Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Teil I/Vorlesung 24/latex

\setcounter{section}{24}






\zwischenueberschrift{Der Satz von Cayley-Hamilton}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Arthur_Cayley.jpg} }
\end{center}
\bildtext {Arthur Cayley (1821-1895)} }

\bildlizenz { Arthur Cayley.jpg } {} {Zuirdj} {Commons} {PD} {http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/PictDisplay/Cayley.html}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {WilliamRowanHamilton.jpeg} }
\end{center}
\bildtext {William Hamilton (1805-1865)} }

\bildlizenz { WilliamRowanHamilton.jpeg } {} {} {PD} {} {http://mathematik-online.de/F77.htm}


Einer der Höhepunkte der linearen Algebra ist der Satz von Cayley-Hamilton. Um ihn formulieren zu können erinnern wir daran, dass man in Polynome quadratische Matrizen einsetzen kann, siehe die 20. Vorlesung. Dabei ersetzt man an jeder Stelle die Variable $X$ durch die Matrix $M$ und muss die Potenzen $M^{i}$ als das $i$-te Matrixprodukt von $M$ mit sich selbst verstehen und die Addition als die \zusatzklammer {komponentenweise} {} {} Addition von Matrizen interpretieren. Ein Skalar $a$ wird dabei als das $a$-fache der Einheitsmatrix interpretiert. Für das Polynom
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} { 3X^2 - 5X+2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und die Matrix
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 3 & 1 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist also
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ P(M) }
{ =} {3 \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 3 & 1 \end{pmatrix}^2 - 5 \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 3 & 1 \end{pmatrix} + 2 }
{ =} { \begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 16 & 12 \\ 9 & 13 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} -5 & 0 \\ 0 & -5 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 3 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 40 & 16 \\ 12 & 36 \end{pmatrix} }
{ } { }
} {} {}{.} Zu einer fixierten Matrix
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ M }
{ \in }{ \operatorname{Mat}_{ n } (K) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es also eine \stichwort {Einsetzungsabbildung} {} \maabbeledisp {} {K[X]} {\operatorname{Mat}_{ n } (K) } {P} {P(M) } {.} Dies ist \zusatzgs {ebenso wie die Einsetzungsabbildung zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} ein \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{,} d.h. es gelten die Beziehungen \zusatzklammer {vergleiche Lemma 20.3} {} {}
\mathdisp {(P+Q)(M)=P(M)+Q(M),\, (P \cdot Q)(M)=P(M) \circ Q(M) \text{ und } 1 (M) = E_{ n }} { . }
Der Satz von Cayley-Hamilton beantwortet nun die Frage, was passiert, wenn man eine Matrix in ihr charakteristisches Polynom einsetzt.





\inputfaktbeweis
{Cayley-Hamilton/Matrixversion/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $M$ eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über $K$. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M } }
{ =} { X^n+c_{n-1} X^{n-1} + \cdots +c_1X+c_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} zu $M$.}
\faktfolgerung {Dann gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M }\, (M) }
{ =} { M^n +c_{n-1} M^{n-1} + \cdots +c_1M+c_0 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {Das heißt, dass die Matrix das charakteristische Polynom annulliert.}
\faktzusatz {}

