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\usepackage[italian]{babel}
\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{6 marzo 2023}
\begin{document}
\maketitle
\begin{center}
\Large \textbf{Teorema degli orlati e calcolo del rango di una matrice}
\end{center}
\begin{note}
Nel corso di questo documento, per $A$ si intenderà una generica matrice appartenente all'anello
$M(m, n, \KK)$.
\end{note}
\begin{definition}
Dato un minore $M$ di $A$ di ordine $p$, si definiscono \textit{orlati di} $M$ i minori di $A$ di ordine
$p+1$ che contengono come blocco $M$.
\end{definition}
\begin{example}
Se $A = \Matrix{1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\ 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\ 11 & 12 & 13 & 14 & 15}$ e $M = \Matrix{1 & 2 \\ 6 & 7}$, allora gli orlati di $M$ sono le matrici:
\[ M_1 = \Matrix{1 & 2 & 3 \\ 6 & 7 & 8 \\ 11 & 12 & 13}, \quad M_2 = \Matrix{1 & 2 & 4 \\ 6 & 7 & 9 \\ 11 & 12 & 14}, \quad M_3 = \Matrix{1 & 2 & 5 \\ 6 & 7 & 10 \\ 11 & 12 & 15}. \]
\end{example}
\begin{theorem} (di Kronecker, o degli orlati)
La matrice $A$ ha rango $r \in \NN^+$ se e solo se $\exists$ un minore $M$ di $A$ di taglia $r$ $\mid \det(M) \neq 0$, $\det(N) = 0$ $\forall$
orlato $N$ di $M$.
\end{theorem}
\begin{proof} Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\
\rightproof Poiché $r = \min\{ k \in \NN \mid \det(N) = 0 \, \forall \text{minore } N \text{ di taglia } k+1 \}$ e $r>0$, in
particolare è vero che esiste un minore $M$ di $A$ di taglia $r$ tale che $\det(M) \neq 0$ e che ogni orlato $N$
di $M$, essendone chiaramente anche minore, è tale che $\det(N) = 0$. \\
\leftproof Senza perdità di generalità, supponiamo che $M = A^{1, ..., k}_{1, ..., k}$ (altrimenti è sufficiente
considerare una permutazione delle colonne e delle righe di $A$ per ricadere nel caso studiato in questa dimostrazione). Dal momento che $A^1$, ..., $A^k$ sono per ipotesi colonne linearmente indipendenti (infatti
$\det(M) \neq 0 \implies \rg(A^1 \cdots A^k) = k$), per dimostrare che $\rg(A) = r$ è sufficiente mostrare che
$\forall j > k$, $A^j \in \Span(A^1, ..., A^k)$. \\
Si consideri allora la matrice $B = A^{1, ..., k, j}_{1, ..., m}$. Sia $i > k$ e $N_i = A^{1, ..., k, j}_{1, ..., k, i}$. Poiché $N_i$ è un orlato di $M$, $\det(N_i) = 0$, e quindi $\rg(N_i) < k+1$. Tuttavia, poiché le righe $N_{i_1} = B_1$, ..., $N_{i_k} = B_k$ sono linearmente
indipendenti (sono infatti righe di $M$ a cui è stata aggiunta una colonna), $\rg(N_i) \geq k$. Si conclude
allora che $\rg(N_i) = k$, e che, essendo le righe $N_{i_1}$, ..., $N_{i_k}$ linearmente indipendenti,
$N_{i_j} \in \Span(N_{i_1}, ..., N_{i_k}) = \Span(B_1, ..., B_k)$. Allora ogni $B_i \in \Span(B_1, ..., B_k)$,
e quindi $\rg(B) \leq k$. Dal momento però che, come osservato prima, $B_1$, ..., $B_k$ sono linearmente
indipendenti, si conclude che $\rg(B) = k$. Infine, poiché $B^1 = A^1$, ..., $B^k = A^k$ sono linearmente
indipendenti, deve valere che $B^{k+1} = A^j \in \Span(B^1, ..., B^k) = \Span(A^1, ..., A^k)$, da cui la tesi.
\end{proof}
\begin{example}
Si può impiegare il teorema degli orlati per calcolare agevolmente il rango di una matrice senza impiegare
il metodo di eliminazione di Gauss. Sia per esempio:
\[ A = \Matrix{1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9}. \]
Poiché $B_1 = (A_{11}) = (1) \neq (0)$, $\rg(A) \geq 1$. Si consideri l'orlato $B_2 = \Matrix{1 & 2 \\ 4 & 5}$ di $B_1$:
$\det(B_2) = 1\cdot 5 - 4 \cdot 2 = -3 \neq 0$: allora $\rg(A) \geq 2$. Infine, si consideri l'orlato $B_3 = A$ di
$B_2$: poiché $\det(B_3) = \det(A) = 1\cdot \det\Matrix{5 & 6 \\ 8 & 9} - 2 \cdot \det\Matrix{4 & 6 \\ 7 & 9} + 3 \cdot \det\Matrix{4 & 5 \\ 7 & 8} = 0$ e $B_3$ è l'unico orlato di $B_2$, si conclude che $\rg(A) = 2$.
\end{example}
\end{document}
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# [Geometria 1](https://esami.unipi.it/programma.php?c=53668&aa=2022&cid=9&did=20)
- [Programma del corso 📘](https://esami.unipi.it/programma.php?c=53668&aa=2022&cid=9&did=20)
- [Registro del corso 📑](https://unimap.unipi.it/registri/dettregistriNEW.php?re=7084691::::&ri=9631)
- [Sito web 🔗](http://people.dm.unipi.it/salvetti/GeometriaI_Matematica/indice1.html)
Il corso di Geometria 1 non è ancora terminato, e per questo motivo questa cartella vedrà ancora aggiornamenti. Gli appunti non sono stati presi con gli stessi strumenti sin dall'inizio: in particolar modo,
ho alternato prima [Microsoft OneNote](https://www.onenote.com/) a [Microsoft Journal](https://apps.microsoft.com/store/detail/microsoft-journal/9N318R854RHH?hl=it-it&gl=it), per poi passare definitivamente a prenderli in LaTeX con [TeXstudio](https://www.texstudio.org/).
La cartella contiene in particolar modo una *Scheda riassuntiva*, che, come dice il nome, vorrebbe essere un recap di
tutti i risultati principali dell'algebra lineare.
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\documentclass[11pt]{article}
\usepackage{personal_commands}
\usepackage[italian]{babel}
\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{\today}
\begin{document}
\maketitle
\begin{center}
\Large \textbf{Esercitazione: algoritmi per la ricerca del polinomio minimo}
\end{center}
\begin{definition} Dato $f \in \End(V)$, si definisce
come $\val_{f, \vec{v}}$ l'applicazione
lineare da $\KK[x]$ in $V$ tale che
$\val_{f, \vec{v}}(p) = p(f)(\vec{v})$.
\end{definition}
\begin{remark} Vi sono varie proprietà
che legano $\Ker \val_{f, \vec{v}}$
a $\Ker \val_f$, ed in particolare
il generatore monico di $\Ker \val_{f, \vec{v}}$
$\varphi_{f, \vec{v}}$ a quello
$\varphi_{f}$ di $\Ker \val_f$, ossia al polinomio minimo di $f$. \\
\li $\varphi_{f, \vec{v}} \mid \varphi_{f}$, $\forall \vec{v} \in V$. \\
\li $\varphi_{f} = \mcm(\varphi_{f, \vec{v_1}}, ..., \varphi_{f, \vec{v_n}}).$, dove i $\vec{v_1}$, ...,
$\vec{v_n}$ formano una base di $V$. \\
\end{remark}
\begin{example} Sia $A = \begin{pmatrix}2 & 0 & 0 \\ 1 & -1 & 3 \\ 1 & 3 & -1 \end{pmatrix}$. Allora
si possono considerare le seguenti
catene: \\
\li $\vec{e_1} \mapsto 2\vec{e_1} + \vec{e_2} + \vec{e_3} \mapsto 2(2\vec{e_1} + \vec{e_2} + \vec{e_3}) + (-\vec{e_2} + 3\vec{e_3})
+ (3\vec{e_2} -\vec{e_3}) = 4\vec{e_1} + 4\vec{e_2} + 4\vec{e_3} = 4 A \vec{e_1} - 4 \vec{e_1}$.
Pertanto $A^2 \vec{e_1} - 4 A \vec{e_1} + 4 \vec{e_1} = \vec{0}$.
