• No results found

a) Let U 1 , U 2 ⊂ V be subspaces of V satisfying U 1 ∩ U 2 = {0}. Then any basis of U 2 can be extended to a basis of a complementary space of U 1 inside V .

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "a) Let U 1 , U 2 ⊂ V be subspaces of V satisfying U 1 ∩ U 2 = {0}. Then any basis of U 2 can be extended to a basis of a complementary space of U 1 inside V ."

Copied!
2
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

STRUCTURE OF NILPOTENT ENDOMORPHISMS

RONALD VAN LUIJK

This is an alternative proof of Theorem 3.3 in Michael Stoll’s “Linear Algebra II” (2007).

Lemma 1. Let V be a finite-dimensional vector space over a field F .

a) Let U 1 , U 2 ⊂ V be subspaces of V satisfying U 1 ∩ U 2 = {0}. Then any basis of U 2 can be extended to a basis of a complementary space of U 1 inside V .

b) Let U 1 , U 2 , U 3 ⊂ V be subspaces of V such that U 3 is a complementary space of U 1 + U 2 inside V , and U 2 is a complementary space of U 1 inside U 1 + U 2 . Then U 2 + U 3 is a complementary space of U 1 inside V and the union of any bases for U 2 and U 3 is a basis for U 2 + U 3 .

Proof. Exercise. 

Theorem 2. Let V be a finite-dimensional vector space over a field F and set n = dim V . Let f : V → V be a nilpotent endomorphism. Then V has a basis (v 1 , . . . , v n ) such that for all i ∈ {1, . . . , n} we have f (v i ) = v i+1 or f (v i ) = 0.

Proof. Let m be an integer such that f m = 0. Note that we have a chain of inclusions {0} = ker f 0 ⊂ ker f 1 ⊂ ker f 2 ⊂ · · · ⊂ ker f m−1 ⊂ ker f m = V.

We prove by descending induction that for all j ∈ {0, 1, . . . , m} there are elements w 1 , . . . , w s ∈ V and non-negative integers d 1 , . . . , d s , such that the sequence

(1) w 1 , f (w 1 ), . . . , f d

1

(w 1 ), w 2 , f (w 2 ), . . . , f d

2

(w 2 ), . . . , w s , f (w s ), . . . , f d

s

(w s )  is a basis of a complementary space X j of ker f j inside V and, if j > 0, the sequence (2) f d

1

+1 (w 1 ), . . . , f d

s

+1 (w s ) 

is a basis of a subspace Y j 0 of ker f j satisfying Y j 0 ∩ ker f j−1 = {0}.

For j = m this is true because we can take ` = 0 and X j = Y j 0 = 0 (the zero space is a complementary space of V inside V ). Suppose 0 ≤ j < m and suppose we have elements w 1 , . . . , w s ∈ V and integers d 1 , . . . , d s , such that the sequence A of (1) is a basis for a complementary space X j+1 of ker f j+1 inside V and the sequence of (2) is a basis of a subspace Y j+1 0 of ker f j+1 with Y j+1 0 ∩ ker f j = {0}. Using part (a) of Lemma 1, we extend the sequence (2) to a basis

B = f d

1

+1 (w 1 ), . . . , f d

s

+1 (w s ), w s+1 , w s+2 , . . . , w t



of a complementary space Y j+1 of ker f j inside ker f j+1 . We set X j = X j+1 + Y j+1 . Then by part (b) of Lemma 1, the space X j is a complementary space of ker f j inside V , which, after reordering the elements of A and B, has a basis

w 1 , f (w 1 ), . . . , f e

1

(w 1 ), w 2 , f (w 2 ), . . . , f e

2

(w 2 ), . . . , w t , f (w t ), . . . , f e

t

(w t ),

1

(2)

where e k = d k + 1 for 1 ≤ k ≤ s and e k = 0 for s < k ≤ t. Note that this is exactly (1), with w 1 , . . . , w s replaced by w 1 , . . . , w t and d 1 , . . . , d s replaced by e 1 , . . . , e t . Suppose j > 0, and set Y j 0 = f (Y j+1 ). The sequence

C = f e

1

+1 (w 1 ), . . . , f e

t

+1 (w t ) 

equals f (B) and therefore generates Y j 0 . We show that the elements in C are linearly inde- pendent. Suppose λ 1 , . . . , λ t ∈ F are such that

(3)

t

X

k=1

λ k f e

k

+1 (w k ) = 0,

and set x = P t

k=1 λ k f e

k

(w k ) ∈ X j . Then (3) says f (x) = 0, so x ∈ X j ∩ ker f ⊂ X j ∩ ker f j = {0}, so x = 0. Since the elements of B are linearly independent, we get λ 1 = · · · = λ k = 0, so the elements of C are also independent. Since Y j+1 is contained in ker f j+1 , its image Y j 0 is contained in ker f j . For any y ∈ Y j 0 ∩ ker f j−1 there is a y 0 ∈ Y j+1 with y = f (y 0 ), which satisfies f j (y 0 ) = f j−1 (y) = 0, which implies y 0 ∈ Y j+1 ∩ ker f j = {0}, so we have y 0 = 0 and hence y = 0. We obtain Y j 0 ∩ ker f j−1 = 0. This finishes the induction argument.

The statement of the theorem follows, as for j = 0, the only complementary space of ker f j = ker id V = {0} is V , so we can take (v 1 , . . . , v n ) to be the sequence (1) associated to

j = 0. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

BETREFT : Ontwerp van koninklijk besluit tot wijziging van het koninklijk besluit van 14 maart 1991 waarbij aan de griffiers van de hoven en de rechtbanken van de Rechterlijke

telefoongesprekken niet kan worden goedgekeurd indien de oproeper daarover geen gedetailleerde informatie gekregen heeft en hij er niet volledig mee akkoord gaat”), dringt de

De ontwerpbesluiten dat ter advies aan de Commissie worden voorgelegd, kaderen in het project van het overdragen van voorschrijvings- en facturatiegegevens inzake de

De Commissie was, in het kader van voormelde adviezen, bovendien van mening dat de vaststelling van de technische middelen die de operatoren van telecommunicatienetwerken en

Men benadrukt dat indien cookies niet alleen door de site waar de particulier zich bevindt, maar ook door een onderneming die via reclame op de site aanwezig is, naar de

In het kader van het beheer van de informatieverwerking overeenkomstig de artikelen 44/1 tot 44/11 van de wet op het politieambt van 5 augustus 1992, zoals gewijzigd door de wet van

Voor de ondernemingen waarop dit laatste koninklijk besluit niet van toepassing is, vult het KB- Sociale Balans de respectievelijke op deze ondernemingen van toepassing

In zijn hoedanigheid van voogdijminister van het Gewestelijk Agentschap voor Netheid vraagt de Minister bij brief van 20 oktober 2000 de Commissie een advies uit te brengen omtrent