Файл: Иохвидов, И. С. Ганкелевы и теплицевы матрицы и формы. Алгебраическая теория.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.10.2024

Просмотров: 194

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

И. С. ИОХВИДОВ

ГАНКЕЛЕВЫ И ТЕПЛИЦЕВЫ

МАТРИЦЫ И ФОРМЫ

алгебраическая теория

ИЗДАТЕЛЬСТВО «Н АУК А » ГЛ АВН АЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИ ТЕРАТУРЫ

М о с к в а 197 4

517.1 И 75

УДК 512.83

Гаииелевы птешшцевы матрицы и формы. И о х в и д о в И. С. В книге изучаются квад­ ратные матрицы, элементы которых постоянны при одной и той же сумме (разности) индексов. Такие матрицы называются ганкелевыми (теплицевыми). В эрмитовом случае с матрицами указанного вида связываются квадратичные формы.

Ганкелевы и теплицевы матрицы и соответ­ ствующие квадратичные и эрмитовы формы ши­ роко используются в алгебре, теории функций, гармоническом анализе, функциональном ана­ лизе, теории вероятностей и многих прикладных вопросах.

В предлагаемой книге впервые излагается единая алгебраическая теория, охватывающая эти два класса матриц и форм. На протяжении всей книги прослеживаются аналогии между дву­ мя рассматриваемыми классами объектов, а в заключительной главе изучаются непосредствен­ ные преобразования, переводящие один класс в другой.

Книга рассчитана на студеитов-математиков (теоретиков и прикладников), аспирантов, науч­ ных работников, а также инженеров, знакомых с основами линейной алгебры и математического анализа. Для удобства читателей в главе I соб­ раны (с доказательствами) все необходимые для чтения книги сведения из общей теории матриц и форм. Книга снабжена большим количеством примеров и упражнений.

I

" ГОС. ПУГ JY •" А Я -

 

I

НЛУЧНО-ТйЧ:.,',Чй-Л(ЛЙ

О) о.

j

вуЦЛ^ОТЕ-КА &ССР

 

ЧЧ-НОб / /

©Издательство «Наука», 1974.

20203—029

И 053 (01)-74 4 9 -7 4

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

........................................................................................

4

Г л а в а

I.

Некоторые сведения из общей теории

мат­

§

1.

риц и форм ..........................................................

9

Взаимная матрица и еем и н ор ы .....................

9

§2. Тождество Сильвестра для окаймленных ми­

норов ............................................................................

13

§ 3. Вычисление некоторых определителей . . .

18

§4. Матрицы и линейные операторы. Спектр . 28

§5. Эрмитовы и квадратичные формы. Закон

инерции.

С игнатура..............................................

35

§ 6. Усеченные

ф орм ы .................................................

45

§7. Формула Сильвестра и приведение эрми­

товой формы к

сумме квадратов по методу

Я к о б и ..........................................................................

53

§8. Сигнатурное правило Якоби и его обобще­

 

 

 

ния ...............................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

59

Г л а в а

II.

Ганкелевы матрицы и ф орм ы ............................

продолжения

67

§

9.

 

Ганкелевы

матрицы.

Особые

 

67

§

10.

 

( г , ^ - характеристика гаикелевой матрицы .

77

§

И .

 

Теоремы

о

р а н г е ..................................................

 

 

 

 

 

84

§

12.

 

Ганкелевы ф орм ы ....................................................

 

 

 

 

 

98

Г л а в а

III.

 

Теплицевы матрицы

и ф ор м ы ...........................

продолжения

114

. §

13.

 

Теплицевы

матрицы.

Особые

114

§

14.

 

( г , к , ^ - характеристика

теплицевой матри­

125

§

15.

 

цы ................................................................................

о

р а н ге

 

 

 

 

 

 

Теоремы

 

формы

 

 

131

§ 16.

 

Эрмитовы

теплицевы

 

 

148

Г л а в а

IV. Преобразования

теплицевых

и

ганкелевых

157

§

17.

 

матриц

и

ф о р м ......................................................

 

 

 

 

 

Взаимные преобразования теплицевых и ган-

157

§

18.