Essendo $A \vec{e_1}$ e $\vec{e_1}$ linearmente indipendenti, si conclude
che $\varphi_{A, \vec{e_1}}(x) = x^2 - 4x + 4 = (x-2)^2$. \\
\li $\vec{e_2} \mapsto -\vec{e_2} + 3\vec{e_3} \mapsto -(-\vec{e_2} + 3\vec{e_3}) + 3(3\vec{e_2} -\vec{e_3}) = 10\vec{e_2} - 6\vec{e_3} = -2(-\vec{e_2} + 3\vec{e_3}) + 8\vec{e_2}$.
Si conclude dunque che $\varphi_{A, \vec{e_2}}(x) = x^2+2x-8 = (x-2)(x+4)$. \\
\li $\vec{e_3} \mapsto 3\Vec{e_2}-\Vec{e_3} \mapsto 3(-\Vec{e_2} + 3\Vec{e_3}) - (3\Vec{e_2} - \Vec{e_3}) = -6\Vec{e_2} + 10\Vec{e_3} = -2(3\Vec{e_2} - \Vec{e_3}) + 8\Vec{e_3}$. Dunque
$\varphi_{A,\Vec{e_3}}(x) = x^2+2x-8 = \varphi_{A,\Vec{e_2}}(x)$. \\
Pertanto $\varphi_A(x) = \mcm(\varphi_{A,\Vec{e_1}}(x),\varphi_{A,\Vec{e_2}}(x),\varphi_{A,\Vec{e_3}}(x)) = (x-2)^2(x+4)$.
\end{example}
\begin{definition}
Si dice che un vettore $\Vec{v}$ è \textit{ciclico} su $f$ se il ciclo
$\Span(\vec{v}, f(\vec{v}), f^2(\Vec{v}), ...)$ coincide
con $V$.
\end{definition}
\begin{remark}
Riguardo all'esistenza di un vettore ciclico si possono
fare alcune osservazioni. \\
\li Se esiste un vettore $\vec{v}$ ciclico rispetto a $f$, i primi $n = \dim V$
vettori del suo ciclo devono essere linearmente indipendenti
(altrimenti non potrebbe generare $V$), e quindi $\varphi_{f,\Vec{v}}$ deve avere grado $n$. Allora
anche $\varphi_f$ deve avere grado $n$, ossia lo stesso
grado di $p_f$. Allora, dal momento che $\varphi_f \mid p_f$
e $\deg \varphi_f = \deg p_f$, deve valere necessariamente
$\varphi_f = \pm p_f$. \\
\li Dal momento che $\varphi_{f,\Vec{v}}$ è monico, ha lo stesso grado
di $\varphi_f$ e lo divide, deve anche valere che $\varphi_{f,\Vec{v}} = \varphi_f$. \\
\li Nella base ordinata $\basis$ costituita dai primi $n$ vettori del ciclo di $\Vec{v}$, la matrice associata di $f$ è della forma:
\[ M_{\basis}(f) = C_{\varphi_f} = \begin{pmatrix}
0 & 0 & \ldots & \ldots & 0 & -a_0 \\
1 & 0 & \ldots & \ldots & 0 & -a_1 \\
0 & 1 & \ddots & & \vdots & \vdots \\
\vdots & \vdots & & \ddots & 0 & -a_{n-2} \\
0 & 0 & 0 & \ldots & 1 & -a_{n-1}
\end{pmatrix}, \]
dove gli $a_i$ sono i coefficienti di $\varphi_f(x) = \varphi_{f,\Vec{v}} = x^n + a_{n-1}x^{n-1} + \ldots + a_1 x + a_0$.
Tale matrice è detta \textbf{matrice compagna} del polinomio $\varphi_f$.
\li Ogni polinomio $q \in \KK[x]$ è il polinomio caratteristico, a meno del segno, della propria matrice compagna. In particolare $p_{C_q}(\lambda) = (-1)^n q(\lambda)$, dove $n := \deg q$. Infatti, se $n = 0$, $C_q = (-a_0) \implies p_{C_q}(\lambda)
= -\lambda -a_0 = -(\lambda + a_0)$. Altrimenti, assumendo che la tesi sia vera per $i \leq n$, si osservi che:
\[ p_{C_q}(\lambda) = (-1)^n a_0 -\lambda p_{C_{q'}}(\lambda), \qquad q'(\lambda) = \frac{q(\lambda) - a_0}{\lambda}, \]
ossia, dacché $\deg q' = n - 1 < n \implies p_{C_{q'}}(\lambda) = (-1)^{n-1} q'(\lambda)$,
\[ p_{C_q}(\lambda) = (-1)^n a_0 - \lambda (-1)^{n-1} q'(\lambda) = (-1)^n a_0 - \lambda (-1)^{n-1} \frac{q(\lambda) - a_0}{\lambda} = q(\lambda). \]
\li Inoltre, osservando che $\basis = (\e1, C_q \e1 = \e2, C_q^2 \e1 = \e3, ..., C_q^{n-1} \e1 = \e n)$ è esattamente
la base canonica di $\KK^n$, essendo $\basis$ una base ciclica di $C_q$ su $\KK^n$ deve valere che $\varphi_{C_q}$
ha grado $n$, e quindi che $p_{C_q} = \pm \varphi_{C_q}$. Si conclude allora che $\varphi_{C_q} = q$.
\end{remark}
\begin{proposition}
Se $\KK$ è un campo infinito\footnote{In realtà la tesi è vera per qualsiasi campo, benché la dimostrazione che è stata fornita sia valida solo per campi infiniti.}, esiste sempre un vettore $\vec{v} \in V$ tale che $\varphi_{f, \vec{v}} = \varphi_f$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Si definisce il seguente insieme:
\[ S = \{ \varphi_{f, \vec{v}} \mid \vec{v} \in V \}. \]
\vskip 0.1in
Poiché $S$ è un sottoinsieme dei divisori di $\phi_f$, $S$ è finito.
In particolare $\exists v_1$, ..., $v_n$ tali che $S = \{ \varphi_{f, \vec{v_1}}, ..., \varphi_{f, \vec{v_n}} \}$. Dal momento
che ogni $\vec{v} \in V$ è associato
ad un unico polinomio caratteristico,
vale che $V = \bigcup_{i=1}^n \Ker \varphi_{f, \vec{v_i}}$. Tuttavia, se
tutti i $\Ker \varphi_{f, \vec{v_i}}$
fossero propri, questo sarebbe
impossibile, dal momento che uno spazio vettoriale fondato su un campo finito non può essere unione finita di sottospazi propri. Quindi $V = \Ker \varphi_{f, \vec{v_i}}$ per un $i$ tale che $1 \leq i \leq n$. Allora
$\varphi_f \mid \varphi_{f, \vec{v_i}}$, da cui si ricava
l'uguaglianza.
\end{proof}
\begin{theorem}
Lo spazio $V$ ammette un vettore ciclico su $f \in \End(V)$ se e
solo se $p_f = \pm \varphi_f$.
\end{theorem}
\begin{proof} Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\
($\implies$) Dall'osservazione precedente. \\
($\impliedby$) Dalla proposizione precedente esiste sicuramente
un vettore $\Vec{v}$ tale che $\varphi_{f,\Vec{v}} = \varphi_f$. Allora, essendo $\varphi_f = \pm p_f$, deve valere
che $p_f = \pm \varphi_{f, \Vec{v}}$, ossia che la minima
combinazione lineare linearmente dipendente di $\Vec{v}$, ..., $f^k(\Vec{v})$ si può ottenere coinvolgendo almeno $n+1$
termini (i.e.~con $k\geq n$). Allora i vettori
$\Vec{v}$, ...,
$f^{n-1}(\Vec{v})$ sono linearmente indipendenti, ed essendo
in totale $n$ formano una base di $V$. Pertanto $V = \Span(\Vec{v}, f(\Vec{v}), ...)$.
\end{proof}
\begin{example}
Riprendendo l'esempio di prima, $\varphi_A(x) = (x-2)^2(x+4)$. Poiché $\deg p_A = 3$, allora $\varphi_A(x) - p_A(x)$. Allora per il teorema appena dimostrato deve
necessariamente esistere un vettore ciclico di $\RR^3$ su
$A$. \\
In effetti, posto $\Vec{v} = \begin{pmatrix}
4 \\ -3 \\ 5
\end{pmatrix}$, si ottiene che $\Vec{v}$, $A\Vec{v}$ e
$A^2\Vec{v}$ sono linearmente indipendenti, e sono
dunque una base $\basis$ di $\RR^3$. In particolare, la
matrice associata su questa base è la seguente:
\[ M_\basis(A) = \begin{pmatrix}
0 & 0 & -16 \\
1 & 0 & 12 \\
0 & 1 & 0 \\
\end{pmatrix}, \]
\vskip 0.1in
proprio come ci aspettavamo che venisse da una delle osservazioni
iniziali, dal momento che $\varphi_A(x) = (x-2)^2(x+4) = x^3 - 12x + 16$.
