36 votos

Demostrar que el conjunto de $n$a$$ n real de las matrices con determinante positivo está conectado

Matemáticas personas:

En la cuarta edición de Strang, "Álgebra Lineal y sus Aplicaciones" en la página 230, se plantea el siguiente problema (me han cambiado su redacción): demostrar que si $A \in \mathbf{R}^{n \times n}$ con $\det(A) >0$, entonces existe una función continua $f:[0,1] \a \mathbf{R}^{n \times n}$ con $f(0) = I$, $f(1) = $ y $\det(f(t)) > 0$ para todo $t \in [0,1]$. Él dice: "el problema no es tan fácil, y las soluciones son recibidos por el autor" (cita textual del libro). Ya que el autor da la bienvenida a las soluciones, no estoy 100% seguro de que incluso él lo ha resuelto. ¿Alguien sabe si esto es cierto o falso, y que pueda tener una solución o una sugerencia? He asignado a este problema a un estudiante de posgrado en una clase de álgebra lineal, porque yo quería darle un desafío. Ninguno de nosotros lo ha resuelto. Tengo un montón de otras cosas que hacer, pero me gustaría darle una pista.

STEFAN (Intercambio de la Pila del VENTILADOR)

34voto

Hagen von Eitzen Puntos 171160

Para transformar continuamente $A$ a $I$, usted puede realizar un "continuo de la fila y de la columna de operaciones", ya que estos no cambian el determinante:

  1. Asegurarse de que $a_{n,n}\ne0$, mediante la continua adición de alguna otra fila a fila $n$ si es necesario (la existencia de una fila está garantizada por $\det a\ne 0$).
  2. Continouusly restar un múltiplo de $n$th fila de todas las otras filas de hasta $a_{en}=0$ para todo $i<$ n. También se restan los $$n ésima columna continua de todas las otras columnas para asegurarse de $a_{ni}=0$ para $i<$n
  3. Ahora recurse, es decir, realizar los pasos 1 y 2 con la parte superior izquierda de $(n-1)\times (n-1)$ submatriz etc. En la final se tiene una matriz diagonal con igual factor determinante

Por ahora tiene una matriz diagonal con el original positiva determinante, por lo tanto negativos entradas vienen en pares. Dicha negativa de los pares puede ser continuamente hechos positivos de la siguiente manera por fila y columna de las operaciones:

$$\begin{pmatrix}&0\\0 &-b\end{pmatrix}\a \begin{pmatrix}&0\\&- b\end{pmatrix}\a \begin{pmatrix}0&b\\-a y-b\end{pmatrix}\a\begin{pmatrix}0&b\\&0\end{pmatrix}\\ \a\begin{pmatrix}b&b\\&0\end{pmatrix} \a\begin{pmatrix}b&0\\&\end{pmatrix} \a\begin{pmatrix}b&0\\0 &\end{pmatrix} $$ Ahora tenemos una matriz diagonal con un resultado positivo de las entradas, y estos pueden cambiar continuamente a $1$, lo que produce $I$. Tenga en cuenta que sólo este último paso cambiado el determinante.

Quisiera específicamente para evitar la rotación de los vectores con funciones trascendentes. En cambio, la curva resultante de arriba es un modelo lineal por tramos y si empezamos con rational $$ podemos tener racional matrices en cada racional tiempo $t$.

14voto

Matt Dawdy Puntos 5479

Esto es cierto. Dibujo: uso de Gram-Schmidt para conectar a $A$ a de una matriz ortogonal, entonces use el teorema espectral.

11voto

Jim Petkus Puntos 3447

Enfoque -1: Transvections/Primaria de las matrices (Claramente el más eficiente de los cuatro pruebas a las que me dan a continuación).

Deje que $A$ ser un verdadero $n\times n$ matriz con determinante positivo.

Primero conecte a un determinante de $1$ matriz positiva determinante de las matrices $A_t:=\left(\sqrt[n]{(1-t)\mbox{det}^{-1}+t} \right)\;$.