}
{

Wir fassen die Matrix
\mathl{X E_{ n } - M}{} als eine Matrix auf, deren Einträge im \definitionsverweis {Körper}{}{}
\mathl{K(X)}{} liegen. Die \definitionsverweis {adjungierte Matrix}{}{}
\mathdisp {(X E_{ n } - M)^{ \operatorname{adj} }} { }
liegt ebenfalls in
\mathl{\operatorname{Mat}_{ n } (K(X))}{.} Die einzelnen Einträge der adjungierten Matrix sind nach Definition \definitionsverweis {Determinanten}{}{} von
\mathl{(n-1) \times (n-1)}{-}Untermatrizen von
\mathl{X E_{ n } - M}{.} In den Einträgen dieser Matrix kommt die Variable $X$ maximal in der ersten Potenz vor, sodass in den Einträgen der adjungierten Matrix die Variable maximal in der
\mathl{(n-1)}{-}ten Potenz vorkommt. Wir schreiben
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ (X E_{ n } - M) ^{ \operatorname{adj} } }
{ =} { X^{n-1} A_{n-1} + X^{n-2} A_{n-2} + \cdots + XA_1 + A_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Matrizen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ A_i }
{ \in} { \operatorname{Mat}_{ n } (K) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} d.h. man schreibt die einzelnen Einträge als Polynom und fasst dann zu
\mathl{X^{i}}{} die Koeffizienten zu einer Matrix zusammen. Aufgrund von Satz 17.9 gilt
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \chi_{ M } E_{ n } }
{ =} { (X E_{ n } -M) \circ (X E_{ n } -M)^{ \operatorname{adj} } }
{ =} { (X E_{ n } -M) \circ ( X^{n-1} A_{n-1} + X^{n-2} A_{n-2} \bruchhilfealign + \cdots + XA_1 + A_0 ) }
{ =} { X^n A_{n-1} + X^{n-1} ( A_{n-2} - M \circ A_{n-1} ) \bruchhilfealign + X^{n-2} ( A_{n-3} - M \circ A_{n-2} ) \bruchhilfealign + \cdots + X^{1} ( A_{0} - M \circ A_{1} ) - M \circ A_0 }
{ } { }
} {} {}{.} Wir können auch die Matrix links nach den Potenzen von $X$ aufteilen, dann ist
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ \chi_{ M } E_{ n } }
{ =} { X^n E_{ n } + X^{n-1} c_{n-1} E_{ n } + X^{n-2} c_{n-2} E_{ n } + \cdots + X^{1} c_{1} E_{ n } + c_0 E_{ n } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da diese zwei Polynome übereinstimmen, müssen jeweils ihre Koeffizienten übereinstimmen. D.h. wir haben ein System von Gleichungen
\mathdisp {\begin{matrix} E_{ n } & = & A_{n-1} \\ c_{n-1} E_{ n } & = & A_{n-2} - M \circ A_{n-1} \\ c_{n-2} E_{ n } & = & A_{n-3} - M \circ A_{n-2} \\ \vdots & \vdots & \vdots \\ c_{1} E_{ n } & = & A_{0} - M \circ A_{1} \\ c_{0} E_{ n } & = & - M \circ A_0 \, . \end{matrix}} { }
Wir multiplizieren diese Gleichungen von links von oben nach unten mit
\mathl{M^n, M^{n-1}, M^{n-2} , \ldots , M^1 , E_{ n }}{} und erhalten das Gleichungssystem
\mathdisp {\begin{matrix} M^n & = & M^n \circ A_{n-1} \\ c_{n-1} M^{n-1} & = & M^{n-1} \circ A_{n-2} - M^n \circ A_{n-1} \\ c_{n-2} M^{n-2} & = & M^{n-2} \circ A_{n-3} - M^{n-1} \circ A_{n-2} \\ \vdots & \vdots & \vdots \\ c_{1} M^1 & = & M A_{0} - M^2 \circ A_{1} \\ c_{0} E_{ n } & = & - M \circ A_0 \, . \end{matrix}} { }
Wenn wir die linke Spalte dieses Gleichungssystem aufsummieren, so erhalten wir gerade
\mathl{\chi_{ M }\, (M)}{.} Wenn wir die rechte Seite aufsummieren, so erhalten wir $0$, da jeder Teilsummand
\mathl{M^{i+1} \circ A_{i}}{} einmal positiv und einmal negativ vorkommt. Also ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \chi_{ M }\, (M) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Cayley-Hamilton/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es sei \maabbdisp {f} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gilt für das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ f } (f) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Satz 24.1.

}






\zwischenueberschrift{Minimalpolynom und charakteristisches Polynom}





\inputfaktbeweis
{Cayley-Hamilton/Minimalpolynom und charakteristisches Polynom/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es sei \maabbdisp {f} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
\mathl{\chi_{ f }}{} ein Vielfaches des \definitionsverweis {Minimalpolynoms}{}{}
\mathl{\mu_f}{} zu $f$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Satz 24.2 und Korollar 20.12.