\end{example}
\end{document}
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\documentclass[11pt]{article}
\usepackage{personal_commands}
\usepackage[italian]{babel}
\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{22 marzo 2023}
\begin{document}
\maketitle
\begin{center}
\Large \textbf{Forma canonica di Jordan reale e prodotto scalare}
\end{center}
%TODO: aggiungere la parte relativa alla forma canonica di Jordan reale
\begin{definition}
Un \textbf{prodotto scalare} su $V$ è una forma bilineare simmetrica $\varphi$ con argomenti in $V$.
\end{definition}
\begin{example}
Sia $\varphi : M(n, \KK)^2 \to \KK$ tale che $\varphi(A, B) = \tr(AB)$. \\
\li $\varphi(A + A', B) = \tr((A + A')B) = \tr(AB + A'B) = \tr(AB) + \tr(A'B) = \varphi(A, B) + \varphi(A', B)$ (linearità
nel primo argomento), \\
\li $\varphi(\alpha A, B) = \tr(\alpha A B) = \alpha \tr(AB) = \alpha \varphi(A, B)$ (omogeneità nel secondo argomento), \\
\li $\varphi(A, B) = \tr(AB) = \tr(BA) = \varphi(B, A)$ (simmetria), \\
\li poiché $\varphi$ è simmetrica, $\varphi$ è lineare e omogenea anche nel secondo argomento, e quindi è una
forma bilineare simmetrica, ossia un prodotto scalare su $M(n, \KK)$.
\end{example}
\begin{definition}
Si definisce prodotto scalare \textit{canonico} di $\KK^n$ la forma bilineare simmetrica $\varphi$ con
argomenti in $\KK^n$ tale che:
\[ \varphi((x_1, ..., x_n), (y_1, ..., y_n)) = \sum_{i=1}^n x_i y_i. \]
\end{definition}
\begin{remark}
Si può facilmente osservare che il prodotto scalare canonico di $\KK^n$ è effettivamente un prodotto
scalare. \\
\li $\varphi((x_1, ..., x_n) + (x_1', ..., x_n'), (y_1, ..., y_n)) = \sum_{i=1}^n (x_i + x_i') y_i =
\sum_{i=1}^n \left[x_iy_i + x_i' y_i\right] = \sum_{i=1}^n x_i y_i + \sum_{i=1}^n x_i' y_i =
\varphi((x_1, ..., x_n), (y_1, ..., y_n)) + \varphi((x_1', ..., x_n'), (y_1, ..., y_n))$ (linearità nel
primo argomento), \\
\li $\varphi(\alpha(x_1, ..., x_n), (y_1, ..., y_n)) = \sum_{i=1}^n \alpha x_i y_i = \alpha \sum_{i=1}^n x_i y_i =
\alpha \varphi((x_1, ..., x_n), (y_1, ..., y_n))$ (omogeneità nel primo argomento), \\
\li $\varphi((x_1, ..., x_n), (y_1, ..., y_n)) = \sum_{i=1}^n x_i y_i = \sum_{i=1}^n y_i x_i = \varphi((y_1, ..., y_n), (x_1, ..., x_n))$ (simmetria), \\
\li poiché $\varphi$ è simmetrica, $\varphi$ è lineare e omogenea anche nel secondo argomento, e quindi è una
forma bilineare simmetrica, ossia un prodotto scalare su $\KK^n$.
\end{remark}
\begin{example}
Altri esempi di prodotto scalare sono i seguenti: \\
\li $\varphi(A, B) = \tr(A^\top B)$ per $M(n, \KK)$, \\
\li $\varphi(p(x), q(x)) = p(a) q(a)$ per $\KK[x]$, con $a \in \KK$, \\
\li $\varphi(p(x), q(x)) = \sum_{i=1}^n p(x_i) q(x_i)$ per $\KK[x]$, con $x_1$, ..., $x_n$ distinti, \\
\li $\varphi(p(x), q(x)) = \int_a^b p(x)q(x) dx$ per lo spazio delle funzioni integrabili su $\RR$, con $a$, $b$ in $\RR$, \\
\li $\varphi(\vec{x}, \vec{y}) = \vec{x}^\top A \vec{y}$ per $\KK^n$, con $A \in M(n, \KK)$ simmetrica.
\end{example}
\begin{definition}
Sia\footnote{In realtà, la definizione è facilmente estendibile a qualsiasi campo, purché esso
sia ordinato.} $\KK = \RR$. Allora un prodotto scalare $\varphi$ è \textbf{definito positivo} se $\vec{v} \neq \vec{0} \implies
\varphi(\vec{v}, \vec{v}) > 0$.
\end{definition}
\begin{example}
Il prodotto scalare canonico di $\RR^n$ è definito positivo: infatti $\varphi((x_1, ..., x_n), (x_1, ..., x_n)) =
\sum_{i=1}^n x_i^2 = 0 \iff x_i = 0$, $\forall 1 \leq i \leq n$ $\iff (x_1, ..., x_n) = \vec{0}$. \\
Al contrario, il prodotto scalare $\varphi : \RR^2 \to \RR$ tale che $\varphi((x_1, x_2), (y_1, y_2)) = x_1 y_1 - x_2 y_2$ non è definito positivo: $\varphi((x, y), (x, y)) = 0$, $\forall$ $(x, y) \mid x^2 = y^2$, ossia se
$y = x$ o $y = -x$.
\end{example}
\begin{definition}
Dato un prodotto scalare $\varphi$ di $V$, ad ogni vettore $\vec{v} \in V$ si associa una \textbf{forma quadratica}
$q : V \to \KK$ tale che $q(\vec{v}) = \varphi(\vec{v}, \vec{v})$.
\end{definition}
\begin{remark}
Si osserva che $q$ non è lineare in generale: infatti $q(\vec{v} + \vec{w}) \neq q(\vec{v}) + q(\vec{w})$ in
$\RR^n$.
\end{remark}
\begin{definition}
Un vettore $\vec{v} \in V$ si dice \textbf{isotropo} rispetto al prodotto scalare $\varphi$ se $q(\vec{v}) =
\varphi(\vec{v}, \vec{v}) = 0$.
\end{definition}
\begin{example}
Rispetto al prodotto scalare $\varphi : \RR^3 \to \RR$ tale che $\varphi((x_1, x_2, x_3), (y_1, y_2, y_3)) =
x_1 y_1 + x_2 y_2 - x_3 y_3$, i vettori isotropi $(x, y, z)$ sono quelli tali che $x^2 + y^2 = z^2$, ossia
i vettori stanti sul cono di eq.~$x^2 + y^2 = z^2$.
\end{example}
\begin{remark}
Come già osservato in generale per le app.~multilineari, il prodotto scalare è univocamente determinato
dai valori che assume nelle coppie $\vv{i}, \vv{j}$ estraibili da una base $\basis$. Infatti, se
$\basis = (\vv1, ..., \vv{k})$, $\vec{v} = \sum_{i=1}^k \alpha_i \vv{i}$ e $\vec{w} = \sum_{i=1}^k \beta_i \vv{i}$,
allora:
\[ \varphi(\vec{v}, \vec{w}) = \sum_{1 \leq i \leq j \leq k} \alpha_i \beta_j \, \varphi(\vv{i}, \vv{j}). \]
\end{remark}
\begin{definition}
Sia $\varphi$ un prodotto scalare di $V$ e sia $\basis = (\vv1, ..., \vv{n})$ una base ordinata di $V$. Allora si denota con \textbf{matrice associata}
a $\varphi$ la matrice:
\[ M_\basis(\varphi) = (\varphi(\vv{i}, \vv{j}))_{i,\,j = 1\text{---}n} \in M(n, \KK). \]
\end{definition}
\begin{remark}
Si possono fare alcune osservazioni riguardo $M_\basis(\varphi)$. \\
\li $M_\basis(\varphi)$ è simmetrica, infatti $\varphi(\vv{i}, \vv{j}) = \varphi(\vv{j}, \vv{i})$ per
definizione di prodotto scalare, \\
\li $\varphi(\vec{v}, \vec{w}) = [\vec{v}]_\basis^\top M_\basis(\varphi) [\vec{w}]_\basis$.
