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Álgebra Lineal II: Aplicaciones del teorema de Cayley-Hamilton

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

2 respuestas

Introducción

En entradas anteriores ya enunciamos y demostramos el teorema de Cayley-Hamilton. Veremos ahora algunas aplicaciones de este resultado.

Encontrar inversas de matrices

El teorema de Cayley-Hamilton nos puede ayudar a encontrar la inversa de una matriz haciendo únicamente combinaciones lineales de potencias de la matriz. Procedemos como sigue. Supongamos que una matriz $A$ en $M_n(F)$ tiene polinomio característico $$\chi_A(x)=x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\ldots+a_1x+a_0.$$ Como $a_0=\det(A)$, si $a_0=0$ entonces la matriz no es invertible. Supongamos entonces que $a_0\neq 0$. Por el teorema de Cayley-Hamilton tenemos que $$A^n+a_{n-1}A^{n-1}+\ldots+a_1A+a_0I_n=O_n.$$ De aquí podemos despejar la matriz identidad como sigue:

\begin{align*}
I_n&=-\frac{1}{a_0}\left( A^n+a_{n-1}A^{n-1}+\ldots+a_1A \right)\\
&=-\frac{1}{a_0}\left(A^{n-1}+a_{n-1}A^{n-2}+\ldots+a_1 I\right) A.
\end{align*}

Estos cálculos muestran que la inversa de $A$ es la matriz $$ -\frac{1}{a_0}\left(A^{n-1}+a_{n-1}A^{n-2}+\ldots+a_1 I\right).$$

Ejemplo. Supongamos que queremos encontrar la inversa de la siguiente matriz $$A=\begin{pmatrix} 2 & 2 & 0 \\ 0 & -1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix}.$$ Su polinomio característico es $\lambda^3-2\lambda^2 – \lambda +2$. Usando la fórmula de arriba, tenemos que

$$A^{-1}=-\frac{1}{2}(A^2-2A-I).$$

Necesitamos entonces $A^2$, que es:

$$A^2=\begin{pmatrix} 4 & 2 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 3 & 2 & 1 \end{pmatrix}.$$

De aquí, tras hacer las cuentas correspondientes, obtenemos que:

$$A^{-1}=\begin{pmatrix} \frac{1}{2} & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 0 \\ -\frac{1}{2} & 0 & 1\end{pmatrix}.$$

Puedes verificar que en efecto esta es la inversa de $A$ realizando la multiplicación correspondiente.

$\triangle$

El método anterior tiene ciertas ventajas y desventajas. Es práctico cuando es sencillo calcular el polinomio característico, pero puede llevar a varias cuentas. En términos de cálculos, en general reducción gaussiana funciona mejor para matrices grandes. Como ventaja, el resultado anterior tiene corolarios teóricos interesantes. Un ejemplo es el siguiente resultado.

Corolario. Si $A$ es una matriz con entradas en los enteros y determinante $1$ ó $-1$, entonces $A^{-1}$ tiene entradas enteras.

Encontrar el polinomio mínimo de una matriz

Otra de las consecuencias teóricas del teorema de Cayley-Hamilton con aplicaciones prácticas ya la discutimos en la entrada anterior.

Proposición. El polinomio mínimo de una matriz (o transformación lineal) divide a su polinomio característico.

Esto nos ayuda a encontrar el polinomio mínimo de una matriz: calculamos el polinomio característico y de ahí intentamos varios de sus divisores polinomiales para ver cuál de ellos es el de grado menor y que anule a la matriz. Algunas consideraciones prácticas son las siguientes:

  • Si el polinomio característico se factoriza totalmente sobre el campo y conocemos los eigenvalores, entonces conocemos todos los factores lineales. Basta hacer las combinaciones posibles de factores lineales para encontrar el polinomio característico (considerando posibles multiplicidades).
  • Además, para cada eigenvalor $\lambda$ ya vimos que $\lambda$ debe ser raíz no sólo del polinomio característico, sino también del polinomio mínimo. Así, debe aparecer un factor $x-\lambda$ en el polinomio mínimo para cada eigenvalor $\lambda$.

