Аннулирующий многочлен вектора.

Рассмотрим наименьшее (по включению) инвариантное подпространство, содержащее вектор x. Очевидно, что с вектором x в нем содержится и векторы , где k=1,2,… . Обозначим через k наибольшее число, при котором система векторов линейно независима. Очевидно, что линейная оболочка этих векторов образует наименьшее инвариантное подпространство, содержащее вектор x. Выразим . Это равенство запишем в виде , где - тождественное преобразование. Слева стоит линейное преобразование, по виду являющееся многочленом от линейного преобразования . Будем говорить, что многочлен p(t) аннулирует вектор x, если . Многочлен наименьшей степени, аннулирующий вектор x, называется минимальным аннулирующим многочленом вектора x.

Минимальный аннулирующий многочлен определен с точностью до числового множителя. Далее, для определенности будем считать коэффициент при старшей степени равным 1.

Свойство 10.1 Аннулирующий многочлен вектора делится без остатка на минимальный аннулирующий многочлен вектора.

Доказательство. Пусть f(t) –аннулирующий многочлен, а p(t) – минимальный аннулирующий многочлен. Разделим f(t) на p(t) с остатком f(t)=p(t)g(t)+r(t). Тогда . Так как степень r(t) меньше степени p(t), и многочлен r(t) аннулирует вектор x, то единственная возможность r(t)=0.

Теорема 10.1 (Метод и академика Крылова). Пусть векторы линейно независимы и , тогда многочлен является минимальным аннулирующим многочленом вектора x.

Доказательство. Очевидно, что многочлен является аннулирующим для вектора x. Допустим, он не является минимальным аннулирующим многочленом. Следовательно, найдется аннулирующий многочлен меньшей степени , что . Последнее равенство не возможно в силу линейной независимости системы векторов .

Теорема 10.2 Минимальный аннулирующий многочлен вектора является делителем характеристического многочлена.

Доказательство. Пусть система векторов - линейно независима и . Дополним систему векторов до базиса всего пространства и найдем матрицу линейного преобразования в этом базисе. Эта матрица имеет блочный вид , где - блок порядка k+1. По теореме Лапласа , а - минимальный аннулирующий многочлен вектора x.

Следствие 10.1. (теорема Гамильтона – Кэли) Линейное преобразование является корнем своего характеристического многочлена.

Доказательство. Пусть - характеристический многочлен. Тогда для любого x имеем , и, следовательно, .