Skip to content

01 复数、复矩阵与复分析 ​

1. 复数首先是一种线性变换 ​

把 z=a+ib 作用在复平面上的“乘法”写成实坐标,就得到

Φ(z)=(a−bba).

这个表示保留加法与乘法:

Φ(z+w)=Φ(z)+Φ(w),Φ(zw)=Φ(z)Φ(w).

因此乘以 z=reiθ 的几何意义是“先放大 r 倍,再旋转 θ”。共轭和模也变成矩阵性质:

Φ(z¯)=Φ(z)T,detΦ(z)=|z|2.

这给出一个重要习惯:面对新的代数对象,先问它是否可以用熟悉的线性算子表示。

2. 复矩阵的实化 ​

若 A=B+iC∈Cm×n,定义其实化为

R(A)=(B−CCB)∈R2m×2n.

它把复线性方程 Az=w 变成等价的实线性方程。实化会把每个非实特征值与其共轭一起呈现,也解释了实矩阵的非实特征值为什么成共轭对出现。

3. 代数基本定理与 Schur 分解 ​

代数基本定理保证:n 次复系数多项式按重数计算有 n 个复根。因此每个 A∈Cn×n 都有 n 个特征值(计代数重数),但未必有 n 个线性无关的特征向量。

比对角化更普遍的是 Schur 分解:存在酉矩阵 Q 使

Q∗AQ=T,

其中 T 为上三角矩阵,对角线就是 A 的特征值。它把“任意复方阵”安全地化到上三角形式,是谱理论和数值计算的共同入口。

4. 为什么课程需要一点复分析 ​

矩阵函数最终要把标量函数 f 作用到矩阵 A 上。为了让定义不依赖某一种幂级数写法,需要使用解析函数的刚性。

设 f=u+iv,若 f 在复平面区域内解析,则满足 Cauchy–Riemann 方程

∂u∂x=∂v∂y,∂u∂y=−∂v∂x.

对区域内闭曲线 Γ,Cauchy 积分公式为

f(ξ)=12πi∫Γf(z)z−ξdz.

把标量核 (z−ξ)−1 换成矩阵的预解式 (zI−A)−1,就得到第 11 章的矩阵函数定义:

f(A)=12πi∫Γf(z)(zI−A)−1dz.

5. 一个最小例子 ​

令

A=(0−110),A2=−I.

于是

etA=Icos⁡t+Asin⁡t=(cos⁡t−sin⁡tsin⁡tcos⁡t).

复指数 eit、旋转矩阵和矩阵指数其实是同一结构的三种语言。

6. 从一个特征向量到 Schur 分解 ​

Schur 分解的存在性可以用一个很有代表性的归纳法证明。由代数基本定理,A 至少有一个单位特征向量 q1,满足 Aq1=λ1q1。把 q1 扩充成标准正交基并记

Q1=(q1,Q2),

则

Q1∗AQ1=(λ1w∗0A2).

左下角为零,是因为第一列就是 Q1∗Aq1=λ1e1。再对低一阶矩阵 A2 重复同一过程,最终得到上三角矩阵。这个证明揭示了 Schur 分解的本质:不断找一维不变子空间,并在其正交补上继续归纳。

对于实矩阵,非实特征值成共轭对,无法用实正交变换把它们拆成两个实的一维块。实 Schur 形因此允许对角线上出现 2×2 块;这正是平面旋转或“旋转加伸缩”的实坐标表示。

7. 友矩阵与预解式:两条通往矩阵函数的路 ​

给定首一多项式

p(t)=tn+an−1tn−1+⋯+a1t+a0,

其友矩阵可取为

Cp=(00⋯0−a010⋯0−a101⋱0−a2⋮⋱⋮⋮00⋯1−an−1),det(tI−Cp)=p(t).

因此多项式求根可以改写成矩阵特征值问题。反过来,特征多项式又把矩阵问题送回多项式。这是“代数对象与线性算子互相编码”的第一个完整例子。

另一条路来自预解式。若 J=λI+N 是 k 阶 Jordan 块,则 Nk=0,并且

(zI−J)−1=∑j=0k−1Nj(z−λ)j+1.

代入 Cauchy 积分定义,留数逐项给出

f(J)=∑j=0k−1f(j)(λ)j!Nj.

这说明围道积分、Jordan 公式和 Hermite 插值并不是三套无关定义,而是同一个解析函数演算的三种表达。

8. 自检 ​

  • [ ] 能证明 Φ(zw)=Φ(z)Φ(w)。
  • [ ] 能说明实矩阵的非实特征值为何成共轭对出现。
  • [ ] 知道 Schur 分解不要求矩阵可对角化。
  • [ ] 能说清 Cauchy 积分公式与矩阵函数的联系。
  • [ ] 能复述 Schur 分解归纳证明中左下角为何为零。
  • [ ] 能由 Jordan 块的预解式解释矩阵函数中的导数项。

下一章:矩阵运算与矩阵微积分。