Ejemplo 1. Encontramos el polinomio mínimo de la siguiente matriz:

$$B=\begin{pmatrix} 2 & 0 & 4 \\ 3 & -1 & -1 \\0 & 0 & 2 \end{pmatrix}.$$

Una cuenta estándar muestra que el polinomio característico es $(x-2)^2(x+1)$. El polinomio mínimo debe ser mónico, dividir al polinomio característico y debe contener forzosamente a un factor $(x-2)$ y un factor $(x+1)$. Sólo hay dos polinomios con esas condiciones: $(x-2)(x+1)$ y $(x-2)^2(x+1)$. Si $(x-2)(x+1)$ anula a $B$, entonces es el polinomio mínimo. Si no, es el otro. Haciendo las cuentas:

\begin{align*}
(B-2I_3)(B+I_3)&=\begin{pmatrix}0 & 0 & 4 \\ 3 & -3 & -1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 3 & 0 & 4 \\ 3 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}\\
&=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 12 \\ 0 & 0 & 12 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}.
\end{align*}

Así, $(x-2)(x+1)$ no anula a la matriz y por lo tanto el polinomio mínimo es justo el polinomio característico $(x-2)^2(x+1)$.

$\triangle$

Ejemplo 2. Consideremos la matriz $C=\begin{pmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}$. Su polinomio característico es $(x-3)^3$. Así, su polinomio mínimo es $x-3$, $(x-3)^2$ ó $(x-3)^3$. Nos damos cuenta rápidamente que $x-3$ sí anula a la matriz pues $A-3I_3=O_3$. De este modo, el polinomio mínimo es $x-3$.

$\triangle$

Clasificación de matrices con alguna condición algebraica

Si sabemos que una matriz cumple una cierta condición algebraica, entonces el teorema de Cayley-Hamilton puede ayudarnos a entender cómo debe ser esa matriz, es decir, a caracterizar a todas las matrices que cumplan la condición.

Por ejemplo, ¿quienes son todas las matrices en $M_n(\mathbb{R})$ que son su propia inversa? La condición algebraica es $A^2=I_2$. Si el polinomio característico de $A$ es $x^2+bx+c$, entonces por el teorema de Cayley-Hamilton y la hipótesis tenemos que $O_2=A^2+bA+cI_2=bA+(c+1)I_2$. De aquí tenemos un par de casos:

  • Si $b\neq 0$, podemos despejar a $A$ como $A=-\frac{c+1}{b}I_2$, es decir $A$ debe ser un múltiplo de la identidad. Simplificando la notación, $A=xI_2$. Así, la condición $A^2=I_2$ se convierte en $x^2I_2=I_2$, de donde $x^2=1$ y por lo tanto $x=\pm 1$. Esto nos da las soluciones $A=I_2$ y $A=-I_2$.
  • Si $b=0$, entonces $O_2=(c+1)I_2$, de donde $c=-1$. De este modo, el polinomio característico es $x^2-1=(x+1)(x-1)$. Se puede demostrar que aquí las soluciones son las matices semejantes a la matriz $\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}$, y sólo esas.

Más adelante…

El teorema de Cayley-Hamilton es un resultado fundamental en álgebra lineal. Vimos dos demostraciones, pero existen varias más. Discutimos brevemente algunas de sus aplicaciones, pero tiene otras tantas. De hecho, más adelante en el curso lo retomaremos para aplicarlo nuevamente.

Por ahora cambiaremos ligeramente de tema. De manera muy general, veremos cómo llevar matrices a otras matrices que sean más simples. En las siguientes entradas haremos esto mediante similaridades de matrices. Más adelante haremos esto mediante congruencias de matrices. Hacia la tercer unidad del curso encontraremos un resultado aún más restrictivo, en el que veremos que cualquier matriz simétrica real puede ser llevada a una matriz diagonal mediante una matriz que simultáneamente da una similaridad y una congruencia.

Tarea moral

  1. Encuentra el polinomio mínimo de la matriz $\begin{pmatrix}-3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -3 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 2\end{pmatrix}$.
  2. Encuentra la inversa de la siguiente matriz usando las técnica usada en esta entrada: $$\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & -1 & 2\\ 2 & 2 & 1 \end{pmatrix}.$$
  3. Demuestra el corolario de matrices con entradas enteras. De hecho, muestra que es un si y sólo si: una matriz invertibles con entradas enteras cumple que su inversa tiene únicamente entradas enteras si y sólo si su determinante es $1$ ó $-1$.
  4. ¿Cómo son todas las matrices en $M_2(\mathbb{R})$ tales que $A^2=A$?
  5. ¿Cómo son todas las matrices en $M_3(\mathbb{R})$ de determinante $0$ tales que $A^3=O_3$?

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Lineal II: Demostración del teorema de Cayley-Hamilton

Por Julio Sampietro

5 respuestas

Introducción

En esta entrada demostraremos el teorema de Cayley-Hamilton. Daremos dos demostraciones de sabores muy diferentes. La primera demostración explota las propiedades de la matriz adjunta, mientras que la segunda echa mano de las familias especiales de las cuales calculamos el polinomio característico.