\end{remark}
\begin{theorem} (di cambiamento di base per matrici di prodotti scalari) Siano $\basis$, $\basis'$ due
basi ordinate di $V$. Allora, se $\varphi$ è un prodotto scalare di $V$ e $P = M^{\basis'}_{\basis}(\Id_V)$, vale la seguente identità:
\[ \underbrace{M_{\basis'}(\varphi)}_{A'} = P^\top \underbrace{M_{\basis}}_{A} P. \]
\end{theorem}
\begin{proof} Siano $\basis = (\vv{1}, ..., \vv{n})$ e $\basis' = (\vec{w}_1, ..., \vec{w}_n)$. Allora
$A'_{ij} = \varphi(\vec{w}_i, \vec{w}_j) = [\vec{w}_i]_{\basis}^\top A [\vec{w}_j]_{\basis} =
(P^i)^\top A P^j = P_i^\top (AP)^j = (P^\top AP)_{ij}$, da cui la tesi.
\end{proof}
\begin{definition}
Si definisce \textbf{congruenza} la relazione di equivalenza $\sim$ definita nel seguente
modo su $A, B \in M(n, \KK)$:
\[ A \sim B \iff \exists P \in GL(n, \KK) \mid A = P^\top A P. \]
\end{definition}
\begin{remark}
Si può facilmente osserva che la congruenza è in effetti una relazione di equivalenza. \\
\li $A = I^\top A I \implies A \sim A$ (riflessione), \\
\li $A \sim B \implies A = P^\top B P \implies B = (P^\top)\inv A P\inv = (P\inv)^\top A P\inv \implies B \sim A$ (simmetria), \\
\li $A \sim B \implies A = P^\top B P$, $B \sim C \implies B = Q^\top C Q$, quindi $A = P^\top Q^\top C Q P =
(QP)^\top C (QP)$ (transitività).
\end{remark}
\begin{remark}
Si osservano alcune proprietà della congruenza. \\
\li Per il teorema di cambiamento di base del prodotto scalare, due matrici associate a uno stesso
prodotto scalare sono sempre congruenti (esattamente come due matrici associate a uno stesso
endomorfismo sono sempre simili).
\li Se $A$ e $B$ sono congruenti, $A = P^\top B P \implies \rg(A) = \rg(P^\top B P) = \rg(BP) = \rg(B)$,
dal momento che $P$ e $P^\top$ sono invertibili; quindi il rango è un invariante per congruenza. Allora
è ben definito il rango $\rg(\varphi)$ di un prodotto scalare come il rango di una sua qualsiasi matrice
associata.
\li Se $A$ e $B$ sono congruenti, $A = P^\top B P \implies \det(A) = \det(P^\top B P) = \det(P^\top) \det(B) \det(P)=
\det(P)^2 \det(B)$. Quindi, per $\KK = \RR$, il segno del determinante è invariante per congruenza.
\end{remark}
\begin{definition}
Si dice \textbf{radicale} di un prodotto scalare $\varphi$ lo spazio:
\[ V^\perp = \{ \vec{v} \in V \mid \varphi(\vec{v}, \vec{w}) = 0, \forall \vec{w} \in V \} \]
\end{definition}
\begin{remark}
Il radicale di $\RR^n$ con il prodotto scalare canonico ha dimensione nulla, dal momento che $\forall \vec{v} \in \RR^n \setminus \{\vec{0}\}$, $q(\vec{v}) = \varphi(\vec{v}, \vec{v}) > 0$.
\end{remark}
\begin{definition}
Un prodotto scalare si dice \textbf{degenere} se il radicale dello spazio su tale prodotto scalare ha
dimensione non nulla.
\end{definition}
%TODO: spiegare perché \alpha_\varphi è lineare e aggiungere esempi nella parte precedente.
%TODO: aggiungere osservazioni sul radicale (i.e. che è uno spazio, che ogni suo vettore è isotropo, ...).
\begin{remark}
Si definisce l'applicazione lineare $\alpha_\varphi : V \to \dual{V}$ in modo tale che
$\alpha_\varphi(\vec{v}) = p$, dove $p(\vec{w}) = \varphi(\vec{v}, \vec{w})$. \\
Allora $V^\perp$ altro non è che $\Ker \alpha_\varphi$. Se $V$ ha dimensione finita, $\dim V = \dim \dual{V}$,
e si può allora concludere che $\dim V^\perp > 0 \iff \Ker \alpha_\varphi \neq \{\vec{0}\} \iff \alpha_\varphi$ non è
invertibile (infatti lo spazio di partenza e di arrivo di $\alpha_\varphi$ hanno la stessa dimensione). In
particolare, $\alpha_\varphi$ non è invertibile se e solo se $\det(\alpha_\varphi) = 0$. \\
Sia $\basis = (\vv{1}, ..., \vv{n})$ una base ordinata di $V$. Si consideri allora la base ordinata del
duale costruita su $\basis$, ossia $\dual{\basis} = (\vecdual{v_1}, ..., \vecdual{v_n})$. Allora
$M_{\basisdual}^\basis(\alpha_\varphi)^i = [\alpha_\varphi(\vv{i})]_{\basisdual} = \Matrix{\varphi(\vec{v_i}, \vec{v_1}) \\ \vdots \\ \varphi(\vec{v_i}, \vec{v_n})} \underbrace{=}_{\varphi \text{ è simmetrica}}
\Matrix{\varphi(\vec{v_1}, \vec{v_i}) \\ \vdots \\ \varphi(\vec{v_n}, \vec{v_i})} = M_\basis(\varphi)^i$. Quindi
$M_{\basisdual}^\basis(\alpha_\varphi) = M_\basis(\varphi)$. \\
Si conclude allora che $\varphi$ è degenere se e solo se $\det (M_\basis(\varphi)) = 0$ e che
$V^\perp \cong \Ker M_\basis(\varphi)$ con l'isomorfismo è il passaggio alle coordinate.
\end{remark}
\end{document}
@@ -0,0 +1,150 @@
\documentclass[11pt]{article}
\usepackage{personal_commands}
\usepackage[italian]{babel}
\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{24 marzo 2023}
\begin{document}
\maketitle
\begin{center}
\Large \textbf{Esercitazione: la forma canonica di Jordan e gli autospazi generalizzati}
\end{center}
\begin{note}
Nel corso del documento, per $f$ si intenderà un generico endomorfismo di $\End(V)$, e per $V$
verrà inteso uno spazio vettoriale di dimensione finita $n$ su un campo $\KK$ algebricamente
chiuso, qualora non specificato diversamente.
\end{note}
Sia $f \in \End(V)$. Si osservino allora le seguenti catene ascendenti:
\begin{gather}
\{\vec0\} \subsetneq \Ker f \subsetneq \Ker f^2 \subsetneq \cdots \subsetneq \Ker f^{k-1} \subsetneq \Ker f^k = \Ker f^{k+1} = \cdots, \\
\{\vec0\} \subsetneq \Im f \subsetneq \Im f^2 \subsetneq \cdots \subsetneq \Im f^{k-1} \subsetneq \Im f^k = \Im f^{k+1} = \cdots,
\end{gather}
Sia la $(1)$ che la $(2)$ devono stabilizzarsi allo stesso $k \in \NN$, per la cosiddetta decomposizione di Fitting.
Sempre per tale decomposizione vale in particolare che:
\[ V = \Ker f^k \oplus \Im f^k. \]
\begin{remark} Si possono fare alcune osservazioni riguardo la decomposizione di Fitting. \\
\li Sia $\Ker f^k$ che $\Im f^k$ sono $f$-invarianti: $\vec v \in \Ker f^k \implies f^k(f(\vec v)) = f(f^k(\vec v)) = \vec0 \implies f(\vec v) \in \Ker f^k$ e $\vec v \in \Im f^k \implies \vec v = f^k(\vec w)$, $f(\vec v) = f(f^k(\vec w)) = f^k(f(\vec w)) \in \Im f^k$. \\
\li $\restr{f}{\Ker f^k}$ è nilpotente: $(\restr{f}{\Ker f^k})^k = \restr{f^k}{\Ker f^k} = 0$. \\
\li $\restr{f}{\Im f^k}$ è invertibile: $\Ker \restr{f}{\Im f^k} = \Ker f \cap \Im f^k \subseteq \Ker f^k \cap \Im f^k = \{\vec 0\}$, e quindi $\restr{f}{\Im f^k}$ è iniettiva; quindi $\restr{f}{\Im f^k}$ è anche invertibile, essendo un endomorfismo. \\
\li Poiché $\restr{f}{\Ker f^k}$ è nilpotente, $p_{\restr{f}{\Ker f^k}}(\lambda) = \lambda^d$, dove
$d = \dim \Ker f^k$. Inoltre
$\varphi_{\restr{f}{\Ker f^k}}(\lambda) = \lambda^k$: se infatti $\varphi_{\restr{f}{\Ker f^k}}(\lambda) = \lambda^t$
con $t < k$, varrebbe sicuramente che ${\restr{f}{\Ker f^k}}^{k-1} = \restr{f^{k-1}}{\Ker f^k} = 0$, ossia che
$\Ker f^k \subseteq \Ker f^{k-1}$, violando la minimalità di $k$, \Lightning. \\
\li Dal momento che vale la decomposizione di Fitting e che $\varphi_{\restr{f}{\Ker f^k}}$ e $\varphi_{\restr{f}{\Im f^k}}$ sono coprimi tra loro (il primo è diviso solo da $t$, mentre il secondo non è diviso da $t$), $\varphi_f = \mcm(\varphi_{\restr{f}{\Ker f^k}}, \varphi_{\restr{f}{\Im f^k}}) = \varphi_{\restr{f}{\Ker f^k}} \varphi_{\restr{f}{\Im f^k}}$. Si conclude quindi che $k = \mu'_a(0)$ rispetto a $\varphi_f$, ossia la molteplicità algebrica di $0$ in
tale polinomio. Analogamente si osserva che $t = \mu_a(0)$ rispetto a $p_f$, ossia la molteplicità algebrica
dell'autovalore $0$ in $f$, e quindi che $\mu_a(0) \geq k$, \\
\li Considerando l'endomorfismo $g = f - \lambda \Id$, si osservano facilmente alcune analogie tra le proprietà
determinanti di $g$ e di $f$: $p_g(t) = \det(f - \lambda \Id - t \Id) = \det(f - (\lambda + t) \Id) = p_f(\lambda + t)
\implies \mu_{a, g}(0) = \mu_{a, f}(\lambda)$. Si possono dunque riscrive i precedenti risultati in termini delle
molteplicità di un generico autovalore di $f$ considerando la molteplicità di $0$ in $g$.