 

келевых

матриц.

Пересчетхарактеристик

Обращение

теплицевых

и ганкелевых мат­

171

§

19.

 

риц ...............................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

Взаимные преобразования теплицевых и ган­

205

 

 

 

келевых

форм

.......................................................

 

 

 

 

 

Д ополнения

 

...........................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

223

 

I. Теоремы Борхардта — Якоби

и Герглотца —

 

 

 

 

М . Крейна

о

корнях

вещественных и эрми­

223

 

II.

 

тово - симметрических

 

многочленов .................

 

 

Функционалы © и © и некоторые их примене ­

234

Литература

.............................................................................

ния

 

 

 

 

 

 

 

 

.......................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

258

Предметный указатель.........................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

262

1*


ПРЕДИСЛОВИЕ

Теория ганкелевых и теплицевых матриц, как и тео­ рия соответствующих квадратичных и эрмитовых форм, относится к тем разделам математики, о которых никак не скажешь, что им не повезло в математической литера­ туре. Напротив, этим теориям посвящены многие жур­ нальные статьи и целые монографии, и интерес к ним не ослабевает с самого начала нынешнего века, а в отноше­ нии ганкелевых матриц и форм — даже с конца прошлого века. Такой устойчивый интерес объясняется в первую очередь широким кругом приложений названных тео­ рий — в алгебре, теории функций, гармоническом ана­ лизе, проблеме моментов, функциональном анализе, тео­ рии вероятностей и многих прикладных вопросах.

Помимо упомянутых областей непосредственного при­ ложения, есть еще один раздел математики, в котором теплицевы и ганкелевы матрицы играют роль своеобраЗ’ ных моделей. Дело в том, что континуальными аналогами систем линейных алгебраических уравнений, у которых матрицы коэффициентов теплицевы (т. е. элементы этих матриц зависят только от разности номеров строки и столбца), являются интегральные уравнения с ядрами, зависящими от разности аргументов, охватывающие, в частности, такой важный для теоретической физики класс, как уравнения Винера — Хопфа. Нередко факты, обна­ руженные на алгебраическом уровне для упомянутых ли­ нейных систем, тотчас же влекут за собой по аналогии но­ вые результаты для интегральных уравнений (совсем не­ давний пример — работа [17], с содержанием которой чи­ татель частично познакомится в § 18 этой книги). Анало­ гичная ситуация имеет место в отношении ганкелевых матриц (т. е. таких, у которых элементы зависят только от суммы индексов) и ядер, зависящих от суммы аргументов.

Тем более парадоксальным представляется тот факт, что в чисто алгебраическом плане теплицевым и ганкеле-

ПРЕДИСЛОВИЕ

5

вым матрицам и формам не было посвящено, по крайней мере на русском языке, ни одной монографии. Причем, если о ганкелевых матрицах и формах некоторые сведения можно почерпнуть из «Теории матриц» Ф. Р. Гантмахера ([4], гл. X, § 10 и гл. XYI, § 10), то о теплицевых матри­ цах и формах умалчивают практически все известные рус­ ские и переводные курсы линейной алгебры и теории мат­ риц, если не считать буквально нескольких строк, посвя­ щенных им в книге Р. Веллмана [2]. Что же касается из­ вестной монографии У. Гренандера и Г. Сеге «Теплицевы формы и их приложения» [6], то она целиком посвящена аналитическим проблемам. Сам же термин «теплицева форма», несмотря на его общее определение, данное авто­ рами в предисловии, употребляется в этой книге почти ис­ ключительно в том смысле, в каком он вошел в литера­ туру после работ К. Каратеодори, О. Теплица, Э. Фишера, Г. Герглотца, Ф. Рисса (1907—1915 гг.). А именно, речь идет в основном о формах, коэффициенты которых связаны с некоторым степенным рядом, рядом Лорана или рядом Фурье, а отнюдь не о формах общего вида и их чисто ал­ гебраических свойствах.

Между тем в журнальной литературе накопилось в на­ стоящее время большое количество результатов, относя­ щихся к алгебре ганкелевых и теплицевых матриц и соот­ ветствующих форм, и результаты эти складываются уже

в довольно

стройную теорию.

