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: 163

Скачиваний: 0

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

112

ГАНКЕЛЕВЫ МАТРИЦЫ И ФОРМЫ

Гл. II

п—1

рой а формы Н п^1 (х, х) — 2 si+iZfijс матрицей IIn_v выбрав в ка-

i, i—о

честве с любое целое число в отрезке [ —г, г] одинаковой четности с г -j- к. При этом в случае четного к — 2т неособенную матрицу Нг_г порядка г в п. 1) теоремы 11.8 нужно сразу выбрать так, чтобы

соответствующая ганкелева форма НТ_г (г, х) имела сигнатуру а.

При нечетном

к =

— 1

сигнатуру

формы

Нг_г (х , х) следует

брать

равной

сг — 1

(либо

ст +

1),

а в

п. 5)

теоремы 11.8 взять

s2(n-jn)

s2 (n-m) (соответственно

S2(n-m) <-' s2(n-m))•

У к а з а н и е .

Воспользоваться предложениями 3° и 4°.

8.

Если

в (г, ^-характеристике гапкелевой формы

 

 

 

 

п— 1

 

 

 

 

 

 

*) =

2

sM

i

 

 

 

 

 

г,J=0

 

 

ранга р число г < р, то замена переменных

~ ®»0’ Ф= ^i> •••>V i = ^r-lj

' Чг == %п-р |-г> Лг+ 1 = ^n-p-t-r+1 ’ •••1 'Пр—1 ~ ^ п

'Пр ■ %г > 'Лр+Х = ^г+1> ■ ■ • >Ч п - 1 — ^ п -р + г -1

приводит форму Я п-1 (х, х) к виду

71—1

Я п_ э > , х) = Ап_ 1 { у , у ) = 2 V W

1,1=0

Доказать, что теперь в наборе последовательных главных ми­ норов полученной формы минор порядка р, т. е.

d e t I K ; Hi,7io

совпадает с й н , т. е. с минором, о котором идет речь в правиле Фробениуса (теорема 12.1, см. также лемму 11.1) [4] *).

9.Убедиться, что ганкелева форма

Я5(*,* )= б * + б* + б! + 2 £о£з + у , + Мв + s2i4 + Ш -

*) Этот результат используется в [4] на стр. 310 при доказа­ тельстве правила Фробениуса для сведения случая г < р к разоб­ ранному ранее более простому случаю г = р. Однако при этом упу­ щен из виду тот факт, что новая форма Ап_^ (у, у) уже це является,

вообще говоря, гапкелевой (см. упражнение 9), т. о. к ней неприме­ нимы выводы, сделанные ранее для ганкелевых форм с г = р (ср. с подстрочным примечанием на стр. 107).


§ 12] ГАНКЕЛЕВЫ ФОРМЫ 113

при замене переменных, предложенной в упражнении 8, переходит в форму А ь (у, у), уже не являющуюся ганкелевой.

Ук а з а н и е . Воспользоваться данными примера 1.

10.Бесконечная последовательность вещественных чисел

s0, sr sv . . .

принадлежит,

по определению, классу

если при достаточно

больших т О

N ) все гапкслевы формы

 

т—1

Нт^ (х , х) = 2

i,/=0

имеют в каноническом представлении точно х положительных квад­ ратов.

Если гаыкелева форма

п—1

Яп-1 (*. *) = 2 *i+№ i, J=0

ранга р имеет я положительных квадратов, то для того чтобы ко­ нечный набор

so> Sl> • ■ •> S1n-%

ее коэффициентов допускал продолжение до бесконечной последо­

вательности

{sfc}£L0 класса

необходимо и достаточно,

чтобы

Д р_1=/= 0. Если это условие выполнено, то при р <

п. упомянутое

продолжение определяется единственным образом,

а при

р =

п

существует бесконечное множество таких продолжений.

теоре­

У к а з а н и е . Воспользоваться в «необходимой»

части

мами

11.4 и

6.1, а в «достаточной» — теоремами

11.5, 6.2,

9.2

и 9.1

*).

 

 

 

 

 

*) Литературные указания см. ниже в § 16, замечание к уп­ ражнению 8.