\end{remark}
Reiterando la decomposizione di Fitting (o applicando il teorema di decomposizione primaria), si ottiene
infine la seguente decomposizione di $V$:
\[ V = \Ker (f - \lambda_1 \Id)^{\mu_a(\lambda_1)} \oplus \cdots \oplus \Ker (f - \lambda_m \Id)^{\mu_a(\lambda_m)}, \]
dove $m$ è il numero di autovalori di $V$. Si può riscrivere questa identità ponendo $n_i := \mu'_a(\lambda_i)$ in
$\varphi_f$:
\[ V = \Ker (f - \lambda_1 \Id)^{n_1} \oplus \cdots \oplus \Ker (f - \lambda_m \Id)^{n_m}. \]
\begin{definition}
Si definisce \textbf{autospazio generalizzato} relativo all'autovalore $\lambda_i$ di $f$, lo spazio:
\[ \widetilde{V_{\lambda_i}} = \Ker (f - \lambda_i \Id)^{\mu_{a, f}(\lambda_i)} = \Ker (f - \lambda_m \Id)^{n_m}. \]
\end{definition}
\begin{remark} Riguardo alla decomposizione primaria di $V$ e agli autospazio generalizzati di $f$ si possono fare alcune osservazioni aggiuntive. \\
\li Si può riscrive la decomposizione primaria di $V$ in termini degli autospazi generalizzati di $f$ come $V = \oplus_{i=1}^m \widetilde{V_{\lambda_i}}$. \\
\li Vale in particolare che $\widetilde{V_{\lambda_i}} = \{ \v \in V \mid \exists k \in \NN \mid (f-\lambda_i \Id)^k(\v) = \vec{0} \} = \bigcup_{k=0}^{\infty} \Ker (f - \lambda_i \Id)^k$, tenendo in conto la decomposizione
di Fitting e la minimalità di $n_i$. \\
\li Considerando la traslazione vista nell'ultima osservazione, si deduce che $\Ker(f - \lambda_i \Id)^{n_i}$ ammette
come unico autovalore $\lambda_i$ (separazione degli autovalori). \\
\li Poiché $f$ è diagonalizzabile se e solo se $V = \bigoplus_{i=1}^m \Ker(f - \lambda_i \Id)$, si può dedurre
un altro criterio per la diagonalizzabilità, ossia $f$ diagonalizzabile $\impliedby n_i = 1$ $\forall i \leq m$. \\
\li Del precedente criterio vale anche il viceversa: se $f$ è diagonalizzabile e $\lambda_1$, ..., $\lambda_k$ sono
i suoi autovalori, $V$ ammette una base di autovettori; dati allora gli indici $i_p$ che associano ogni vettore
$\vv p$ all'indice del suo rispettivo autovalore, allora sia
$\vv 1 ^{(\lambda_{i_1})}$, ..., $\vv n ^{(\lambda_{i_n})}$ una base di $V$. Poiché $q(t) = \prod_{i=1}^k (t - \lambda_i)$ è tale che $q(f)$ si annulla in ogni vettore della base e ogni suo fattore lineare è composto da un autovalore di $f$ ed è distinto, deve valere che $\varphi_f = q$.
\end{remark}
\begin{exercise}
Si calcoli il polinomio minimo di $A = \Matrix{0 & -2 & 0 & -2 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & 0 & 2 & 0}$.
\end{exercise}
\begin{solution}
Innanzitutto, si calcola il polinomio caratteristico di $A$, ossia $p_A(t) = (1-t)^3 (1+t)^2$, da cui si ricava
che gli autovalori di $A$ sono $1$ e $-1$, con $\mu_a(1) = 3$ e $\mu_a(-1) = 2$. Si può dunque decomporre $V$
come:
\[ V = \Ker (A - I)^3 \oplus \Ker (A + I)^2, \]
\vskip 0.05in
e $\varphi_A$ sarà della forma $\varphi_A(t) = (t-1)^{n_1} (t+1)^{n_2}$ con $n_1 \leq 3$ e $n_2 \leq 2$.
\begin{enumerate}[(i)]
\item $\rg(A - I) = 3 \implies \dim \Ker (A - I) = 2 < 3 = \mu_a(-1)$. Si controlli adesso il rango di
$(A-I)^2$: $\rg(A - I)^2 = 2 \implies \dim \Ker (A - I)^2 = 3 = \mu_a(1)$, da cui $n_1 = 2$.
\item $\rg(A + I) = 3 \implies \dim \Ker (A + I) = 2$. Allora, poiché $\dim \Ker (A + I) = 2 = \mu_a(-1)$,
si conclude che $n_2 = 1$.
\end{enumerate}
Quindi $\varphi_A(t) = (t-1)^2(t+1)$.
\end{solution}
\begin{exercise}
Sia $A \in M(n, \CC)$ invertibile. Dimostrare allora che se $A^3$ è diagonalizzabile, anche $A$ lo è.
\end{exercise}
\begin{solution}
Se $A^3$ è diagonalizzabile, per la precedente osservazione, $\varphi_{A^3}(t) = \prod_{i=1}^m (t - \lambda_i)$,
dove $m$ è il numero di autovalori distinti di $A^3$. Allora, detto $p(t) = \prod_{i=1}^m (t^3 - \lambda_i)$, vale che
$p(A) = 0$, ossia che $\varphi_A \mid p$. Dal momento che $A$ è invertibile, anche $A^3$ lo è, e quindi
$\lambda_i \neq 0$ $\forall i \leq m$. Poiché $p$ è allora fattorizzato in soli termini lineari distinti,
anche $\varphi_A$ deve esserlo, e quindi $A$ deve essere diagonalizzabile. \\
\end{solution}
\vskip 0.1in
Nello studio della forma canonica di Jordan è rilevante costruire una base a bandiera tale per cui la matrice
associata in tale base sia una matrice a blocchi diagonale formata da blocchi di Jordan. Si consideri
allora $g = f - \lambda \Id$, e sia $k$ la molteplicità algebrica di $\lambda$ nel polinomio minimo
di $f$ (i.e.~il $k$ minimo già visto precedentemente nella decomposizione di Fitting di $g$). \\
Si possono allora definire dei sottospazi $U_i$ secondo le seguenti decomposizioni:
\begin{align*}
\Ker g^k &= \Ker g^{k-1} \oplus U_1, \\
\Ker g^{k-1} &= \Ker g^{k-2} \oplus g(U_1) \oplus U_2, \\
\vdots & \qquad \vdots \qquad \vdots \qquad \vdots \qquad \vdots \\
\Ker g &= \underbrace{\Ker g^0}_{= \{ \vec 0\}} \oplus \, g^{k-1}(U_1) \oplus \cdots \oplus U_{k}.