Primera demostración

La primera demostración del teorema de Cayley-Hamilton usa algunas propiedades de la matriz adjunta. Recordamos el teorema y lo demostramos a continuación:

Teorema. (Cayley-Hamilton)

Para cualquier matriz $A\in M_n(F)$ se cumple que

\begin{align*}
\chi_A(A)=O_n.
\end{align*}

Demostración. Sea $A\in M_n(F)$ y sea $B=XI_n-A\in M_n(K)$ dónde $K=F(X)$ es el campo de fracciones racionales en la variable $X$. Es decir, un elemento de $K$ es un cociente de la forma

\begin{align*}
\frac{A(X)}{B(X)}, \hspace{2mm} A(X),B(X)\in F[X]
\end{align*}

con $B$ no idénticamente cero.

Sea $C$ la matriz adjunta de $B$, es decir $C=\operatorname{adj}(B)$. Sus entradas son (por definición) los determinantes de las matrices de tamaño $(n-1)$ cuyas entradas son a su vez polinomios de grado a lo más $1$. Es decir cada entrada de $C$ es un polinomio de grado a lo más $n-1$. Luego, sea

\begin{align*}
c_{ij}= c_{ij}^{(0)}+c_{ij}^{(1)}X+\dots+c_{ij}^{(n-1)} X^{n-1}
\end{align*}

la $(i,j)$-ésima entrada de $C$, con $c_{ij}^{(0)},\dots, c_{ij}^{(n-1)}\in F$. Sea $C^{(k)}$ la matriz cuyas entradas son $c_{ij}^{(k)}$. Entonces

\begin{align*}
C=C^{(0)}+C^{(1)}X+\dots+ C^{(n-1)}X^{n-1}.
\end{align*}

Ahora, recuerda que

\begin{align*}
B\cdot C=B \cdot \operatorname{adj}(B)=\det(B)\cdot I_n=\chi_A(X)\cdot I_n.
\end{align*}

Es decir

\begin{align*}
(X I_n-A)\cdot \left(C^{(0)}+C^{(1)}X+\dots+C^{(n-1)}X^{n-1}\right)=\chi_A(X)\cdot I_n.
\end{align*}

Por otro lado, si escribimos a $\chi_A(X)$ como $\chi_A(X)=X^{n}+u_{n-1}X^{n-1}+\dots + u_0\in F[X]$, la igualdad anterior se convierte en

\begin{align*}
&-AC^{(0)}+(C^{(0)}-AC^{(1)})X+ (C^{(1)}-AC^{(2)})X^2+\dots + (C^{(n-2)}-AC^{(n-1)})X^{n-1}\\ &+C^{(n-1)}X^{n}= u_0 I_n+\dots + u_{n-1}I_nX^{n-1}+I_nX^{n}.
\end{align*}

Identificando los términos de cada coeficiente llegamos a

$$\left\{\begin{matrix}
-AC^{(0)}&= u_0 I_n,\\ C^{(0)}-AC^{(1)}&= u_1 I_n,\\ \vdots & \\ C^{(n-2)}-AC^{(n-1)}&=u_{n-1}I_n,\\ C^{(n-1)}&=I_n.
\end{matrix}\right.$$

Comenzando con la última igualdad, tenemos que $C^{(n-1)}=I_n$. Sustituyendo en la anterior llegamos a que $C^{(n-2)}=A+u_{n-1}I_n$, e inductivamente se cumple que

\begin{align*}
C^{(n-j-1)}=A^{j}+u_{n-1}A^{j-1}+\dots+u_1 I_n.
\end{align*}

En particular

\begin{align*}
C^{(0)}=A^{n-1}+u_{n-1}A^{n-2}+\dots+u_1 I_n.
\end{align*}

Multiplicando ambos lados por $A$ y usando que $-AC^{(0)}=u_0 I_n$ finalmente llegamos a

\begin{align*}
A^{n}+u_{n-1}A^{n-1}+\dots+ u_0 I_n=O_n.
\end{align*}

Pero esta igualdad no es nada más que $\chi_A(A)=O_n$, lo que concluye la prueba.

$\square$

Segunda demostración

Para la segunda demostración enunciaremos el teorema de una manera distinta pero equivalente (¿por qué?). Usaremos una estrategia fundada en el cálculo de polinomios característicos de familias conocidas de una entrada previa.

Teorema. (Cayley-Hamilton)

Sea $V$ un espacio vectorial de dimensión finita sobre $F$ y sea $T:V\to V$ una transformación lineal. Entonces $\chi_T(T)=0$.

