+1 Daumen
630 Aufrufe

ich bin dabei gewesen zur der folgenden Matrix die Gültigkeit des charakteristischen Polynoms per vollständiger Induktion zu beweisen. Doch an einer Stelle passiert etwas, was mir irgendwie nicht so recht klar werden will. Doch zunächst mein Beweis.

Behauptung:

Die Matrix $$ A=\begin{pmatrix}0& & \cdots & & 0 &-\alpha_0\\ 1& 0& \cdots & & 0 &-\alpha_1 \\ & 1& \ddots & 0&  &\vdots \\ & & \ddots & & 0 &\vdots \\ &0 &  & & 1 &-\alpha_{n-1}\end{pmatrix} $$

besitzt das charakteristische Polynom

$$ P_A(t)=(-1)^n(t^n+\alpha_{n-1}t^{n-1}+\cdots +\alpha_1t+\alpha_0),\quad \forall n \in \mathbb{N}. $$

Induktionsanfang:

Sei n0=1. Dann ist für $$ A=(-\alpha_0) \ \det(A-t\cdot E)=(-1)^1(t^1-\alpha_0). $$ Damit ist die Aussage für n=1 wahr.

Induktionsschritt:

-Angenommen die Aussage sei für ein beliebiges, aber festes, n∈ℕ wahr, sodass für die n×n Matrix A gilt:

$$ P_A(t)=(-1)^n(t^n+\alpha_{n-1}t^{n-1}+\cdots +\alpha_1 t+\alpha_0)$$.

-Dann gilt diese Aussage auch für die (n+1)x(n+1) Matrix

$$ \tilde{A}=\begin{pmatrix}0& & \cdots & & 0 &-\alpha_0\\ 1& 0& \cdots & & 0 &-\alpha_1 \\ & 1& \ddots & 0&  &\vdots \\ & & \ddots & & 0 &\vdots \\ &0 &  & & 1 &-\alpha_{n}\end{pmatrix} $$mit ihrem charakteristischen Polynom

$$ P_{\tilde{A}}(t)= (-1)^{n+1}(t^{n+1}+\alpha_{n}t^{n}+\alpha_{n-1}t^{n-1}+\cdots +\alpha_1t+\alpha_0) $$

-Dies zeigt man so:

Mittels laplaceschen Entwicklungssatz wird die Determiante der (n+1)x(n+1) Matrix mittels erster Enwicklungszeile bestimmt. Die dabei entstehende zweite Determinante ist 1. Und somit erhält man

$$ \det(\tilde{A}-t\cdot E) =\det\begin{pmatrix}0-t& & \cdots & & 0 &-\alpha_0\\ 1& 0-t& \cdots & & 0 &-\alpha_1 \\ & 1& \ddots & 0&  &\vdots \\ & & \ddots & & 0-t &\vdots \\ &0 &  & & 1 &-\alpha_{n}-t\end{pmatrix}\\=\det\begin{pmatrix}-t& & \cdots & & 0 &-\alpha_0\\ 1& -t& \cdots & & 0 &-\alpha_1 \\ & 1& \ddots & 0&  &\vdots \\ & & \ddots & & -t &\vdots \\ &0 &  & & 1 &-\alpha_{n}-t\end{pmatrix}\\=-t \cdot\det \begin{pmatrix}-t& & \cdots & & 0 &-\alpha_1\\ 1& -t& \cdots & & 0 &-\alpha_2 \\ & 1& \ddots & 0&  &\vdots \\ & & \ddots & & -t &\vdots \\ &0 &  & & 1 &-\alpha_{n}-t\end{pmatrix}+(-1)^{n+1}\cdot\alpha_0\cdot\det \begin{pmatrix}1& -t& \cdots & & 0  \\ & 1& \ddots & -t&  \\ & & \ddots & &-t \\ &0 &  & & 1 \end{pmatrix}\\ \stackrel{(IV)}{=}-t\cdot(-1)^n(t^n+\alpha_{n-1}t^{n-1}+\cdots +\alpha_2 t+\alpha_1)+(-1)^{n+1}\cdot\alpha_0\cdot1\\=(-1)^{n+1}(t^{n+1}+\alpha_{n}t^{n}+\alpha_{n-1}t^{n-1}+\cdots +\alpha_1t+\alpha_0) $$, was zu zeigen war.

Warum muss der Vorfaktor der zweiten Determinante (-1)^{n+1} sein??? Das verstehe ich nicht. Ich konnte nur so den Beweis durchführen, um dann den Induktionsschritt vollbringen zu können, ohne wirklich zu verstehen/ zu wissen warum... Mich würde das sehr brennend interessieren.

Avatar von 14 k

1 Antwort

+1 Daumen

Das ist einfach nur die Formel aus dem Entwicklungssatz

(siehe etwa: https://de.wikipedia.org/wiki/Determinante#Entwicklung_der_Determinante_nach_Spalte_oder_Zeile)

Und weil du nach der 1. Zeile entwickelst ist also der 1. Exponent 1+1=2 und weil (-1)^2 = 1 ist,

steht das gar nicht da.

Beim letzten Summanden (es sind ja n Stück) ist der Exponent dann n+1, und das ist aj 1 oder -1 je nachdem

n gerade oder ungerade ist, deshalb muss man es hinschreiben.

Avatar von 287 k 🚀

Ah, Danke. Jetzt ist es mir klar. :)

Ein anderes Problem?

Stell deine Frage

Willkommen bei der Mathelounge! Stell deine Frage einfach und kostenlos

x
Made by a lovely community