Frobenius companion matrix
Frobenius companion matrix
对于任意一个首项为1的多项式 f(x)=xn+an−1xn−1+⋯+a0,f(x)=xn+an−1xn−1+⋯+a0,f(x) = x^n + a_{n - 1} x^{n - 1} + \cdots + a_0,
=∑ni=0aixi,(n≥1,an=1)=∑i=0naixi,(n≥1,an=1)= \sum _{i = 0} ^{n} a_i x^i, (n \ge 1, a_n = 1)
定义 fff 的 Frobenius companion matrix 为:
C(f)=(00⋯0−a010⋯0−a101⋯0−a2⋮⋮⋱⋮⋮00⋯1−an−1)" role="presentation" style="position: relative;">C(f)=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜010⋮0001⋮0⋯⋯⋯⋱⋯000⋮1−a0−a1−a2⋮−an−1⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟C(f)=(00⋯0−a010⋯0−a101⋯0−a2⋮⋮⋱⋮⋮00⋯1−an−1)C(f) = \begin{pmatrix} 0 & 0 & \cdots & 0 & -a_{0} \\ 1 & 0 & \cdots & 0 & -a_{1} \\ 0 & 1 & \cdots & 0 & -a_{2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & -a_{n - 1} \end{pmatrix}
性质
|λI−C(f)|=∣∣∣∣∣∣∣∣λ−10⋮00λ−1⋮0⋯⋯⋯⋱⋯000⋮−1a0a1a2⋮λ+an−1∣∣∣∣∣∣∣∣=f(λ)|λI−C(f)|=|λ0⋯0a0−1λ⋯0a10−1⋯0a2⋮⋮⋱⋮⋮00⋯−1λ+an−1|=f(λ)\left \vert \lambda I - C(f) \right \vert = \begin{vmatrix} \lambda & 0 & \cdots & 0 & a_{0} \\ -1 & \lambda & \cdots & 0 & a_{1} \\ 0 & -1 & \cdots & 0 & a_{2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & -1 & \lambda + a_{n - 1} \end{vmatrix} = f(\lambda)
证明
n=1n=1n = 1 时 |λI−C(f)|=λ+a0,|λI−C(f)|=λ+a0,\left \vert \lambda I - C(f) \right \vert = \lambda+ a_0, 等式成立。
n>1n>1n > 1 时:
|λI−C(f)|=∣∣∣∣∣∣∣∣λ−10⋮00λ−1⋮0⋯⋯⋯⋱⋯000⋮−1a0a1a2⋮λ+an−1∣∣∣∣∣∣∣∣|λI−C(f)|=|λ0⋯0a0−1λ⋯0a10−1⋯0a2⋮⋮⋱⋮⋮00⋯−1λ+an−1|\left \vert \lambda I - C(f) \right \vert = \begin{vmatrix} \lambda & 0 & \cdots & 0 & a_{0} \\ -1 & \lambda & \cdots & 0 & a_{1} \\ 0 & -1 & \cdots & 0 & a_{2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & -1 & \lambda + a_{n - 1} \end{vmatrix}
=======r1←∑ni=1λi−1ri∣∣∣∣∣∣∣∣0−10⋮00λ−1⋮0⋯⋯⋯⋱⋯000⋮−1λn+∑ni=1ai−1λi−1a1a2⋮λ+an−1∣∣∣∣∣∣∣∣=======r1←∑i=1nλi−1ri|00⋯0λn+∑i=1nai−1λi−1−1λ⋯0a10−1⋯0a2⋮⋮⋱⋮⋮00⋯−1λ+an−1|\overset{r_1 \gets \sum _{i = 1} ^{n} \lambda^{i - 1} r_i }{=\mathrel{\mkern-3mu}=\mathrel{\mkern-3mu}=\mathrel{\mkern-3mu}=\mathrel{\mkern-3mu}=\mathrel{\mkern-3mu}=\mathrel{\mkern-3mu}=} \begin{vmatrix} 0 & 0 & \cdots & 0 & \lambda^n + \sum _{i = 1} ^{n} a_{i - 1} \lambda^{i - 1} \\ -1 & \lambda & \cdots & 0 & a_{1} \\ 0 & -1 & \cdots & 0 & a_{2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & -1 & \lambda + a_{n - 1} \end{vmatrix}
=λn+∑ni=1ai−1λi−1=λn+∑i=1nai−1λi−1= \lambda^n + \sum _{i = 1} ^{n} a_{i - 1} \lambda^{i - 1}
=f(λ)=f(λ)= f(\lambda)
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