+++ date = '2025-12-29T16:26:09+08:00' draft = false title = '6 – 数院人的一天' tags = ['高等代数'] categories = 'math' description = '高等代数I备考。' slug = '00E' +++ 详见王立中老师于2025年12月11日上午8:00–10:10的高等代数I课堂。 ## 关于“零化矩阵” 给定域$F[x]$,设该域上首项系数为1的多项式:$$ f(x)=x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_0 $$ 设n×n矩阵:$$ \mathbf{A}= \begin{pmatrix} 0&0&\cdots&0&-a_0\\ 1&0&\cdots&0&-a_1\\ 0&1&\cdots&0&-a_2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\ 0&0&\cdots&1&-a_{n-1} \end{pmatrix} $$ 且记$\mathbf{A}^0=\mathbf{E}_{n\times n}$, 设一系列n×1矩阵:(其中$\alpha_i$为从上往下第i个位置为1,其他位置为0的矩阵)$$ \alpha_1=\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix},\cdots,\alpha_i=\begin{pmatrix} 0\\ \vdots\\ 1\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix},\alpha_n=\begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ \vdots\\ 1 \end{pmatrix} $$ 则$\mathbf{A}^0\alpha_1=\alpha_1,\mathbf{A}\alpha_1=\alpha_2,\mathbf{A}^2\alpha_1=\alpha_3,\cdots,\mathbf{A}^{n-1}\alpha_1=\alpha_n$。 而$$\mathbf{A}^n\alpha_1=\begin{pmatrix} -a_0\\ -a_1\\ -a_2\\ \vdots\\ -a_{n-1} \end{pmatrix}$$ 则:$$ \mathbf{A}^n\alpha_1=-a_0\mathbf{A}^0\alpha_1-a_1\mathbf{A}\alpha_1-a_2\mathbf{A}^2\alpha_1-\cdots-a_{n-1}\mathbf{A}^{n-1}\alpha_1\\ \mathbf{A}^n\alpha_1+a_{n-1}\mathbf{A}^{n-1}\alpha_1+\cdots+a_2\mathbf{A}^2\alpha_1+a_1\mathbf{A}\alpha_1+a_0\mathbf{A}^0\alpha_1=0 $$ 也就是$f(\mathbf{A})\alpha_1=0$。 再左乘i个$\mathbf{A}$:$$ \mathbf{A}^if(\mathbf{A})\alpha_1=0 $$ 易知此处可交换: $$ \begin{align*} f(\mathbf{A})\mathbf{A}^i\alpha_1=&0\\ f(\mathbf{A})\alpha_{1+i}=&0 \end{align*} $$ i从0取到n-1:$$ \begin{align*} f(\mathbf{A})\alpha_1&=0\\ f(\mathbf{A})\alpha_2&=0\\ \cdots&=0\\ f(\mathbf{A})\alpha_n&=0\\ \end{align*} $$ 这表明$f(\mathbf{A})=0$。 ## 题目描述 已知$f(x)$是域$F[x]$上的$n$元多项式与一个$n\times n$方阵$\mathbf{A}$,满足$f(\mathbf{A})=0$。 若域$F[x]$上多项式$g(x)$满足$g(\mathbf{A})=0$,证明:$f(x)|g(x)$。 ## 解答 设:$$ g(x)=f(x)h(x)+r(x) $$ 代入$\mathbf{A}$:$$ \begin{align*} g(\mathbf{A})&=f(\mathbf{A})h(\mathbf{A})+r(\mathbf{A})\\ 0&=r(\mathbf{A}) \end{align*} $$ 设$r(x)=b_{n-1}x^{n-1}+\cdots+b_0$, 则$$ r(\mathbf{A})=0=b_{n-1}\mathbf{A}^{n-1}+\cdots+b_0 $$ 同时右乘一个$$\alpha_1=\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix}_{n\times1}$$则得到: $$ \begin{pmatrix} 0\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 0\\ 0\\ \vdots\\ b_{n-1} \end{pmatrix}+\cdots+\begin{pmatrix} b_0\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} b_0\\ b_1\\ \vdots\\ b_{n-1} \end{pmatrix} $$ 也就是$b_{n-1}=\cdots=b_0\Rightarrow r(x)=0$ 则得证。