Ее истоки находятся еще

в мемуарах

Г. Фробениуса [44,

45] (1894, 1912 гг.), а по­

следние результаты, вошедшие в данную книгу, получены уже в наши дни.

Весьма примечательными, на наш взгляд, являются об­ наружившиеся лишь в последние годы глубокие аналогии,

а также

прямые связи между двумя классами матриц

(и форм),

которым посвящена эта книга. Именно эти ана­

логии и связи явились тем ориентиром, с помощью которо­ го удалось разобраться во многих вопросах, остававших­ ся до сих пор в тени, несмотря на столь почтенный возраст рассматриваемой теории.

В силу изложенных выше причин, вероятно, достаточ­ но оправданной представляется целевая установка, при­ нятая при написании книги: ограничиться сугубо алгебра­ ическим аспектом теории, но отразить его, по возможно­ сти, полней. Заметим, что первая часть этой формулы,


6 ПРЕДИСЛОВИЕ

оставляющая в стороне всевозможные приложения, по­ скольку они достаточно полно представлены'в других моно­ графиях, все же не выдержана здесь (как, вероятно, и вторая) с должной последовательностью — мы не смогли удержаться от искушения привести хотя бы простейшие применения ганкелевых и теплицевых форм в теории от­ деления корней алгебраических уравнений, чем, впрочем, не нарушен алгебраический характер книги, оговоренный в ее подзаголовке. Этим вопросам посвящено специальное Дополнение I, в то время как Дополнение II затрагивает, правда, тоже лишь в самой простейшей форме, глубо­ кие связи нашего предмета с классической проблемой мо­ ментов.

Что касается основного текста книги, то, за исключе­ нием главы I, он целиком посвящен алгебраическим свой­ ствам ганкелевых (гл. II) и тешщцевых (гл. III) матриц и форм, а также различным преобразованиям этих объектов, в том числе взаимным преобразованиям матриц и форм каждого из этих двух классов в матрицы и формы другого класса (гл. IV).

Остановимся несколько подробнее на содержании глав II— IV. Стержнем всей теории является так называемый метод особых продолжений ганкелевых и теплицевых мат­ риц (§§ 9 и 13 соответственно) и разработанные на его ос­ нове понятия характеристик (§§ 10 и 14). Эти понятия, позволяющие в §§ 11 и 15 соответственно сравнительно быстро установить основные теоремы о рангах ганкеле­ вых и теплицевых матриц в отдельности, затем синтези­ руются в § 17 в единую систему характеристик, охва­ тывающую оба рассматриваемых класса матриц. В §§12

и16 соответственно устанавливаются сигнатурные прави­ ла — известное правило Фробениуса для ганкелевых форм

иновое — для теплицевых форм; то и другое получены единым методом особых продолжений и характеристик. § 18 целиком посвящен задачам обращения теплицевых

иганкелевых матриц, а § 19 — преобразованиям, пере­ водящим друг в друга формы двух интересующих нас классов.

Глава I играет вспомогательную роль. В ней собраны

необходимые для последующих глав сведения из общей теории матриц и форм. Некоторые из них в основном традиционны, часть же материала пришлось изложить по-но­

ПРЕДИСЛОВИЕ

7

вому с тем, чтобы сделать чтение книги по возможности независимым от наличия под рукой других руководств. В особенности это относится к §§ 6 и 8, посвященным усе­ ченным формам и сигнатурному правилу Якоби (с его обобщениями) соответственно. Несколько в стороне стоит § 3, содержащий чисто технический, но весьма важный для построения всей теории материал — лемму о вычислении одного специального определителя и ее следствия.

От читателя требуется знание элементов математиче­ ского анализа и алгебры, а также знание основного курса линейной алгебры и теории матриц в объеме, например, первых десяти глав трактата Ф. Р. Гантмахера [4], допол­ нением к которому, по существу, является предлагаемая книга. Такой минимальный объем требований к подготов­ ке читателя заставил отказаться от включения в книгу теории бесконечных продолжений ганкелевых и теплицевых форм с фиксированным конечным числом квадратов определенного знака. Эта теория, развитая в работах [18, 30, 21, 31, 19] идр., представлена в книге лишь двумя упражнениями в §§ 12 и 16 соответственно, ибо она требу­ ет применения средств функционального анализа (опера­ торы в гильбертовых пространствах с индефинитной мет­ рикой), а изучение асимптотики коэффициентов упомяну­ тых бесконечных продолжений нуждается в привлечении соответствующего аналитического аппарата.