}


Insbesondere ist der Grad des Minimalpolynoms zu \maabb {\varphi} { V } { V } {} durch die Dimension des Vektorraums $V$ beschränkt. Minimalpolynom und charakteristisches Polynom stimmen in verschiedener Hinsicht überein, beispielsweise besitzen sie die gleichen Nullstellen.





\inputfaktbeweis
{Endomorphismus/Polynom/Eigenvektor/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es sei \maabbdisp {f} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} von $f$ zum \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} $\lambda$ und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Polynom.}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (P(f)) (v) }
{ =} { P(\lambda) v }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {Insbesondere ist $v$ ein Eigenvektor von
\mathl{P(f)}{} zum Eigenwert
\mathl{P(\lambda)}{.} Der Vektor
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gehört genau dann zum Kern von
\mathl{P(f)}{,} wenn $\lambda$ eine Nullstelle von $P$ ist.}
\faktzusatz {}

}
{

Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(f^k) (v) }
{ =} { \lambda^k v }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher folgt alles daraus, dass die Zuordnung
\mathl{P \mapsto P(f)}{} mit der Addition und der Skalarmultiplikation verträglich ist.

}





\inputfaktbeweis
{Minimalpolynom und charakteristisches Polynom/Gleiche Nullstellen/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es sei \maabbdisp {f} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann besitzen das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} $\chi_{ f }$ und das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} $\mu_f$ die gleichen Nullstellen.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dass die Nullstellen des Minimalpolynoms auch Nullstellen des charakteristischen Polynoms sind, folgt direkt aus Cayley-Hamilton.

Umgekehrt sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Nullstelle des charakteristischen Polynoms und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} von $f$ zum \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} $\lambda$, den es nach Satz 23.2 gibt. Das Minimalpolynom schreiben wir als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \mu_f }
{ =} { (X- \lambda_1)^{m_1} \cdots (X- \lambda_k)^{m_k} Q }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei $Q$ nullstellenfrei sei. Dann ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ 0 }
{ =} { \mu_f(f) }
{ =} { { \left( (X- \lambda_1)^{m_1} \cdots (X- \lambda_k)^{m_k} Q \right) } (f) }
{ =} { (f- \lambda_1 \operatorname{Id}_{ V } )^{m_1} \cdots (f - \lambda_k \operatorname{Id}_{ V })^{m_k} Q(f) }
{ } { }
} {} {}{.} Wir wenden dies auf $v$ an. Nach Lemma 24.4 bilden die Faktoren den Vektor $v$ auf
\mathl{(\lambda - \lambda_i)^{m_i} v}{} bzw. auf
\mathl{Q(\lambda) v}{} ab. Insgesamt wird somit $v$ auf
\mathdisp {( \lambda- \lambda_1)^{m_1} \cdots ( \lambda- \lambda_k)^{m_k} Q ( \lambda) v} { }
abgebildet. Da die Gesamtabbildung die Nullabbildung und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q(\lambda) }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, muss ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda_i }
{ = }{ \lambda }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sein.

}






\zwischenueberschrift{Weitere Beispiele}

Den folgenden Begriff werden wir im Moment ausschließlich für invertierbare Matrizen anwenden.




\inputdefinition
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g }
{ \in }{G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Element. Dann nennt man die kleinste positive Zahl $n$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g^n }
{ = }{e_G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die \definitionswort {Ordnung}{} von $g$. Man schreibt hierfür
\mathl{\operatorname{ord} \, (g)}{.} Wenn alle positiven Potenzen von $g$ vom neutralen Element verschieden sind, so setzt man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (g) }
{ = }{ \infty }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}

Wir betrachten lineare Abbildungen \maabbdisp {\varphi} { V } { V } {} mit der Eigenschaft, dass eine Potenz davon die Identität ist, sagen wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^k }
{ =} { \operatorname{Id}_{ V } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} dass $\varphi$ also endliche Ordnung besitzt. Typische Beispiele sind Drehungen um einen Winkel der Form
\mathl{{ \frac{ 360 }{ k } }}{} oder Permutationsmatrizen. Das Polynom
\mathl{X^k -1}{} annulliert dann diesen Endomorphismus und ist daher ein Vielfaches des Minimalpolynoms.