Ahora recuerdo que $SL_n(\mathbb{R})$ es generado por el transvections (primaria matrices) $T_{i,j}=I_n+E_{i,j}$ para $i\neq j$ donde $E_{i,j}$ es la matriz $1$ en $(i,j)$ posición y $0$ en otros lugares.

Nota la ruta de acceso de $I_n+tE_{i,j}$ se conecta $T_{i,j}$ $I_n$ en $SL_n(\mathbb{R})$.

El resultado de la siguiente manera.

Enfoque de 0: $LU$ de la descomposición.

Tomar $$ real $n\times n$ matriz con determinante positivo. Existe una matriz de permutación P$$, alower triangular de la matriz $L$ y una triangular superior de la matriz $U$ tales que $$ A=PLU. $$

Primero se descomponen $P$ como un producto de la transposición de matrices. A continuación, tenga en cuenta que la ruta de acceso $$ \left(\matriz{\cos(\pi t/2)&\sin(\pi t/2)\\\sin(\pi t/2)&-\cos(\pi t/2)}\right) $$ conecta $$ \left(\matriz{0&1\\1&0}\right)\quad\mbox{y}\quad\left(\matriz{1&0\\0&-1}\a la derecha). $$ De ello se sigue que podemos conectar a $P$ a una matriz diagonal con coeffients en $\{-1,1\}$ con determinante constante igual a $\mbox{det}P$.

Ahora vamos a $L_t$ y $U_t$ ser las matrices obtenidas a partir de $L$ e $U$, respectivamente, por la multiplicación de la diagonal de coeficientes por $t$. Entonces $L_tU_t$ es un camino continuo de $a$ a una matriz diagonal, con determinante constante igual a $\mbox{det L}\cdot \mbox{det}U$.

La combinación de ambas rutas de acceso para $P$ y $LU$, nos conectamos a $A$ a una matriz diagonal con constante determinante igual a $\mbox{det}$.

Ahora cada diagonal de la matriz con determinante positivo puede ser conectado a $I_n$ por un camino con determinante positivo.

Basta con hacerlo por la diagonal de las matrices con coeficientes en $\{-1,1\}$, ya que cada diagonal de la matriz con determinante positivo puede ser fácilmente conectado a una matriz diagonal en positivo determinante de las matrices.

Ahora está claro que sólo queda demostrar que $$ \left( \matriz{-1&0\\0&-1}\right) $$ está conectado a $I_2$ en la $2\times 2$ matrices con determinante positivo.

Aquí está una ruta de acceso: $$ \left( \matriz{\cos(\pi t)&\sin(\pi t)\\-\sin(\pi t)&\cos(\pi t)}\right). $$

Enfoque 1: descomposición de valor Singular.

También usaremos el hecho de que el conjunto de todos los reales $n\times n$ unitario (=ortogonal) de matrices tiene dos arcwise de los componentes conectados. Aquella en la que el determinante es igual a $1$, y el que es igual a $-1$. Esto es fácil de demostrar por diagonalización en una base ortonormales. Esto equivale a mostrar que la $$ \left( \matriz{-1&0\\0&-1}\right) $$ está conectado a $I_2$ en la $2\times 2$ ortogonal de matrices.

El mismo camino que en el enfoque de 0 de las obras.

Deje que $A$ ser $n\times n$ real de la matriz con determinante positivo, y dejar que $\mathcal P$ denotar este conjunto. Vamos a demostrar que $A$ puede ser conectado a la matriz de identidad $I_n$ en $\mathcal{P}$.

Let A $=U\Sigma V$ ser la descomposición de valor singular de $A$. Recordemos que $U$ y $V$ unitario real $n\times n$ matrices, y que $\Sigma$ es una matriz diagonal con no negativo de las entradas. En este caso, esto significa que la diagonal de coeficientes de $\Sigma$ son todas positivas.

