极小多项式与特征多项式

极小多项式

取有限维空间上的一个算子 T,把它逐次喂进幂:T,再 T^2,再 T^3,依此类推。由于全体算子构成的空间本身是有限维的,这些幂不可能永远保持线性无关——终会有某个组合 c_0 I + c_1 T + ... + c_k T^k 等于零算子。极小多项式正是其中最简单的那条关系:使 m(T) = 0 成立的、次数最低的首一多项式 m(x)。

精确地说,m(x) 是满足 m(T) = 0 的、次数最小的唯一首一多项式。“首一”指最高次系数为 1,这样就钉死了唯一的代表(否则你可把任意零化多项式随意缩放)。它的关键性质是:m(x) 整除每一个满足 p(T) = 0 的多项式 p(x)。所以它不只是众多零化多项式中的一员——它是通过整除关系统御其余所有的那一个。

为何在意它?极小多项式是算子代数行为的完整指纹。它的根恰是特征值;这些根是否重复就告诉你 T 是否可对角化;它的次数限定了 T 能有多复杂。两个相似的算子拥有相同的极小多项式,因此它是无需选坐标即可读出的相似不变量。

一个值得记住的注意点:极小多项式的次数可以比特征多项式更小。对 n 维空间上的恒等算子 I,特征多项式是 (x-1)^n,但极小多项式仅为 x-1,因为 I - I = 0 早已成立。极小多项式丢弃了膨胀的重数,只留下算子真正需要的部分。

A = [2, 1; 0, 2]: char poly = (x-2)^2, min poly = (x-2)^2 B = [2, 0; 0, 2]: char poly = (x-2)^2, min poly = (x-2)

两个特征多项式相同的矩阵。A 是单个约当块(亏损的),故其极小多项式保留平方;B 本就是 2I,故其极小多项式降为一次。特征多项式看不出的差别,极小多项式看得见。

极小多项式整除特征多项式(凯莱-哈密顿定理的推论),且二者有相同的根集——但重数可以不同。在两者中,极小多项式是更温和、更精简的那份记录。

又称
min poly极小多项式 m_T(x)