\inputdefinition
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann heißen die Nullstellen des \definitionsverweis {Polynoms}{}{}
\mathdisp {X^n-1} { }
in $K$ die $n$-ten \definitionswort {Einheitswurzeln}{} in $K$.

}





\inputfaktbeweis
{Kreisteilungsgleichung über C/Explizite Beschreibung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{\N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Die Nullstellen des Polynoms
\mathl{X^n-1}{} über ${\mathbb C}$ sind
\mathbeddisp {e^{2 \pi { \mathrm i} k / n} = \cos { \frac{ 2 \pi k }{ n } } + { \mathrm i} \sin { \frac{ 2 \pi k }{ n } }} {}
{k=0,1 , \ldots , n-1} {}
{} {} {} {.}}
\faktzusatz {In
\mathl{{\mathbb C}[X]}{} gilt die Faktorisierung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X^n-1 }
{ =} { (X-1) { \left( X- e^{2 \pi { \mathrm i} / n} \right) } { \cdots } { \left( X- e^{2 \pi { \mathrm i} (n-1) /n} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}

}
{

Der Beweis verwendet einige Grundtatsachen über die \definitionsverweis {komplexe Exponentialfunktion}{}{.} Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( e^{ 2 \pi { \mathrm i} k /n} \right) }^n }
{ =} { e^{ 2 \pi { \mathrm i} k } }
{ =} { { \left( e^{ 2 \pi { \mathrm i} } \right) }^k }
{ =} {1^k }
{ =} {1 }
} {}{}{.} Die angegebenen komplexen Zahlen sind also wirklich Nullstellen des Polynoms
\mathl{X^n-1}{.} Diese Nullstellen sind alle untereinander verschieden, da aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ e^{2 \pi { \mathrm i} k/n} }
{ =} { e^{2 \pi { \mathrm i} \ell/n} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \leq }{ k }
{ \leq }{ \ell }
{ \leq }{n-1 }
{ }{ }
} {}{}{} sofort, durch Betrachten des Quotienten,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ e^{2 \pi { \mathrm i} ( \ell -k )/n} }
{ = }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} folgt, und daraus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \ell - k }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es gibt also $n$ explizit angegebene Nullstellen und daher müssen dies alle Nullstellen des Polynoms sein. Die explizite Beschreibung in Koordinaten folgt aus der eulerschen Formel.

}





\inputdefinition
{}
{

Zu einer \definitionsverweis {Permutation}{}{} $\pi$ auf
\mathl{{ \{ 1 , \ldots , n \} }}{} nennt man die $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M_\pi }
{ =} { { \left( a_{ij} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} für die
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ a_{ \pi (j),j} }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist und sonst alle Einträge $0$ sind, eine \definitionswort {Permutationsmatrix}{.}

}

Wir wollen das charakteristische Polynom zu einer Permutationsmatrix bestimmen. Dabei verwenden wir, dass eine Permutation ein Produkt von Zykeln ist. Zu einem Zykel der Form
\mathl{1 \mapsto 2 \mapsto 3 \mapsto \ldots \mapsto k \mapsto 1}{} gehört die Permutationsmatrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 0 & \ldots & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & 1 & 0 & \ldots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \ldots & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}} { . }
Jeder Zykel kann \zusatzklammer {durch Umnummerierung} {} {} auf diese Gestalt gebracht werden.





