极小多项式与特征多项式

多项式函数演算

函数演算是把算子喂进函数的艺术。多项式函数演算是最基础的版本:给定多项式 p 与算子 T,构造 p(T)。使它成为一种“演算”而非单纯代入的,是它表现得像真正的函数应用——函数之和给出算子之和,积给出积,常数给出 I 的标量倍。

底层的结构性事实是求值同态 p -> p(T)。因为它是环同态,多项式间的代数恒等式逐字转移到算子上。若作为多项式有 p(x) q(x) = r(x),则作为算子自动有 p(T) q(T) = r(T)。你可以在 F[x]——一个舒适的交换世界——里做代数,再把答案读作算子。

关键的约化原则:任何 p(T) 都已由 p 模极小多项式所决定。既然 m(T) = 0,两个模 m 相等的多项式产生同一个算子。所以 T 的多项式构成的代数其实是有限维代数 F[x]/(m),而每个 p(T) 都可被一个次数低于 deg(m) 的代表替换。这就是你把计算控制在有界范围内的方法。

回报既具体又出人意料。当 T 可逆时你可把 T^-1 写成 T 的多项式;那些你料想不到会是多项式的函数——某个选定的分支、一个谱投影——经由插值都成为 T 的多项式;而对自伴或正规算子,这套多项式演算扩展为处理 sqrt、exp 乃至更多的连续函数演算。多项式情形是这一切的种子。

p(T) q(T) = (pq)(T), (p + q)(T) = p(T) + q(T) p(T) depends only on p mod m_T dim F[T] = deg(m_T)

多项式函数演算把多项式恒等式变成算子恒等式,而极小多项式封顶了 T 的多项式代数能有多大。

代数 F[T] 的维数等于 deg(m),即极小多项式的次数——而非 n。所以即便是庞大的算子,其多项式代数也可能很小:对任意标量算子 cI,代数 F[T] 仅为标量,因为 m(x) = x - c 次数为 1。

又称
functional calculus (polynomial)多项式演算