Desde $\mbox{det}>0$, se deduce fácilmente que $\mbox{det}U=\mbox{det}V$.

Ahora tomamos un sendero de $U_t$ de $U$ a $I_n$ y una ruta de acceso de $V_t$ de $V$ a $I_n$ en el real unitario de las matrices. Por la continuidad de la determinante, $\mbox{det}U_t=\mbox{det}V_t=\mbox{det}U=\mbox{det}V$ para todo $t$.

Así que la ruta de acceso $$ U_t\Sigma V_t $$ conecta a $A$ a $\Sigma$ en $\mathcal P$.

Sólo queda conectar $\Sigma$ $I_n$ en $\mathcal P$, que es extremadamente fácil.

Enfoque 2: forma normal de Jordan de una matriz cuadrada real.

Tomar una real $n\times n$ matriz $A$ con determinante positivo,

En primer lugar observamos que si $B_t$ es una ruta dentro de $\mathcal P$ a $B$ a $I_n$, y si $P$ es invertible, entonces $P^{-1}B_tP$ es una ruta de acceso desde $P^{-1}BP$ $I_n$ en $\mathcal{P}$. Por lo que es suficiente para demostrar que el reclamo por $Un$ en forma normal de Jordan.

Así que vamos a $A$ ser en forma normal de Jordan con determinante positivo.

Ahora vamos a $A_t$ ser la matriz obtenida a partir de $Un$ al multiplicar cada uno de fuera de la diagonal coeficiente por $t$. Este se conecta $A$ a una matriz diagonal dentro de $\mathcal P$.

Así que todo se reduce a mostrar que cada diagonal de la matriz con determinante positivo puede ser conectado a $I_n$ en $\mathcal{P}$. Ver el final de la aproximación de 0.

11voto

Seirios Puntos 19895

Una prueba mediante la acción de los grupos:

Deje de $GL_n(\mathbb{R})_+= \{ M \en GL_n(\mathbb{R}) \mid \det(M)>0 \}$ en $\mathbb{R}^n \barra invertida \{0\}$ en la forma canónica; aviso de que la acción es transitiva. Deje de $e_1=(1,0,...,0)$.

Introducir los subgrupos $H$ y $K$ definida por $H= \left\{ \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \0 puntos \\ \begin{array}{c} 0 \\ \vdots \\ 0 \end{array} & \end{array} \right) \mid \en GL_{n-1}(\mathbb{R})_+ \right\}$ y $G= \left\{ \left( \begin{array}{cc} 1 & a_1 \dots a_{n-1} \\ \begin{array}{c} 0 \\ \vdots \\ 0 \end{array} & I_{n-1} \end{array} \right) \mid (a_1,...,a_{n-1}) \in \mathbb{R}^{n-1} \right\}$. A continuación, el estabilizador de $e_1$ es $HG$, homeomórficos $G \times H \simeq \mathbb{R}^{n-1} \times GL_{n-1}(\mathbb{R})_+$.

Deduce que $\mathbb{R}^{n}\barra invertida \{0\}$ es homeomórficos $GL_n(\mathbb{R})_+ /( \mathbb{R}^{n-1} \times GL_{n-1}(\mathbb{R}_+))$. Finalmente, se puede concluir por inducción mediante el siguiente lema:

Lema: Deje de $G$ ser un grupo topológico y $H$ ser un subgrupo de $G$. Si $H$ y $G/H$ están conectados, entonces $G$ es conectado.

Prueba: Deja que $f : G \a \{0,1\}$ ser una función continua. Desde $H$ es conectado, $f$ es una constante en las clases de $G$ modulo $H$, por lo tanto, una función continua $\tilde{f} : G/H \a \{0,1\}$. Pero $G/H$ está conectado, por lo que $\tilde{f}$ es constante. Deduce que $f$ es constante, por lo tanto $G$ es conectado. $\square$

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