\end{align*}
Si noti che $g$ mantiene la dimensione di $U_i$ ad ogni passo fino a $k-i$ composizioni di $g$ (infatti
$\Ker g^{k-i} \cap U_i \subseteq \Ker g^{k-1} \cap U_i = \{\vec 0\}$, per costruzione dei sottospazi
supplementari $U_i$). In particolare, $\dim U_i = m_i$ rappresenta il numero di blocchi di Jordan
relativi a $\lambda$ di taglia $k-i+1$, e quindi valgono le seguenti identità:
\begin{align*}
\dim \Ker g^k &= \dim \Ker g^{k-1} + m_1 = \mu_a(\lambda), \\
\dim \Ker g^{k-1} &= \dim \Ker g^{k-2} + m_1 + m_2, \\
\vdots & \qquad \vdots \qquad \vdots \qquad \vdots \qquad \vdots \\
\dim \Ker g &= m_1 + m_2 + \ldots + m_k = \mu_g(\lambda).
\end{align*}
%TODO: aggiungere osservazioni su come trovare una base di Ker g^j seguendo i blocchi di Jordan.
\end{document}
@@ -0,0 +1,324 @@
\documentclass[11pt]{article}
\usepackage{personal_commands}
\usepackage[italian]{babel}
\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{27 e 31 marzo 2023}
\begin{document}
\maketitle
\wip
\begin{center}
\Large \textbf{Proprietà e teoremi principali sul prodotto scalare}
\end{center}
\begin{note}
Nel corso del documento, per $V$ si intenderà uno spazio vettoriale di dimensione
finita $n$ e per $\varphi$ un suo prodotto scalare.
\end{note}
\begin{proposition} (formula delle dimensioni del prodotto scalare)
Sia $W \subseteq V$ un sottospazio di $V$. Allora vale la seguente identità:
\[ \dim W + \dim W^\perp = \dim V + \dim (W \cap V^\perp). \]
\end{proposition}
\begin{proof}
Si consideri l'applicazione lineare $f : V \to \dual W$ tale che $f(\vec v)$ è un funzionale di $\dual W$ tale che
$f(\vec v)(\vec w) = \varphi(\vec v, \vec w)$ $\forall \vec w \in W$. Si osserva che $W^\perp = \Ker f$, da cui,
per la formula delle dimensioni, $\dim V = \dim W^\perp + \rg f$. Inoltre, si osserva anche che
$f = i^\top \circ a_\varphi$, dove $i : W \to V$ è tale che $i(\vec w) = \vec w$, infatti $f(\vec v) = a_\varphi(\vec v) \circ i$ è un funzionale di $\dual W$ tale che $f(\vec v)(\vec w) = \varphi(\vec v, \vec w)$. Pertanto
$\rg f = \rg (i^\top \circ a_\varphi)$. \\
Si consideri ora l'applicazione $g = a_\varphi \circ i : W \to \dual W$. Sia ora $\basis_W$ una base di $W$ e
$\basis_V$ una base di $V$. Allora le matrice associate di $f$ e di $g$ sono le seguenti:
\begin{enumerate}[(i)]
\item $M_{\dual \basis_W}^{\basis_V}(f) = M_{\dual \basis_W}^{\basis_V}(i^\top \circ a_\varphi) =
\underbrace{M_{\dual \basis_W}^{\dual \basis_V}(i^\top)}_A \underbrace{M_{\dual \basis_V}^{\basis_V}(a_\varphi)}_B = AB$,
\item $M_{\dual \basis_V}^{\basis_W}(g) = M_{\dual \basis_V}^{\basis_W}(a_\varphi \circ i) =
\underbrace{M_{\dual \basis_V}^{\basis_V}(a_\varphi)}_B \underbrace{M_{\basis_V}^{\basis_W}(i)}_{A^\top} = BA^\top \overbrace{=}^{B^\top = B} (AB)^\top$.
\end{enumerate}
Poiché $\rg(A) = \rg(A^\top)$, si deduce che $\rg(f) = \rg(g) \implies \rg(i^\top \circ a_\varphi) = \rg(a_\varphi \circ i) = \rg(\restr{a_\varphi}{W}) = \dim W - \dim \Ker \restr{a_\varphi}{W} = \dim W - \dim (W \cap \underbrace{\Ker a_\varphi}_{V^\perp}) = \dim W - \dim (W \cap V^\perp)$. Si conclude allora, sostituendo quest'ultima
identità nell'identità ricavata a inizio dimostrazione che $\dim V = \dim W^\top + \dim W - \dim (W \cap V^\perp)$,
ossia la tesi.
\end{proof}
\begin{remark}
Si possono fare alcune osservazioni sul radicale di un solo elemento $\vec w$ e su quello del suo sottospazio
generato $W = \Span(\vec w)$: \\
\li $\vec w ^\perp = W^\perp$, \\
\li $\vec w \notin W^\perp \iff \Rad (\restr{\varphi}{W}) = W \cap W^\perp \iff \vec w \text{ non è isotropo } = \zerovecset \iff
V = W \oplus W^\perp$.
\end{remark}
\begin{definition}
Si definisce \textbf{base ortogonale} di $V$ una base $\vv 1$, ..., $\vv n$ tale per cui $\varphi(\vv i, \vv j) = 0
\impliedby i \neq j$, ossia per cui la matrice associata del prodotto scalare è diagonale.
\end{definition}
\begin{proposition} (formula di polarizzazione)
Se $\Char \KK \neq 2$, un prodotto scalare è univocamente determinato dalla sua forma quadratica $q$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Si nota infatti che $q(\vec v + \vec w) - q(\vec v) - q(\vec w) = 2 \varphi(\vec v, \vec w)$, e quindi,
poiché $2$ è invertibile per ipotesi, che $\varphi(\vec v, \vec w) = 2\inv (q(\vec v + \vec w) - q(\vec v) - q(\vec w))$.
\end{proof}
\begin{theorem}(di Lagrange)
Ogni spazio vettoriale $V$ su $\KK$ tale per cui $\Char \KK \neq 2$ ammette una base ortogonale.
\end{theorem}
\begin{proof}
Sia dimostra il teorema per induzione su $n := \dim V$. Per $n \leq 1$, la dimostrazione è triviale. Sia
allora il teorema vero per $i \leq n$. Se $V$ ammette un vettore non isotropo $\vec w$, sia $W = \Span(\vec w)$ e si consideri la decomposizione $V = W \oplus W^\perp$. Poiché $W^\perp$ ha dimensione $n-1$, per ipotesi induttiva
ammette una base ortogonale. Inoltre, tale base è anche ortogonale a $W$, e quindi l'aggiunta di $\vec w$ a
questa base ne fa una base ortogonale di $V$. Se invece $V$ non ammette vettori non isotropi, ogni forma quadratica
è nulla, e quindi il prodotto scalare è nullo per la proposizione precedente.
\end{proof}
\begin{theorem} (di Sylvester, caso complesso)
Sia $\KK$ un campo i cui elementi sono tutti quadrati di un
altro elemento del campo (e.g.~$\CC$). Allora esiste una base
ortogonale $\basis$ tale per cui:
\[ M_\basis(\varphi) = \Matrix{I_r & \rvline & 0 \\ \hline 0 & \rvline & 0\,}. \]
\end{theorem}
\begin{proof}
Per il teorema di Lagrange, esiste una base ortogonale $\basis'$ di $V$.
Si riordini la base in modo tale che la forma quadratica valutata nei primi elementi sia sempre diversa da zero. Allora, poiché ogni
elemento di $\KK$ è per ipotesi quadrato di un altro elemento
di $\KK$, si sostituisca $\basis'$ con una base $\basis$ tale per
cui, se $q(\vv i) = 0$, $\vv i \mapsto \vv i$, e altrimenti
$\vv i \mapsto \frac{\vv i}{\sqrt{q(\vv i)}}$. Allora $\basis'$
è una base tale per cui la matrice associata del prodotto scalare
in tale base è proprio come desiderata nella tesi, dove $r$ è
il numero di elementi tali per cui la forma quadratica valutata
in essi sia diversa da zero.
\end{proof}
\begin{remark}
Si possono effettuare alcune considerazioni sul teorema di Sylvester
complesso. \\
\li Si può immediatamente concludere che il rango è un invariante
completo per la congruenza in un campo in cui tutti gli elementi
sono quadrati, ossia che $A \cong B \iff \rg(A) = \rg(B)$: infatti
ogni matrice simmetrica rappresenta una prodotto scalare, ed è
pertanto congruente ad una matrice della forma desiderata
nell'enunciato del teorema di Sylvester complesso. Poiché il rango
è un invariante della congruenza, si ricava che $r$ nella forma
della matrice di Sylvester, rappresentando il rango, è anche
il rango di ogni sua matrice congruente. In particolare, se due
matrici simmetriche hanno stesso rango, allora sono congruenti
alla stessa matrice di Sylvester, e quindi, essendo la congruenza
una relazione di congruenza, sono congruenti a loro volta. \\
\li Due matrici simmetriche con stesso rango, allora, non solo
sono SD-equivalenti, ma sono anche congruenti.