Demostración. La idea es reducir el problema a transformaciones lineales para las que podemos calcular $\chi_T$ fácilmente. Sin embargo, los detalles son un poco complicados.

Fijemos $x\in V$. Para $m\geq 0$ fijamos

\begin{align*}
W_m=\operatorname{Span}(T^0(x), T^1(x), \dots, T^{m}(x)).
\end{align*}

Nota como $W_0\subset W_1\subset \dots \subset V$ y que $\dim W_m\leq \dim W_{m+1}\leq \dim V$ para todo $m\geq 0$. Entonces debe existir algún $m$ mínimo tal que $\dim W_{m-1}=\dim W_m$. Entonces como $W_{m-1}\subset W_{m}$ se tiene que $W_{m-1}=W_{m}$. Luego $T^{m}(x)\in W_{m-1}$, es decir existe una combinación lineal

\begin{align*}
T^{m}(x)=\sum_{k=0}^{m-1} a_k T^{k}(x).
\end{align*}

Nota que esto implica que $W_{m-1}$ es estable bajo $T$. Como $m$ es mínimo, los vectores $T^{0}(x),\dots, T^{m-1}(x)$ deben ser linealmente independientes: en efecto, si no lo fueran existiría una relación de dependencia entre $T^{m-1}(x)$ y términos de grado menor y así $\dim W_{m-1}=\dim W_{m-2}$ y entonces $m$ no sería mínimo. Por lo tanto forman una base para $W_{m-1}$ y respecto a esta base la matriz asociada a $T\vert_{W_{m-1}}$ es

\begin{align*}
A=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 &\dots & 0 & a_0\\ 1 & 0 & 0 & \dots & 0 & a_1\\ 0 & 1 & 0 & \dots & 0 & a_2\\ \vdots & \vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\vdots\\ 0 & 0 & 0 & \dots & 1 & a_{m-1}\end{pmatrix}.
\end{align*}

El polinomio característico de matrices como esta lo calculamos en esta entrada y es igual a $X^{m}-a_{m-1}X^{m-1}-\dots -a_0$. Entonces

\begin{align*}
\chi_{T\vert_{W_{m-1}}}(T)(x)= T^{m}(x)-\sum_{k=0}^{m-1}a_k T^{k}(x)=0.
\end{align*}

Pero como $W_{m-1}$ es $T-$estable, el polinomio característico de $T\vert_{W_{m-1}}$ divide al polinomio característico de $T$ (este es un ejercicio en la tarea moral de esta entrada) y por tanto $\chi_T(T)(x)=0$. Como $x$ fue arbitrario concluimos que $\chi_T(T)$ es la transformación cero.

$\square$

Más adelante…

En la próxima entrada veremos aplicaciones del teorema de Cayley-Hamilton.

Tarea moral

  1. Supón que $T:V\to V$ es una transformación lineal y $V$ es de dimensión finita. Demuestra que si $W$ es un subespacio $T$-estable de $V$ entonces $\chi_{T\vert_{W}}(X)$ divide a $\chi_{T}(X)$. Sugerencia. Considera una base de $W$, extiéndela a una base de $V$. ¿Cómo se ve la matriz asociada a $T$ en esta base?
  2. Explica por qué las dos versiones que dimos del teorema de Cayley-Hamilton son equivalentes.
  3. Demuestra la propiedad de la matriz adjunta que se menciona en la primera demostración.
  4. Sean $A,B,C\in M_2(\mathbb{C})$ matrices tales que $AC=CB$ y $C\neq O_n$. Demuestra que para cualquier polinomio $P$ se cumple que $P(A)C=CP(B)$. Usando esto y escogiendo un polinomio adecuado, deduce que $A$ y $B$ tienen un eigenvalor en común. Sugerencia: Usa el teorema de Cayley-Hamilton.
  5. Sea la matriz
    \begin{align*}
    A=\begin{pmatrix}
    0 & 2 & 0\\
    1 & 1 & -1\\
    -1 & 1& 1
    \end{pmatrix}.
    \end{align*}
    Usa el teorema de Cayley-Hamilton para calcular $A^{1000}$. Sugerencia: El teorema de Cayley-Hamilton te debería dar una relación entre algunas potencias de $A$.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Lineal II: Introducción al teorema de Cayley-Hamilton

Por Julio Sampietro

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Introducción

En esta entrada introducimos el teorema de Cayley-Hamilton, otro de los teoremas importantes del curso. Intuitivamente este teorema nos dice que «el polinomio característico anula al operador lineal». Es decir, si $P(\lambda)$ es el polinomio característico de una transformación lineal $T$, entonces $P(T)=0$.