\inputfaktbeweis
{Permutationsmatrix/Zykel/Charakteristisches Polynom/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {}
\faktfolgerung {Das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} einer \definitionsverweis {Permutationsmatrix}{}{} $M_\rho$ zu einem Zykel
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \rho }
{ \in }{ S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Ordnung}{}{} $k$ ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M } }
{ =} { (X-1)^{n-k}(X^k-1) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir können von einem Zykel der Form
\mathl{1 \mapsto 2 \mapsto 3 \mapsto \ldots \mapsto k \mapsto 1}{} ausgehen. Die zugehörige Permutationsmatrix $M_\rho$ ist bezüglich
\mathl{e_{k+1} , \ldots , e_n}{} die Einheitsmatrix und hat bezüglich der ersten $k$ Standardvektoren die Gestalt
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 0 & \ldots & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & 1 & 0 & \ldots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \ldots & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}} { . }
Die Determinante zu
\mathl{XE_n - M_\rho}{} ist
\mathl{(X-1)^{n-k}}{} multipliziert mit der Determinante von
\mathdisp {\begin{pmatrix} X & 0 & \ldots & 0 & -1 \\ -1 & X & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & -1 & X & \ldots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \ldots & 0 & -1 & X \end{pmatrix}} { . }
Die Entwicklung nach der ersten Zeile liefert
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{X^k+ (-1)^{k+1} (-1) (-1)^{k-1} }
{ =} {X^k -1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Permutationsmatrix/Zykel/C/Eigentheorie/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Zu einer \definitionsverweis {Permutationsmatrix}{}{} $M_\rho$ über ${\mathbb C}$ zu einem \definitionsverweis {Zykel}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \rho }
{ \in }{ S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mathl{\rho:i_1 \mapsto i_2 \mapsto \ldots \mapsto i_k \mapsto i_1}{}}
\faktfolgerung {und einer $k$-ten \definitionsverweis {Einheitswurzel}{}{} $\zeta$ sind die Vektoren
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ v_\zeta }
{ \defeq} { \zeta^{k-1} e_{i_1} + \zeta^{k-2} e_{i_2} + \cdots + \zeta e_{i_{k-1} } + e_{i_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{} von $M_\rho$ zum \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} $\zeta$.}
\faktzusatz {Insbesondere ist eine Permutationsmatrix zu einem Zykel über ${\mathbb C}$ \definitionsverweis {diagonalisierbar}{}{.}}
\faktzusatz {}

}
{

Es ist
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ M_\rho (v_\zeta) }
{ =} {M_\rho ( \zeta^{k-1} e_{i_1} + \zeta^{k-2} e_{i_2} + \cdots + \zeta e_{i_{k-1} } + e_{i_k} ) }
{ =} { \zeta^{k-1} M_\rho ( e_{i_1}) + \zeta^{k-2} M_\rho ( e_{i_2} ) + \cdots + \zeta M_\rho ( e_{i_{k-1} } )+ M_\rho ( e_{i_k} ) }
{ =} { \zeta^{k-1} e_{i_2} + \zeta^{k-2} e_{i_3} + \cdots + \zeta e_{i_{k} } + e_{i_1} }
{ =} { e_{i_1} + \zeta^{k-1} e_{i_2} + \zeta^{k-2} e_{i_3} + \cdots + \zeta e_{i_{k} } }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { \zeta ( \zeta^{k-1} e_{i_1} + \zeta^{k-2} e_{i_2} + \cdots + \zeta e_{i_{k-1} } + e_{i_k} ) }
{ =} { \zeta v_\zeta }
{ } {}
{ } {}
} {}{.} Da es $k$ verschiedene $k$-te Einheitswurzeln in ${\mathbb C}$ gibt, sind diese Vektoren nach Lemma 22.3 \definitionsverweis {linear unabhängig}{}{} und erzeugen einen $k$-\definitionsverweis {dimensionalen}{}{} \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} $U$ von $K^n$, und zwar gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U }
{ =} { \langle e_{i_j} ,\, j = 1 , \ldots , k \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da die Vektoren
\mathbed {e_i} {}
{i \neq {i_j}} {}
{} {} {} {,} \definitionsverweis {Fixvektoren}{}{} sind, bilden die $v_\zeta$ zusammen mit den
\mathbed {e_i} {}
{i \neq {i_j}} {}
{} {} {} {,} eine Basis aus Eigenvektoren von $M_\rho$ und daher ist $M_\rho$ diagonalisierbar.

}


\inputfaktbeweis
{Permutationsmatrix/C/Diagonalisierbar/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Eine \definitionsverweis {Permutationsmatrix}{}{}}
\faktfolgerung {ist über ${\mathbb C}$ \definitionsverweis {diagonalisierbar}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{ Siehe Aufgabe 24.23. }