\li Ogni base ortogonale deve quindi avere lo stesso numero
di elementi nulli.
\end{remark}
\begin{theorem} (di Sylvester, caso reale) Sia $\KK$ un campo ordinato
i cui elementi positivi sono tutti quadrati (e.g.~$\RR$). Allora
esiste una base ortogonale $\basis$ tale per cui:
\[ M_\basis(\varphi) = \Matrix{I_{i_+} & \rvline & 0 & \rvline & 0 \\ \hline 0 & \rvline & -I_{i_-} & \rvline & 0 \\ \hline 0 & \rvline & 0 & \rvline & 0\cdot I_{i_0} }. \]
Inoltre, per ogni base ortogonale, esistono esattamente
$\iota_+(\varphi)$ vettori della base con forma quadratica positiva,
$\iota_-(\varphi)$ con forma negativa e $\iota_0(\varphi)$ con
forma nulla.
\end{theorem}
\begin{proof}
Per il teorema di Lagrange, esiste una base ortogonale $\basis'$ di $V$.
Si riordini la base in modo tale che la forma quadratica valutata nei primi elementi sia strettamente positiva, che nei secondi elementi sia strettamente negativa e che negli ultimi sia nulla. Si sostituisca
$\basis'$ con una base $\basis$ tale per cui, se $q(\vv i) > 0$,
allora $\vv i \mapsto \frac{\vv i}{\sqrt{q(\vv i)}}$; se
$q(\vv i) < 0$, allora $\vv i \mapsto \frac{\vv i}{\sqrt{-q(\vv i)}}$;
altrimenti $\vv i \mapsto \vv i$. Si è allora trovata una base
la cui matrice associata del prodotto scalare è come desiderata nella
tesi. \\
In particolare, $\iota_0(\varphi)$ è esattamente il numero di vettori
con forma quadratica nulla della base, rappresentando infatti
esattamente la dimensione del nucleo di $M_\basis(\varphi)$,
ossia di $V^\perp$. \\
Siano ora $W_+ = \Span(\vv 1, ... \vv a)$, dove $a$ è il numero
di vettori della base con forma quadratica positiva,
$W_- = \Span(\vv{a+1}, ... \vv b)$, dove $b$ è il numero di vettori
con forma negativa e
$W_0 = \Span(\vv{b+1}, ... \vv c)$, dove $c$ è il numero di vettori
con forma nulla.
Allora chiaramente $V = W_+ \oplus W_- \oplus W_0$. Inoltre,
$\restr{\varphi}{W_+} > 0$, $\restr{\varphi}{W_-} > 0$ e
$\restr{\varphi}{W_0} = 0$. Pertanto $\iota_+(\varphi) \geq \dim W_+ = a$. Analogamente $\iota_-(\varphi) \geq \dim W_- = b$ e
$\iota_0(\varphi) = c$ ($W_0 = V^\perp$). Se lo spazio definito
positivo massimo $W$ fosse tale che $\dim W > \dim W_+$, allora,
poiché $V = a + b + c$ e $\dim W + b + c > \dim V \implies
W \cap W_- \cap W_0 \neq \emptyset$, $\Lightning$. Quindi valgono
le uguaglianze, da cui la tesi.
\end{proof}
\begin{definition}
Si definisce \textbf{segnatura} di un prodotto scalare
la terna $(i_+, i_-, i_0)$, come vista nella dimostrazione
del teorema di Sylvester reale.
\end{definition}
\begin{remark} \nl
\li La segnatura è un invariante completo per la congruenza nel caso reale. Se infatti due matrici hanno la stessa segnatura, sono
entrambe congruenti alla matrice come vista nella dimostrazione
della forma reale del teorema di Sylvester, e quindi, essendo
la congruenza una relazione di equivalenza, sono congruenti
tra loro. Analogamente vale il viceversa, come conseguenza del
teorema di Sylvester reale.
\li Si dice base di Sylvester una base di $V$ tale per cui la
matrice associata di $\varphi$ sia esattamente nella forma
vista nella dimostrazione del teorema di Sylvester, e
tale matrice si dirà anch'essa matrice di Sylvester.
%TODO: completare spiegazione.
\end{remark}
\begin{definition}
Si dice \textbf{indice di positività} di $\varphi$ il
termine $\iota_+(\varphi) = i_+ = \max \{ \dim W \mid W \subseteq V \mid \restr{\varphi}{W} > 0 \}$. Analogamente $\iota_-(\varphi) = i_- = \max \{ \dim W \mid W \subseteq V \mid \restr{\varphi}{W} < 0 \}$ è detto
\textbf{indice di negatività}. Si definisce invece $\iota_0(\varphi) = i_0 = \dim V^\perp$ come \textbf{indice di nullità}.
\end{definition}
\begin{remark}\nl
\li I sottospazi la cui dimensione è pari all'indice di positività
o di negatività non sono obbligatoriamente unici.
\end{remark}
\begin{definition}
Dati due spazi vettoriali con prodotti scalare $(V, \varphi)$ e
$(V', \varphi')$ sullo stesso campo $\KK$, si dice che
$V$ e $V'$ sono \textbf{isometrici} se esiste un isomorfismo
$f$ che preserva i prodotti, ossia tale che:
\[ \varphi(\vec v, \vec w) = \varphi'(f(\vec v), f(\vec w)), \]
e tale isomorfismo si dirà isometria.
\end{definition}
\begin{exercise}\nl
\li $f : V \to V'$ è un isometria $\iff$ per una base $\basis =
\{\vv1, ..., \vv k\}$ di $V$, $\varphi(\vv i, \vv j) = \varphi'(f(\vv i), f(\vv j))$ $\iff$ vale per ogni base.
\end{exercise}
\begin{proposition}
Per $(V, \varphi)$ e $(V', \varphi')$ sono equivalenti:
\begin{enumerate}[(i)]
\item $V$ e $V'$ sono isometrici;
\item $\forall$ base $\basis$ di $V$, $\basis'$ di $V'$,
$M_\basis(\varphi)$ e $M_\basis'(\varphi')$ sono congruenti;
\item lo stesso ma per una base.
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}
(1-2)
\rightproof Sia $\basis'' = f(\basis)$. Allora $M_{\basis''}(\varphi')=
(\varphi'(f(\vv i), f(\vv j))) = (\varphi(\vv i, \vv j))$. Allora,
per la formula di cambiamento di base, le matrici
$M_{\basis'}(\varphi')$ e $M_{\basis'}(\varphi')$ sono congruenti.
\leftproof Sia $A = M_\basis(\varphi) = P^\top B P$ e
$B = M_{\basis'}(\varphi')$. Allora $a_{ij} = \varphi(\vv i, \vv j) =
... = \varphi'(\vec{v_i^{ii}}, \vec{v_j^{ii}})$, dove
$\vec{v_i^{ii}}$ è base perché $P$ è invertibile. Allora
l'applicazione $f : V \to V'$ che manda $\vv i \mapsto \vec{v_{i}^{''}}$ è un isometria.
(2-3) esercizio.
\end{proof}
\begin{proposition} $(V, \varphi)$ e $(V', \varphi')$ spazi vettoriali
su $\RR$ sono
isometrici $\iff$ $\varphi$ e $\varphi'$ hanno la stessa segnatura.
\end{proposition}
\begin{proof}
\rightproof Basta che prendi la solita base. \\
\leftproof Siano $\basis$, $\basis'$ basi di Sylvester di $V$
e di $V'$. Si definisce allora l'applicazione $f : V \to V'$ tale
che $f(\vv i) = \ww i$: essa è un isometria.
\end{proof}
\begin{corollary}
Due matrici simmetriche sono congruenti se e solo se hanno
la stessa segnatura.
\end{corollary}
\begin{definition} (somma diretta ortogonale)
$V = U \oplusperp W$.
\end{definition}
\begin{remark}\nl
\li se $V = U \oplusperp W$, allora $\iota_+(\varphi) = \iota_+(\restr{\varphi}{V}) + \iota_+(\restr{\varphi}{W})$, e
analogamente per gli altri indici.
\end{remark}
\begin{example}
Per $\varphi = x_1 y_1 + x_2 y_2 - x_3 y_3$. %TODO: guarda dalle slide.
\end{example}
\begin{definition}
Sia $\KK$ qualunque. $W \subseteq V$ si dice sottospazio isotropo
se $\restr{\varphi}{W} = 0$.
