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最小多項式と固有多項式|割り切れる関係と対角化の判定

次の 2 つは、固有多項式がどちらも です。片方は対角行列、もう片方は対角化できません[1]。

固有多項式では区別が付かない。最小多項式なら と に分かれます。

同じ固有値を持つ行列の中で、何が違うのかを測る道具。それが最小多項式です。

固有多項式

次正方行列 に対して、 を固有多項式と呼びます。 の 次式で、最高次の係数は 。

根はちょうど固有値です。次数が行列の大きさで決まるので、 が同じなら次数も同じになります。

最小多項式

を満たす多項式のうち、最高次の係数が で次数が最小のものを最小多項式と呼びます[1,3]。

固有多項式と違い、次数は行列ごとに変わる。 次行列でも、最小多項式が 1 次で終わることがあります。

なら なので、。 が何次でも同じです。

一意に決まる

同じ次数の候補が 2 つあると困るので、まず一意性を確かめます。 と をどちらも最小次数のモニック多項式とする。

差 を考えると、最高次が消えるので次数が下がります。 も成り立つ。

最小次数より低い次数で を消す多項式は しかないので、。 です。

消す多項式はすべて最小多項式の倍数

なら、 は で割り切れます[1]。この事実が最小多項式の使いどころを決めています。

証明は多項式の割り算です。 と書き、 とする。

が を消していて、次数は より低い。最小性から となり、 が出ます。

固有多項式は最小多項式で割り切れる

ケイリー・ハミルトンの定理は を主張します[4]。行列は自分の固有方程式を満たす、という形。

上の割り切れる性質を に当てると、次が出ます。

とくに 。最小多項式を探すときは、固有多項式の因数だけ見れば足ります。

根は同じ

割り切れるので、 の根は の根、つまり固有値です。逆も成り立ちます[1]。

を固有値、 を固有ベクトルとすると 。どんな多項式 でも になります。

とおくと左辺は 。 なので です。

固有多項式

次数は必ず 。重複度は代数的重複度そのまま

最小多項式

次数は行列ごとに変わる。重複度はジョルダン細胞の最大サイズ

2 つの多項式は根の集合が同じで、違うのは各根の指数だけ。ここに行列の細かい構造が入っています。

例:固有多項式が同じ 2 つ

どちらも 。候補は と の 2 つです。

で を計算すると、。よって 。

では の 成分が で、零行列になりません。 です。

は対角行列、 は対角化できない。この違いが指数に出ています。

例:3 次で最小多項式を求める

固有多項式を計算すると です[1]。

根が と なので、最小多項式は と の両方を因数に持ちます。いちばん低い候補は 。

零行列になったので 。 より 1 次低い。

根が と で重なっていないので、 は対角化できると分かります。固有多項式に重根があっても、対角化できる例です。

対角化の判定

最小多項式が 1 次式の積に分かれ、しかも重根を持たないこと。これが対角化できるための必要十分条件です[1,2]。

必要性は簡単です。 なら、相異なる固有値を として を作る。

対角成分ごとに見ると、どの位置でもいずれかの因数が になります。積は零行列で、この多項式は重根を持ちません。

十分性は固有空間の直和分解から出ます。 が相異なる 1 次式の積なら、空間が固有空間の直和になり、固有ベクトルの基底がとれます。

指数はジョルダン細胞の最大サイズ

固有値 の細胞が のように並んでいるとします。 に現れる の指数は、いちばん大きい細胞のサイズです。

細胞 は の形で、 かつ 。だから で初めて消えます。

全部の細胞を同時に消すには、最大サイズまで指数を上げる必要があります。それより低いと、大きい細胞が残る。

細胞が全部 1 次

指数は 1、重根なし

対角化できる

対角化できるかどうかは、細胞が全部 次かどうかと同じこと。最小多項式の指数は、それを 1 つの式で言い表しています。

例:射影の最小多項式

を満たす行列を射影と呼びます。 が を消すので、最小多項式はその因数です[1]。

候補は 、、 の 3 つ。 なら 、 なら 、それ以外なら です。

3 つ目の場合、根は と で重なりません。よって射影はつねに対角化できます。

固有値も と だけ。動かない方向と、つぶれる方向に分かれる、という幾何がここに出ています。

例:べき零行列

を満たす行列では、 が を消します。最小多項式は ()の形です。

根は ただ 1 つ。 なら重根なので、対角化できません。

、つまり のときだけ対角化できる。零行列以外のべき零行列は、どれも対角化を拒みます。

求め方

固有多項式を先に出し、その因数を次数の低いほうから試すのが基本です。根は固有値と一致するので、各固有値の因数は必ず 1 個以上入ります。

指数の組み合わせを小さいほうから当てて、 を消す最初のものが最小多項式。 なら、候補は 6 通りです。

を並べ、最初に一次従属になる場所を探す方法もあります。
が の一次結合で書ければ、そこから最小多項式が出ます。
成分を並べたベクトルとして見れば、掃き出し法で従属関係を出せます。
固有値が分かっていない段階でも使えるのが、この方法の利点です。

最小多項式は連続に動かない

固有多項式は成分の多項式なので、成分を少し動かすと少しだけ変わります。最小多項式はそうなりません[1]。

なら固有値が 2 つあるので、最小多項式は 2 次で 。

ではこの行列が になり、最小多項式は の 1 次に落ちます。次数が急に変わる。

重複度が変わる瞬間に飛ぶので、数値計算で最小多項式を求めるのは難しい。理論では強力でも、計算では扱いにくい対象です。

で、 が対角化できるとき、最小多項式はどれですか。

__RESULT__

対角化できるなら最小多項式は重根を持ちません。根は固有値の だけなので、残る形は の 1 次だけです。このとき 、つまり になります。

割り切れる向きも確かめます。

を満たす多項式 について、正しいのはどれですか。

  • は固有多項式で割り切れる
  • は最小多項式で割り切れる
  • は固有多項式に等しい
__RESULT__

割り算の余りが最小性に反することから、 が出ます。固有多項式で割り切れるとは限りません。 なら が を消しますが、 では割り切れません。

固有多項式は大きさを、最小多項式は形を測る。次数が に届かない行列ほど、中身が対角行列に近いという読み方ができます。

参考文献

Keith Conrad. *The Minimal Polynomial and Some Applications*. University of Connecticut.
Minimal polynomial of a matrix. StatLect.
Minimal polynomial of a matrix. Encyclopedia of Mathematics.
Cayley-Hamilton theorem. Encyclopedia of Mathematics.
$I_2$ と $(1,1;0,1)$ は固有多項式がどちらも $(T-1)^2$ で、片方だけが対角化できます。区別が付くのは最小多項式のほうで、$T-1$ と $(T-1)^2$ に分かれる。$A$ を消す多項式はすべて最小多項式の倍数になり、ケイリー・ハミルトンからその特別な場合として $m_A \mid \chi_A$ が出ます。2 つの多項式は根が完全に一致し、違うのは指数だけ。その指数がジョルダン細胞の最大サイズで、$1$ なら対角化できる。$\chi_A = T(T-1)^2$ でも $m_A = T(T-1)$ になる 3 次の例、射影とべき零行列の場合、最小多項式が連続に動かない話まで。