Г Л А В А III

ТЕПЛИЦЕВЫ МАТРИЦЫ И ФОРМЫ

§ 13. Теплицевы матрицы. Особые продолжения

13.1.

Теплицевой матрицей порядка

п (= 1, 2, . . .)

называется

матрица вида

 

 

 

Тл—1

Ц П -1

(13.1)

 

Нр. 4=01

где ср (р = 0, + 1>- . •) + (re — 1)) — произвольные ком­ плексные числа. Более подробно:

сС-П+2 С-п+1

С!

С0

С-71+3

С-П+2

сп-2

сп-з

С0

С—1

Сп-1

С«-2

«1

С0

Как видно из структуры матрицы Гп_1} в отличие от ганкелевых матриц, она не является, вообще говоря, сим­ метрической *). Однако при выполнении условия с_р = = ср (р — 0, 1, . .., п — 1) теплицева матрица Тп-Хбудет эрмитовойи в этом случае она порождает эрмитову теплицеву форму

П—1

X)2

Р. 9 = 0

Изучению таких форм посвящен ниже § 16. А пока зай­ мемся изучением теплицевых матриц в общем случае (без предположения об эрмитовости).

13.2.Как и для ганкелевых матриц, здесь будет раз­

вит уже известный читателю м е т о д п р о д о л ж е ­ н и й .

*) Здесь равны между собой все элементы, стоящие на каждой диагонали, параллельной главной, включая и ее самое (ср. с п. 9.1).

§ 13]

ТЕПЛИЦЕВЫ МАТРИЦЫ. ОСОБЫЕ ПРОДОЛЖЕНИЯ

Ц 5

Продолжением теплицевой

матрицы

Тп называется

всякая теплицева матрица

 

 

 

 

^n-1+v = II cp-q lip,<7=^0

(v =

2

 

у которой верхний левый угол («блок») совпадает с исход,

ной матрицей Тп-Х=

| cp_q |^=0.

 

 

Особым продолжением называется такое продолжение

матрицы

и ранг которого совпадает с рангом матрицы

Тп~х. Мы будем рассматривать и

бесконечные продолже­

ния

= I ср_д ||^?=0

конечных

матриц Тп

в том

числе и особые бесконечные продолжения (когда таковые

существуют), понимая

в

этом случае ранг бесконечной

матрицы в том же смысле,

что и в § 9.

Как и в § 9, займемся прежде всего продолжениями

матрицы Тп-Х «на один шаг»,

т. е. матрицами

со ®-1

-

с-п+1 И-П

С1

со

 

С-п+2 С-п+1

СП-1 Сп- 2

сп | сп-1

со

с-1

- С1

С0

Как видим, всякое такое продолжение определяется па­ рой чисел (с„, c_J. Напомним, что и для гаикелевой мат­ рицы аналогичное продолжение требовало задания двух чисел, но расположены эти числа в продолженной мат­ рице были совсем по-другому — заполняли ее нижний правый угол (см. п. 9.2). Это обстоятельство, а также от­ сутствие в общем случае у теплицевой матрицы симметрии относительно главной диагонали несколько усложняют доказательства теорем о продолжении теплицевых мат­ риц, которые по формулировкам и общим схемам рассуж­ дений вполне аналогичны теоремам 9.1 и 9.2.

13.3 Снова введем в рассмотрение последовательные главные миноры матрицы Тп-Х:

Dk = det I cp_7g i5=0

(k = 0, 1,.

. ., n — 1),

= 1.

Т е о р е м а

13.1

( п е р в а я

т е о р е м а

о п р о ­

д о л ж е н и и ) .

Если матрица Тп-Х неособенная

(Dn-Xф 0), то у нее имеется бесконечное множество осо­ бых продолжений Тп порядка п + 1.


116

ТЕШШЦЕВЫ МАТРИЦЫ И ФОРМЫ

[ГЛ. III

Д о к а з а т е л ь с т в о . Отыскание особого продол­ жения Тп матрицы Тп^1 сводится к решению уравнения

со

с-1

С1

со

Ф п (я, у ) = ) СП-2

1

 

СО оЙ

сп-1

Сп-2

X

сп—1

•• с-п+2

°-п+1

У

•••

п+з

с-п+2

с-п + 1

..