\end{definition}
\begin{remark}\nl
\li $V^\perp$ è isotropo, \\
\li $\vec{v}$ è un vettore isotropo $\iff$ $W = \Span(\vec v)$ è sottospazio isotropo, \\
\li $W \subseteq V$ è isotropo $\iff$ $W \subseteq W^\perp$.
\end{remark}
\begin{proposition}
Sia $\varphi$ non degenere. $W \subseteq V$ isotropo, allora
$\dim W \leq \frac{1}{2} \dim V$.
\end{proposition}
\begin{proof}
$W \subseteq W^\perp \implies \dim W \leq \dim W^\perp \implies
\dim W \leq \dim V - \dim W \implies \dim W \leq \frac{1}{2} \dim V$.
\end{proof}
\begin{definition}
Si definisce \textbf{indice di Witt} $W(\varphi)$ di $(V, \varphi)$
come la massima dimensione di un sottospazio isotropo.
\end{definition}
\begin{remark}\nl
\li Se $\varphi > 0$, $W(\varphi) = 0$.
\end{remark}
\begin{proposition}
Per $\KK = \RR$ e $\sigma(\varphi) = (\iota_+(\varphi), \iota_-(\varphi), \iota_0(\varphi))$, con $\varphi$ non degenere,
$W(\varphi) = \min\{\iota_+(\varphi), \iota_-(\varphi)\}$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Sia ad esempio $\iota_-(\varphi) \leq \iota_+(\varphi)$. Se $W$
è un sottospazio con $\dim W > \iota_-(\phi)$, e $W^+$ è
un sottospazio con $\dim W^+ = \iota_+(\varphi)$ e $\restr{\varphi}{W^+} > 0 \implies \dim (W \cap W^+) > 0$,
e quindi $W$ non è isotropo (quindi $W(\varphi) < \iota_-(\varphi)$). \\
Sia $\basis$ una base di Sylvester. Per costruirlo prendi
coppie della base originale facendo la differenza e nota
che ne prendi esattamente quante iota-.
\end{proof}
\end{document}
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\documentclass[11pt]{article}
\usepackage{personal_commands}
\usepackage[italian]{babel}
\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{\today}
\begin{document}
\maketitle
\wip
\begin{center}
\Large \textbf{Esercitazione: computo della basi di Jordan}
\end{center}
\begin{example}
Sia $A = \Matrix{0 & 1 & 0 & 1 & 2 \\ 0 & -1 & 1 & -1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & -1 & -2 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & 2}$ e se ne ricerchi
la forma canonica di Jordan e una base in cui assume tale base. \\
Si noti che $A^2 = \Matrix{0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0}$, e quindi
che $A^3 = 0$. Allora $\varphi_A(t) = t^3$ e $p_A(t) = t^5$. \\
Poiché $A$ ha ordine di nilpotenza $3$, la sua forma canonica
di Jordan ammette sicuramente un solo blocco
di ordine $3$. Inoltre, $\dim \Ker A = 3$, e quindi
devono esservi obbligatoriamente $2$ blocchi di ordine $1$.
Pertanto la sua forma canonica è la seguente:
\[ J=\Matrix{0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0}. \]
\vskip 0.05in
Si consideri l'identità $\RR^5 = \Ker A^3 = \Ker A^2 \oplus U_1$.
Poiché $\dim \Ker A^2 = 4$, vale che $\dim U_1 = \dim \Ker A^3
- \dim \Ker A^2 = 1$. Dacché $\e3$ si annulla solo con $A^3$,
$U_1 = \Span(\e3)$. \\
Si consideri invece ora $\Ker A^2 = \Ker A \oplus A(U_1) \oplus U_2$.
Si osservi che $\dim U_2$ è il numero dei blocchi di Jordan di
ordine $2$, e quindi è $0$. Si deve allora considerare $\Ker A =
A^2(U_1) \oplus U_3$, dove $\dim U_3 = 2$. Si osservi anche che $A^2(\e3) = \e1-\e2-\e3+\e4$: è sufficiente trovare due vettori
linearmente indipendenti appartenenti al kernel di $A$, ma non
nello $\Span$ di $A^2(\e3)$; come per esempio $\e2-\e4$ e $2\e2-\e5$.
Allora $U_3 = \Span(\e2-\e4, 2\e2-\e5)$. Una base di Jordan per $A$
sarà allora $(A^2 \e3, A \e3, \e3, \e2-\e4, 2\e2-\e5)$.
\end{example}
\begin{example}
Sia $A = \Matrix{2 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ -1 & 1 & 0 & 2 & 1 \\ 1 & 0 & 1 & 0 & 1}$, e se ne calcoli la forma canonica di Jordan. \\
Si osserva che $p_A(t) = (1-t)^3 (2-t)^2$, e quindi
$\RR^5 = \Ker (A - I)^3 \oplus \Ker (A - 2I)^2$. \\
($\lambda = 1$) $\dim \Ker (A - I) = 2$, quindi ci sono due blocchi
relativi all'autovalore $1$, uno di ordine $1$ e uno di ordine $2$. \\
($\lambda = 2$) $\dim \Ker (A - 2I) = 2$, quindi ci sono due blocchi
relativi all'autovalore $2$, entrambi di ordine $1$. \\
Quindi la forma canonica di $A$ è la seguente:
\[ J = \Matrix{1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2 }, \]
da cui si ottiene anche che $p_A(t) = (t-2)^2 (t-2)$. Si calcola
ora una base di Jordan per $A$. \\
($\lambda = 1$) Sia $\Ker (A - I)^2 = \Ker (A - I) \oplus U_1$. $\dim U_1 = 1$,
e poiché $\e5 \in \Ker (A - I)^2$, ma $\e5 \notin \Ker (A-I)$,
vale che $U_1 = \Span(\e5)$. \\
Sia ora invece $\Ker (A - I) = g(U_1) \oplus U_2$, dove
$\dim U_2 = 1$. Dacché $\e5+\e1-\e3 \in \Ker (A-I)$, ma
non appartiene a $\Span(A \e5)$, si ottiene che una base
relativa al blocco di $1$ è $A \e5, \e5, \e5+\e1-\e3$.
($\lambda = 2$) Per quanto riguarda invece il blocco relativo a $2$, essendo
tale blocco diagonale, è sufficiente ricavare una base
di $\Ker (A-2I)$, come $\e4$ e $\e1 + \e3$.
\end{example}
\begin{definition} (centralizzatore di una matrice)
Si definisce \textbf{centralizzatore di una matrice} $A \in M(n, \KK)$
l'insieme:
\[ C(A) = \{ B \in M(n, \KK) \mid AB = BA\}, \]
ossia l'insieme delle matrici che commutano con $A$.
\end{definition}
\begin{proposition}
Vale l'identità $C(J_{0, m}) = \Span(I, J_{0, m}, J_{0, m}^2, ..., J_{0, m}^{m-1})$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Sia $B \in C(J_{0, m})$. Si osserva che $J_{0,m} B = \Matrix{B_2 \\ \hline B_3 \\ \hline \vdots \\ \hline B_{m} \\ \hline 0}$, mentre $B J_{0,m} = \Matrix{0 & \rvline & B^1 & \rvline & B^2 & \rvline & \cdots & \rvline & B^{m-1} }$. Per ipotesi deve valere che $J_{0,m} B = B J_{0,m}$, e quindi, uguagliando le matrici colonna a colonna, si osserva
la colonna $B^1$ è tutta nulla eccetto per il primo elemento; si osserva poi che la colonna $B^2$ è composta
da elementi di $B^1$ traslata in basso di una posizione; e così via ciclando sulle colonne, ottenendo che,
data $B^m = \Vector{ a_0 \\ a_1 \\ \vdots \\ a_{m-1} }$, $B = a_0 I + a_1 J_{0,m} + \ldots + a_{m-1} J_{0, m}^{m-1}$,
quindi $B \in \Span(I, J_{0, m}, J_{0, m}^2, ..., J_{0, m}^{m-1})$. Dal momento che ogni elemento generatore di
$\Span(I, J_{0, m}, J_{0, m}^2, ..., J_{0, m}^{m-1})$ commuta con $J_{0,m}$, vale la doppia inclusione, da cui
la tesi.
\end{proof}
\begin{remark}
Sul centralizzatore di una matrice ed il suo rapporto con la
similitudine si possono fare alcune considerazioni. \\
\li $A \sim B \implies \dim C(A) = \dim C(B)$: infatti, se
$A = PBP\inv$, $AC = CA \implies PBP\inv C = C PBP\inv \implies
BP\inv C=P\inv C P B P\inv \implies B (P\inv C P) = (P\inv C P) B$,
e quindi il coniugio fornisce un isomorfismo tra i due
centralizzatori.
\end{remark}
\end{document}