Первоначальный текст книги сложился как запись специальных курсов, которые автор читал в 1968—1970 гг. на математическом факультете Воронежского государст­ венного университета и физико-математическом факуль­ тете Воронежского педагогического института. Впослед­ ствии этот текст был значительно расширен за счет вклю­ чения новейших результатов, появившихся (и еще не появившихся) в печати, а также за счет примеров и уп­ ражнений, которыми завершаются каждый параграф основного текста и оба дополнения. Диапазон этих уп­ ражнений довольно широк — от элементарных численных примеров, снабженных либо подробными вычислениями, либо ответами, до небольших предложений, а иногда и важных теорем, не попавших в основной текст. Наиболее трудные из упражнений сопровождаются указаниями.

В книге принята сквозная нумерация параграфов; предложения, а также примеры и упражнении нумеруют-


8 ПРЕДИСЛОВИЕ

ся в каждом параграфе заново; пункты, леммы и теоремы, а также отдельные формулы имеют двойную нумерацию (в которой первое число означает номер параграфа). Ли­ тературные ссылки в квадратных скобках [ ] приведут читателя к списку цитируемой литературы в конце книги.

Первым интересом к теплицевым формам, как и к дру­ гим вопросам алгебры и функционального анализа, автор обязан своему дорогому учителю Марку Григорьевичу Крейну. В этой книге (особенно в Дополнениях I и II) читатель не раз встретится с некоторыми его идеями и ре­ зультатами, относящимися к нашему предмету.

В тексте книги нашли свое отражение ценные советы В. П. Потапова, высказанные им на самом раннем этапе подготовки книги, когда ее идея еще только вынашива­ лась. На заключительном этапе работы большим стиму­ лом для автора явился интерес, проявленный к его замыс­ лу сотрудниками кафедры алгебры МГУ О. Н. Головиным, Э. Б. Винбергом, Е. С. Голодом и В. Н. Латышевым.

Слушатели специальных курсов, с которых «стартова­ ла» книга, Т. Я. Азизов и Е. И. Иохвидов оказали автору неоценимую помощь в оформлении рукописи. В частности, Т. Я. Азизов взял на себя нелегкий труд чтения всего тек­ ста и проверки всех упражнений и вычислений, в резуль­ тате чего были внесены многочисленные поправки и улуч­ шения. Полезные замечания в ходе чтения и обработки лекционных курсов были сделаны Ф. И. Ландером.

Всем названным лицам автор приносит сердечную бла­ годарность.

Г Л А В А 1

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ

МАТРИЦ И ФОРМ

§1. Взаимная матрица и ее миноры

1.1.Мы будем рассматривать произвольные квадрат­

ные матрицы А — I a-ij |[щ=1, составленные из комплекс­

ных чисел.

Если

 

 

 

 

ii < 1 i% < 1

Zp ,

/ г1тр

— два набора по р индексов (1 р ^

п)

из числа индек­

сов 1, 2,

п, то через

 

 

 

 

 

 

 

 

\]i

/а . . . 1р)

 

 

обозначим, как обычно, минор, составленный из элемен­ тов, стоящих на пересечении строк матрицы А с номерами

ilt г2, ..., ip и столбцов с номерами

/2, ..., /р, т. е.

ц

гг ... г

 

/1

= detll%ivll?,v=l-

/ г .

 

Вчастности,

определитель матрицы А.

Условимся обозначать п р индексов, оставшихся после удаления из набора (1,2,..., ?г} индексов i1} г2, ..., г'р (/и iii •••! /р) 1 через /сх, к2, ..., (Z^, Z2, ..., Zn_p) (индексы здесь выписываются всюду в порядке их возрастания). Тогда

(к г Аа . . . А„_р\