Algunos ejemplos

Damos unos cuantos ejemplos para que entendamos que está pasando.

Ejemplo 1. Sea $A\in M_2(\mathbb{R})$ la matriz dada por

\begin{align*}
A=\begin{pmatrix} 0 & -1\\ 1 & 0
\end{pmatrix}.
\end{align*}

Calculemos su polinomio característico

\begin{align*}
\chi_A(X)=\det \begin{pmatrix} X & 1\\ -1 & X\end{pmatrix}=X^2+1.
\end{align*}

Así, si evaluamos al polinomio $\chi_A$ en la matriz $A$ tenemos que calcular

\begin{align*}
\chi_A(A)= A^2+I_2.
\end{align*}

Por un lado

\begin{align*}
A^2=\begin{pmatrix} 0 & 1\\ -1 & 0\end{pmatrix}\cdot \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix} -1 &0 \\ 0 & -1\end{pmatrix}=-I_2.
\end{align*}

Luego

\begin{align*}
\chi_A(A)=A^2+I_2= -I_2+I_2=O_2.
\end{align*}

Es decir, ¡$\chi_A(A)$ es la matriz cero!

$\triangle$

Ejemplo 2. Calculemos el polinomio característico de la matriz $A\in M_3(\mathbb{R})$ dónde $A$ está dada por

\begin{align*}
A=\begin{pmatrix}
0 & -1 & -2\\ 0 & 3 &4\\ 0 & 0 & -5.
\end{pmatrix}
\end{align*}

Notamos que $A$ es una matriz triangular superior. Por una entrada anterior sabemos que el polinomio característico es solo el producto de los monomios $(X-a_{ii})$. Es decir

\begin{align*}
\chi_A(X)=(X-0)(X-3)(X-(-5))= X(X-3)(X+5).
\end{align*}

Enseguida, evaluemos $\chi_A(A)$. Recordamos que esto quiere decir que tenemos que calcular

\begin{align*}
\chi_A(A)=A(A-3I_3)(A+5I_3).
\end{align*}

Por un lado

\begin{align*}
A-3I_3=\begin{pmatrix}
-3 & -1 & -2\\ 0 & 0 & 4\\ 0 & 0 & -8
\end{pmatrix},
\end{align*}

y por otro

\begin{align*}
A+5I_3=\begin{pmatrix}
5 & -1 & -2\\ 0 & 8 & 4\\ 0 & 0 &0
\end{pmatrix}.
\end{align*}

Así

\begin{align*}
(A-3I_3)(A+5I_3)&=\begin{pmatrix}
-3 & -1 & -2\\ 0 & 0 & 4\\ 0 & 0 & -8
\end{pmatrix}\cdot \begin{pmatrix}
5 & -1 & -2\\ 0 & 8 & 4\\ 0 & 0 &0
\end{pmatrix}\\ &=\begin{pmatrix} -15 & -5 & -2\\ 0 &0 &0 \\ 0 & 0 &0\end{pmatrix}.
\end{align*}

Finalmente

\begin{align*}
A(A-I_3)(A+5I_3)=\begin{pmatrix}
0 & -1 & -2\\ 0 & 3 &4\\ 0 & 0 & -5.
\end{pmatrix}\cdot \begin{pmatrix} -15 & -5 & -2\\ 0 &0 &0 \\ 0 & 0 &0\end{pmatrix}=O_3.
\end{align*}

Una vez más $\chi_A(A)=0$.

$\triangle$

El teorema

Los ejemplos anteriores sirven de calentamiento para enunciar el teorema de Cayley-Hamilton, que dice exactamente lo que sospechamos.

Teorema (de Cayley-Hamilton). Para cualquier matriz $A\in M_n(F)$ se cumple

\begin{align*}
\chi_A(A)=O_n.
\end{align*}

En otras palabras, si $\chi_A(X)=X^n+a_{n-1}X^{n-1}+\dots+a_0$ entonces

\begin{align*}
A^{n}+a_{n-1}A^{n-1}+\dots+a_0 I_n=O_n.
\end{align*}

Demostraremos este teorema en la próxima entrada. Uno podría sospechar que la demostración consiste en simplemente sustituir $A$ en la expresión de $\chi_A$ como sigue

\begin{align*}
\chi_A(A)= \det(AI_n-A)=\det(0)=0.
\end{align*}

Sin embargo, esta ‘prueba’ no es correcta, ya que estamos multiplicando a $A$ con $I_n$ como si fueran matrices, mientras que la expresión de $\chi_A$ se refiere a escalares. Más aún, observa como el resultado de la expresión que anotamos es el escalar cero, mientras que sabemos que $\chi_A(A)$ debería ser la matriz cero.

