不变子空间与三角化

不变补

给定一个不变子空间 W,普通的补是任何满足 V = W (+) U 的 U——它们只共有零,合起来张成全部。不变补是更苛刻的版本:U 自己也在 T 下不变。当 W 有不变补时,这一对 (W, U) 把 T 约化成两个独立的算子。

为什么要求补也不变?因为唯有如此,T 的矩阵才会变成分块对角,而不只是分块三角。用一个非不变的补,你仍得到上分块三角的形状,但 T 会通过非对角块从 U 漏进 W;不变的 U 把这漏洞封死,于是 T = T|W 与 T|U 拼合,中间一无所有。

存在性并非自动。经典的失败例子是剪切 [1, 1; 0, 1]:x 轴不变,却没有不变补——任何另一条不变直线都得是第二个特征方向,而这里只有一个。一个算子,若它的每个不变子空间都有不变补,恰是半单算子,这就是完全可约性的结构含义。

shear [1, 1; 0, 1]: span{[1;0]} invariant, but NO invariant complement

一个没有不变补的不变子空间——非半单(这里是纯约当)算子的标志。

对正规算子(以及自伴或酉算子),不变子空间的正交补总也是不变的——这正是谱定理给出干净的正交分块对角化的原因。

又称
complementary invariant subspacereducing pair不变补空间