Найти значения параметра $s$, при котором оператор с матрицей

$$A=\left(\begin{array}{ccc} 2 & -1 & s\\ 0 & 1 & 2-s\\ 0 & 0 & 2 \end{array}\right)$$

диагонализируем.

---

Для треугольной матрицы сразу можем сказать её собственные числа — $2,2,1:$

$$\chi(x)=-x^{3}+5x^{2}-8x+4=\left(2-x\right)^{2}\left(1-x\right).$$

Найдём собственные вектора для вырожденного корня

$$A-2E=\left(\begin{array}{ccc} 0 & -1 & s\\ 0 & -1 & 2-s\\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right)\to\left(\begin{array}{ccc} 0 & -1 & s\\ 0 & -1 & 2-s\\ 0 & 0 & 0\\ \hline 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right)\to\left(\begin{array}{ccc} 0 & -1 & s-1\\ 0 & -1 & 1-s\\ 0 & 0 & 0\\ \hline 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right).$$

Для диагонализации надо что бы собственное пространство было размерности 2, следовательно, $s-1=0$ и $s=1.$

Запишите матрицу в стандартном базисе и найдите ядро и образ оператора $P$ на $\mathbb{R}^{3}$ , заданного правилом

$P:x\mapsto(u,x)u-(v,x)v,$ где $u=(1,1,-1)^{T}$ , $v=(2,-1,1)^{T}.$ Доказать, что $\ker P\bot\text{Im}P.$

---

Построим $$P:x\mapsto(x_{1}+x_{2}-x_{3})\left(\begin{array}{c} 1\\ 1\\ -1 \end{array}\right)-(2x_{1}-x_{2}+x_{3})\left(\begin{array}{c} 2\\ -1\\ 1 \end{array}\right)=$$

$$\left(\begin{array}{c} x_{1}+x_{2}-x_{3}-2(2x_{1}-x_{2}+x_{3})\\ x_{1}+x_{2}-x_{3}+(2x_{1}-x_{2}+x_{3})\\ -x_{1}-x_{2}+x_{3}-(2x_{1}-x_{2}+x_{3}) \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} -3x_{1}+3x_{2}-3x_{3}\\ 3x_{1}\\ -3x_{1} \end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc} -3 & 3 & -3\\ 3 & 0 & 0\\ -3 & 0 & 0 \end{array}\right)\left(\begin{array}{c} x_{1}\\ x_{2}\\ x_{3} \end{array}\right)$$

Найдём ядро и образ: $$\left(\begin{array}{ccc} -3 & 3 & -3\\ 3 & 0 & 0\\ -3 & 0 & 0 \end{array}\right)\to\left(\begin{array}{ccc} -3 & 3 & -3\\ 3 & 0 & 0\\ -3 & 0 & 0\\ \hline 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right)\to\left(\begin{array}{ccc} -3 & 3 & 0\\ 3 & 0 & 0\\ -3 & 0 & 0\\ \hline 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right).$$

Следовательно, $$\ker P=\left\langle \left(\begin{array}{c} 0\\ 1\\ 1 \end{array}\right)\right\rangle , \ \ \ \text{Im}P=\left\langle \left(\begin{array}{c} -1\\ 1\\ -1 \end{array}\right),\text{\ensuremath{\left(\begin{array}{c} 1\\ 0\\ 0 \end{array}\right)}}\right\rangle .$$

Вектор ядра ортогонален каждому вектору образа $$\left(\left(\begin{array}{c} -1\\ 1\\ -1 \end{array}\right)\text{,\ensuremath{\left(\begin{array}{c} 0\\ 1\\ 1 \end{array}\right)}}\right)=0,$$\left(\left(\begin{array}{c} 1
0
0 \end{array}\right)\text{,\ensuremath{\left(\begin{array}{c} 0
1
1 \end{array}\right)}}\right)=0,$$ значит пространства ортогональны.

3. Пусть $S$ — пространство симметрических матриц $X=\left(\begin{array}{cc} x & y
y & z \end{array}\right)$

над $\mathbb{R}$, $L_{A}:S\to S$ — это оператор, заданный по правилу $L_{A}(X)=AX+XA^{T},$

где $A=\left(\begin{array}{cc} 0 & 1
0 & 0 \end{array}\right).$ Найти жорданову форму оператора $L_{A}.$

$L_{A}(X)=\left(\begin{array}{cc} 0 & 1
0 & 0 \end{array}\right)\left(\begin{array}{cc} x & y
y & z \end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc} x & y
y & z \end{array}\right)\left(\begin{array}{cc} 0 & 0
1 & 0 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} y & z
0 & 0 \end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc} y & 0
z & 0 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} 2y & z
z & 0 \end{array}\right)$

