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: 140
Скачиваний: 0
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 , |
/х |
/ г1тр |
— два набора по р индексов (1 р ^ |
п) |
из числа индек |
||
сов 1, 2, |
п, то через |
|
|
|
|
/й |
|
|
|
|
\]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\