6.3.13, 6.3.14 de la obra de Herstein Temas de Álgebra lo que no puedo hacer. Herstein pide que se demuestre que esto es válido para los casos $n=2,3$ .

Por supuesto, una forma de hacerlo es mediante el cálculo por fuerza bruta (que no he probado), pero supongo que hay una forma más conceptual de hacerlo que no soy capaz de encontrar.

Es evidente que todas las matrices del tipo en R.H.S. están en $C(C(A))$ por lo que la parte que no puedo hacer es que estas son las únicas matrices.

Puedo ver que $C(A)$ y $C(C(A))$ son en sí mismos espacios vectoriales, pero ¿qué hacer después?

3voto

GmonC Puntos 114

Como usuario i7071707 señaló en un comentario, esta pregunta ya se ha preguntado y ha recibido allí una respuesta correcta, basada en este documento de Paco Lagerstrom (1945). Sólo estoy publicando esta respuesta porque las preguntas con una recompensa abierta no pueden ser marcadas como duplicadas.

He aquí un rápido esquema de la prueba citada. Ver $F^n$ como $F[X]$ -mediante la acción de $~A$ (así $Xv=A\cdot v$ ) se descompone por el teorema de la estructura como una suma directa finita de módulos $M_i$ , cada una cíclica por lo que existe $v_i\in M_i$ que lo genera, y tal que los polinomios mínimos $P_i$ de $~v_i$ (el generador del ideal de $F[X]$ actuando como $~0$ en $~v_i$ y, por tanto, en $~M_i$ ) son divisibles por cualquier $P_j$ con $j>i$ (esto es contrario al orden habitual; hace que $P_1$ el polinomio mínimo (global) de $~A$ ).

Elementos de $C(A)$ son precisamente los endomorfos de este $F[X]$ -módulo; los llamaré $A$ -y llamamos a los elementos de $C(C(A))$ central $A$ -endomorfismos. La descomposición en $F^n$ como una suma directa de submódulos $M_i$ no es canónico, por lo que el $M_i$ no tiene por qué ser estable en todos los $A$ -endomorfismos (de hecho $M_1$ no es estable bajo el $A$ -endomorfismo $f$ más abajo). Sin embargo, dado que las proyecciones sobre el $M_i$ según la descomposición de la suma directa son particulares $A$ -endomorfismos, cualquier central $A$ -endomorfismo $~\zeta$ debe estabilizar los eigenspaces de estas proyecciones, y por tanto cada $~M_i$ . Entonces $\zeta$ está completamente determinada por las imágenes $\zeta(v_i)\in M_i$ .

Pero $\zeta$ está de hecho completamente determinada por la imagen única $\zeta(v_1)\in M_1$ . Para ver este arreglo $k>1$ . Hay para cada $~i$ un único $F[X]$ -mapa del módulo $F[X]\to M_i$ enviando $X\mapsto v_i$ con el núcleo $(P_i)$ y como $(P_k)$ contiene $~P_1$ el mapa $F[X]\to M_k$ pasa al cociente para dar un $F[X]$ -mapa del módulo $f:M_1\to M_k$ que por construcción satisface $f(v_1)=v_k$ . Ampliar $f$ a un $A$ -endomorfismo poniéndolo a cero en $\bigoplus_{i>1}M_i$ . Entonces $\zeta(v_k)=\zeta(f(v_1))=f(\zeta(v_1))$ porque $\zeta$ es una central $A$ -y esto está determinado por $\zeta(v_1)$ como se prometió.

Por último, dado que $M_1$ es cíclico existe $P\in F[X]$ con $\zeta(v_1)=P[A]\cdot v_1$ . De lo anterior se deduce que $\zeta(v_i)=P[A]\cdot v_i$ para todos $~i$ y por lo tanto $\zeta=P[A]$ .

-2voto

Spencer Puntos 48

El resultado es verdadero. Puedes encontrar una prueba, en francés, aquí

https://www.ljll.math.upmc.fr/~lissy/Agreg/developpements/Bicommutant.pdf

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X