CQ

С-1

= 0. (13.2)

*..

сх

С-2

С0

С-1

С2

С1

со

Применяя к определителю Dn (х, у) тождество Сильвестра

вформе (2.6), имеем

(я, У) -^п-2 —

 

С1

С0

■■■ С-п+2

с - 1

...

с_п+1

у

 

-- п 2

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

С 0

■■■

C-n+2

c-n+l

(13.3)

сп- 1

сп-2

"•

С0

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

 

 

 

 

 

I

с , ^

...

Сх

СП-2

 

С0

С- 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим

О

III

С1

С0

..

с-п + 2

с-1

••' с-п+1

У

 

 

 

»

со

••• с-п+2

С-п+1

Сп - 1

Сп- 2

‘ •

ь (у ) =

 

 

С0

 

 

 

X

сп- 1

■■•

С1

сп-2

’ • С0

°-1

 

 

 

 

 

 

1 (13-4)

Ясно, что при Dn- 2 Ф 0 обе функции а (х) и Ъ(у) линей­ ны (с коэффициентом Лп_2 при х ж у соответственно), а при Dn-2 = 0 они не зависят от а: и у, т. е. равны пос­ тоянным а (0) (=f= 0) и Ъ(0) 0) соответственно (напом­ ним, что 2?п_х 0). Поэтому при Дп_2 Ф 0 уравнение (13.2), принимающее теперь в силу (13.3) и (13.4) вид

а (х) Ъ(у) - D U = 0,

(13.5)

имеет бесконечное множество решений {х, у}. Если же

Dn-2 =

0, то уравнение

(13.2) становится

линейным:

( _

1)»+*б (0) х + ( -

1)"+2 а (0) у + Dn (0,

0)= 0.

 

 

 

(13.6)


§ 13] ТВПЛИЦЕВЫ МАТРИЦЫ. ОСОБЫЕ ПРОДОЛЖЕНИЯ

117

А так как а (0) Ф 0 и Ъ(0) =j= 0, то это уравнение снова имеет бесконечное множество решений {х, у}.

Таким образом доказано, что и при Dn-2 ф 0 и в слу­ чае £)„_2 = 0 матрица Тп-г имеет бесконечное множество особых продолжений Тп.

З а м е ч а н и е 1. Если тпеплицева матрица Тп-\ э р м и т о в а , то в условиях теоремы 13.1 и среди осо­ бых продолжений Тп существует бесконечное множество эрмитовых продолжений.

В самом деле, в этом случае все миноры!)0, D1,. . ., Dn-i

вещественны.

Положив

в (13.3) х — £, у =

%, получим

вместо (13.3)

соотношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1

со

•" С-п+2

 

 

 

 

 

 

 

 

С2

С1

' "

п+з

 

 

 

D n (£, £) D n - 2 D n - l

 

••• С0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сп- 1

сп - 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

V -1

.. Cl

 

 

 

 

При Dn-а Ф 0 уравнение

Dn (£, £) =

0

принимает

поэ­

тому вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|Wn-2 ~

*0 I2 =

D U ,

 

 

 

 

(13-7)

где z0 = — а (0) (см.

(13.4)).

 

 

 

 

 

 

 

Далее, из формул (13.4) видно, что в рассматриваемом

случае Ъ(£) =

а ( Q и,

в частности,

 

 

 

 

 

 

( _

1)«+2 ъ (0) =

( - 1)"+2 а~(0) = а.

 

 

 

Поэтому при

Dn-2 =

0

уравнение Dn (£,,

С) =

0,

равно­

сильное в этом случае (13.6), переходит в

 

 

 

 

+

а£ +

г =

0

(г =

г =

Dn (0,

0)),

(13.8)

причем а =(= 0. Поскольку уравнения (13.7)

и (13.8)

за­

дают в комплексной

 

^-плоскости

окружность

радиуса

|Dn.-jDn.-2 I и прямую

линию соответственно,

наше ут­

верждение доказано.

В частном случае,

когда матрица

З а м е ч а н и е

2.

Tn-i в е щ е с т в е н н а ,

в условиях теоремы

13.1

она

имеет бесконечное множество в е щ е с т в е н н ы х

осо­

бых,продолжений.