Concluimos esta sección con una breve aplicación del teorema de Cayley-Hamilton.

Proposición. El polinomio mínimo de una matriz $A\in M_n(F)$ divide al polinomio característico.

Demostración. Por el teorema de Cayley-Hamilton, $\chi_A(A)=0$. Luego por definición del polinomio mínimo se sigue que $\mu_A(X)$ divide a $\chi_A(X)$.

$\square$

Más adelante…

En la próxima entrada demostraremos el teorema de Cayley-Hamilton, y luego pasaremos a dar aplicaciones de este.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso. Sin embargo, sirven de ayuda para repasar los conceptos vistos en esta entrada.

  1. En una entrada anterior calculamos el polinomio característico de una matriz nilpotente. Explica por qué el teorema de Cayley-Hamilton es compatible con dicho cálculo. De otra manera, verifica el teorema de Cayley-Hamilton en ese caso particular.
  2. Sea $A\in M_3(\mathbb{R})$ tal que $\operatorname{Tr}(A)=\operatorname{Tr}(A^2)=0$. Usa el teorema de Cayley-Hamilton para demostrar que existe un $\alpha\in \mathbb{R}$ tal que $A^3=\alpha I_3$.
  3. Calcula el polinomio característico de $A\in M_2(\mathbb{C})$ donde
    \begin{align*}
    A=\begin{pmatrix} 0 & -1\\ 1 & 0\end{pmatrix}.
    \end{align*}
    Es decir, $A$ es la misma matriz que en el ejemplo pero pensada como una matriz compleja. Verifica que $\chi_A(A)=O_2$.
  4. Verifica que $\chi_A(A)=O_3$ con
    \begin{align*}
    A= \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1\\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 2 & 1\end{pmatrix}\in M_3(\mathbb{R}).
    \end{align*}
  5. Sea $A\in M_n(\mathbb{R})$ una matriz tal que $A$ y $3A$ son similares. Demuestra que $A^n=O_n$.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Seminario de Resolución de Problemas: Polinomios asociados a matrices y el teorema de Cayley-Hamilton

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

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Introducción

Para terminar esta serie de entradas de álgebra lineal, y con ello el curso de resolución de problemas, hablaremos de polinomios especiales asociados a una matriz: el polinomio mínimo y el polinomio característico. Después, hablaremos del teorema de Cayley-Hamilton, que a grandes rasgos dice que una matriz se anula en su polinomio característico.

Estos resultados forman parte fundamental de la teoría que se aprende en un curso de álgebra lineal. En resolución de problemas, ayudan mucho para entender a los eigenvalores de una matriz, y expresiones polinomiales de matrices.

Polinomio mínimo de una matriz

Podemos evaluar un polinomio en una matriz cuadrada de acuerdo a la siguiente definición.

Definición. Si $A$ es una matriz de $n\times n$ con entradas reales y $p(x)$ es un polinomio en $\mathbb{R}[x]$ de la forma $$p(x)=a_0+a_1x+a_2x^2+\ldots+a_nx^n,$$ definimos a la matriz $p(A)$ como la matriz $$a_0I_n+a_1A+a_2A^2+\ldots+a_nA^n.$$

De manera análoga se puede dar una definición cuando las entradas de la matriz, o los coeficientes del polinomio, son números complejos.

Cuando una matriz está diagonalizada, digamos $A=P^{-1}DP$ con $P$ invertible y $D$ diagonal, entonces evaluar polinomios en $A$ es sencillo. Se tiene que $p(A)=P^{-1} p(D) P$, y si las entradas en la diagonal principal de $D$ son $d_1,\ldots,d_n$, entonces $p(D)$ es diagonal con entradas en la diagonal principal iguales a $p(d_1),\ldots,p(d_n)$.

Dada una matriz $A$, habrá algunos polinomios $p(x)$ en $\mathbb{R}[x]$ para los cuales $p(A)=0$. Si $p(x)$ es uno de estos, entonces cualquier eigenvalor de $A$ debe ser raíz de $p(x)$. Veamos un problema de la International Mathematics Competition de 2011 que usa esto. Es el Problema 2 del día 1.

Problema. Determina si existe una matriz $A$ de $3\times 3$ con entradas reales tal que su traza es cero y $A^2+ {^tA} = I_3$.

Sugerencia pre-solución. Busca un polinomio $p(x)$ tal que $p(A)=0$.