Выберем базис в пространстве симметрических матриц так, что

$X=\left(\begin{array}{cc} x & y
y & z \end{array}\right)=e_{1}x+e_{2}y+e_{3}z,$ тогда

$L_{A}\left(\begin{array}{c} x
y
z \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} 2y
z
0 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc} 0 & 2 & 0
0 & 0 & 1
0 & 0 & 0 \end{array}\right)=S$

так как собственные числа все равны нулю и $S^{2}\neq0,$ следовательно, $J_{S}=\left(\begin{array}{ccc} 0 & 1 & 0
0 & 0 & 1
0 & 0 & 0 \end{array}\right).$

4. Вычислить $A^{100},$ для матрицы

$A=\left(\begin{array}{cc} 3 & -1
1 & 1 \end{array}\right)$

Найдём собственные числа:

$\chi(x)=-x^{2}+4-4=(2-x)^{2}$

Собственные числа $x_{1,2}=2$ вырожденные, кратности 2.

Самое простое — это представить в виде полинома, без поиска матрицы преобразования к жордановой форме:

$f\left(A\right)=f\left(\lambda_{1}\right)E+f^{'}\left(\lambda_{1}\right)\left(A-\lambda_{1}E\right)=2^{100}E+100\cdot2^{99}\left(A-2E\right)=$

$2^{100}\left(E+50\left(A-2E\right)\right)=2^{100}\left(50A-99E\right)=2^{100}\left(\begin{array}{cc} 51 & -50
50 & -49 \end{array}\right)$

5.

Оператор $\Phi:\mathbb{R}[x]_{\leqslant2}\to\mathbb{R}[x]_{\leqslant2}$ на пространстве многочленов степени $\leqslant2$ задан по правилу

$\Phi\left(f\left(x\right)\right)=f\left(2\right)x^{2}+\left(f\left(0\right)-2f\left(2\right)\right)x+f\left(2\right)-f\left(0\right).$

Доказать, что подпространство $L=\left\langle x-1,(x-1)^{2}\right\rangle $ инвариантно относительно $\Phi$.

Посмотрим как действует оператор $\Phi$ на многочлены $x-1$ и $(x-1)^{2}$:

$\Phi\left(x-1\right)=1x^{2}+\left(-1-2\right)x+1-\left(-1\right)=x^{2}-3x+2=\left(x-1\right)^{2}-\left(x-1\right)$

$\Phi\left(\left(x-1\right)^{2}\right)=\left(1-2\cdot2+1\cdot4\right)x^{2}-\left(1-2\cdot4+1\cdot8\right)x-2\cdot2+1\cdot4=x^{2}-x=\left(x-1\right)^{2}+\left(x-1\right),$

следовательно, произвольный вектор $\alpha\left(x-1\right)^{2}+\beta\left(x-1\right)\in L$ под действием оператора

$\Phi\left(\alpha\left(x-1\right)^{2}+\beta\left(x-1\right)\right)=\alpha\Phi\left(\left(x-1\right)^{2}\right)+\beta\Phi\left(x-1\right)=$

$\alpha\left(\left(x-1\right)^{2}+\left(x-1\right)\right)+\beta\left(\left(x-1\right)^{2}-\left(x-1\right)\right)=\left(\alpha+\beta\right)\left(x-1\right)^{2}+\left(\alpha-\beta\right)\left(x-1\right)\in L$

в вектор того же пространства.

Заметим, что произвольный многочлен $f(x)=a_{0}+a_{1}x+a_{2}x^{2}$ под действием оператора

перейдёт в

$\Phi\left(f\left(x\right)\right)=\left(a_{0}+a_{1}2+a_{2}4\right)x^{2}-\left(a_{0}+a_{1}4+a_{2}8\right)x+a_{1}2+a_{2}4,$

при этом, если корень многочлена единичный $f(1)=a_{0}+a_{1}+a_{2}=0,$ то он под действием оператора так же будет иметь единичный корень:

$\Phi\left(f\left(1\right)\right)=\left(a_{0}+a_{1}2+a_{2}4\right)1^{2}-\left(a_{0}+a_{1}4+a_{2}8\right)1+a_{1}2+a_{2}4=0,$

$\Phi\left(x-1\right)=1x^{2}+\left(-1-2\right)x+1-\left(-1\right)=x^{2}-3x+2=\left(x-1\right)^{2}-\left(x-1\right)$,

значит все многочлены $f\left(1\right)=0$ как раз и образуют инвариантное подпространство нашего оператора.