Solución. La respuesta es que no existe dicha matriz. Procedamos por contradicción. Si existiera, podríamos transponer la identidad dada para obtener que
\begin{align*}
A&=I _3- {^t(A^2)}\\
&=I_3-({^tA})^2\\
&=I_3-(I_3 – A^2)^2\\
&=2A^2 – A^4.
\end{align*}

De aquí, tendríamos que $A^4-2A^2+A = 0$, de modo que cualquier eigenvalor de $A$ debe ser una raíz del polinomio $$p(x)=x^4-2x^2+x=x(x-1)(x^2+x-1),$$

es decir, debe ser alguno de los números $$0,1,\frac{-1+\sqrt{5}}{2}, \frac{-1-\sqrt{5}}{2}.$$

Los eigenvalores de $A^2$ son los cuadrados de los eigenvalores de $A$, así que son algunos de los números $$0,1,\frac{3+\sqrt{5}}{2}, \frac{3-\sqrt{5}}{2}.$$

Como la traza de $A$ es $0$, la suma de sus tres eigenvalores (con multiplicidades), debe ser $0$. Como la traza de $A^2$ es la de $I_3-{ ^tA}$, que es $3$, entonces la suma de los eigenvalores de $A$ al cuadrado (con multiplicidades), debe ser $0$. Un sencillo análisis de casos muestra que esto no es posible.

$\square$

De entre los polinomios que se anulan en $A$, hay uno especial. El polinomio mínimo de una matriz $A$ con entradas reales es el polinomio mónico $\mu_A(x)$ de menor grado tal que $\mu_A(A)=O_n$, donde $O_n$ es la matriz de $n\times n$ con puros ceros. Este polinomio siempre es de grado menor o igual a $n$.

Una propiedad fundamental del polinomio mínimo de una matriz es que es mínimo no sólo en un sentido de grado, sino también de divisibilidad.

Teorema. Sea $A$ una matriz de $n\times n$ con entradas reales. Entonces para cualquier polinomio $p(x)$ en $\mathbb{R}[x]$ tal que $p(A)=O_n$, se tiene que $\mu_A(x)$ divide a $p(x)$ en $\mathbb{R}[x]$.

Veamos cómo se puede usar este resultado.

Problema. La matriz $A$ de $2\times 2$ con entradas reales cumple que $$A^3-A^2+A=O_2.$$ Determina los posibles valores que puede tener $A^2-A$.

Sugerencia pre-solución. Encuentra las posibles opciones que puede tener el polinomio mínimo de $A$ y haz un análisis de casos con respecto a esto.

Solución. La matriz $A$ se anula en el polinomio $$p(x)=x^3-x^2+x=x(x^2-x+1),$$ en donde $x^2-x+1$ tiene discriminante negativo y por lo tanto es irreducible.

El polinomio mínimo $\mu_A(x)$ debe ser un divisor de $p(x)$. Además, es de grado a lo más $2$. Esto nos deja con las siguientes opciones:

  • $\mu_A(x)=x$, de donde $A=O_2$, y por lo tanto $A^2=O_2$. De aquí, $A^2-A=O_2$.
  • $\mu_A(x)=x^2-x+1$. En este caso, tenemos que $A^2-A+I_2=0$. Así, $A^2-A=-I_2$.

Para mostrar que ambas opciones son posibles, en el primer caso usamos $A=O_2$ y en el segundo caso usamos $$A=\begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}.$$

$\square$

Polinomio característico de una matriz

El polinomio característico de una matriz $A$ de $n\times n$ se define como $$\chi_A(x)=\det(xI_n – A).$$

Teorema. El polinomio característico de una matriz $A$ cumple que:

  • Es un polinomio mónico en $x$ de grado $n$.
  • El coeficiente del término de grado $n-1$ es la traza de $A$.
  • El coeficiente libre es $\chi_A(0)=(-1)^n\det(A)$.
  • Es igual al polinomio característico de cualquier matriz similar a $A$.

Para ver ejemplos de cómo obtener el polinomio característico y cómo usar sus propiedades, hacemos referencia a la siguiente entrada:

Propiedades del polinomio característico

En particular, para fines de este curso, es importante leer los ejemplos y problemas resueltos de esa entrada.

El teorema de Cayley-Hamilton y una demostración con densidad

Finalmente, hablaremos de uno de los resultados fundamentales en álgebra lineal.

Teorema (Cayley-Hamilton). Si $A$ es una matriz de $n\times n$ con entradas en $\mathbb{C}$ y $\chi_A(x)$ es su polinomio característico, entonces $$\chi_A(A)=O_n.$$

En realidad el teorema de Cayley-Hamilton es válido para matrices más generales. Daremos un esbozo de demostración sólo para matrices con entradas complejas pues eso nos permite introducir una técnica de perturbaciones.

Esbozo de demostración. Vamos a hacer la técnica de la bola de nieve, construyendo familias poco a poco más grandes de matrices que satisfacen el teorema.

Si $A$ es una matriz diagonal, las entradas en su diagonal son sus eigenvalores $\lambda_1,\ldots, \lambda_n$. Por la discusión al inicio de esta entrada, $\chi_A(A)$ es diagonal con entradas $\chi_A(\lambda_1),\ldots,\chi_A(\lambda_n)$, y como los eigenvalores son raíces del polinomio característico, entonces todos estos valores son $0$, y por lo tanto $\chi_A(A)=0$.

Si $A$ es diagonalizable, digamos, de la forma $A=P^{-1} D P$, entonces $A$ y $D$ tienen el mismo polinomio característico. Por la discusión al inicio de la entrada, y por el caso anterior:
\begin{align*}
\chi_A(A) &= \chi_D(A)\\
&= \chi_D(P^{-1} D P)\\
&=P^{-1}\chi_D(D) P\\
&=P^{-1}O_n P \\
&=O_n.
\end{align*}

Si $A$ tiene todos sus eigenvalores distintos, se puede mostrar que $A$ es diagonalizable. Ahora viene la idea clave del argumento de continuidad.

Pensemos al espacio métrico de matrices de $n\times n$. Afirmamos que las matrices con eigenvalores todos distintos son densas en este espacio métrico. Para ello, tomemos una matriz $A$. En efecto, como estamos trabajando en $\mathbb{C}$, existe una matriz invertible $P$ tal que $P^{-1}A P$ es triangular. Como $P$ es invertible, define una transformación continua. Los eigenvalores de $P^{-1} A P$ son sus entradas en la diagonal, y podemos perturbarlos tan poquito como queramos para hacer que todos sean distintos.

De esta forma, existe una sucesión de matrices $A_k$, todas ellas diagonalizables, tales que $A_k \to A$ conforme $k\to \infty$. El resultado se sigue entonces de las siguientes observaciones:

  • Los coeficientes del polinomio característico de una matriz dependen continuamente de sus entradas.
  • Las entradas de potencias de una matriz dependen continuamente de sus entradas.
  • Así, la función $\chi_{M}(M)$ es continua en la matriz variable $M$.

Concluimos como sigue $\chi_{A_k}(A_k)=0$, por ser cada una de las matrices $A_k$ diagonalizables. Por la continuidad de $\chi_{M}(M)$, tenemos que
\begin{align*}
\chi_A(A)&=\lim_{k\to \infty} \chi_{A_k}(A_k)\\
&= \lim_{k\to \infty} O_n \\
&= O_n.
\end{align*}

$\square$

Terminamos esta entrada con un problema que usa el teorema de Cayley-Hamilton.

Problema. Muestra que para cualesquiera matrices $X,Y,Z$ de $2\times 2$ con entradas reales se cumple que
\begin{align*}
&ZXYXY + ZYXYX + XYYXZ + YXXYZ\\
= &XYXYZ + YXYXZ + ZXYYX + ZYXXY.
\end{align*}

Sugerencia pre-solución. Muestra que las matrices reales de $2\times 2$ de traza cero conmutan con cualquier matriz de $2\times 2$.

Solución. Si $A$ es una matriz de $2\times 2$ de traza cero, su polinomio característico es
\begin{align*}
\chi_A(x)&=x^2 – \text{tr}(A) x + \det(A)\\
&=x^2 + \det(A).
\end{align*}

Por el teorema de Cayley-Hamilton, se satisface entonces que $A^2=-\det(A) I_2$, así que $A^2$ es un múltiplo de la identidad, y por lo tanto conmuta con cualquier matriz de $2\times 2$.

La identidad que queremos mostrar se puede reescribir como $$Z(XY-YX)^2 = (XY-YX)^2Z.$$

La traza de $XY$ es igual a la traza de $YX$, y como la traza es una transformación lineal, tenemos que $$\text{tr}(XY-YX)= \text{tr}(XY)-\text{tr}(YX)=0.$$ El problema se termina aplicando la discusión de arriba a la matriz $$A=XY-YX.$$

$\square$

Más problemas

Puedes encontrar más problemas relacionados con el polinomio mínimo, el polinomio característico y el teorema de Cayley-Hamilton en la Sección 8.2, 8.4 y 8.5 del libro Essential Linear Algebra de Titu Andreescu. También hay más problemas relacionados con el teorema de Cayley-Hamilton en el Capítulo 4 del libro Mathematical Bridges de Andreescu, Mortici y Tetiva.