!!§!! Вспомогательная страница к разделу ((:algebra2:charpoly ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЙ ПОЛИНОМ)) ==Вещественность собственных чисел симметричной матрицы== !!Т!! **Теорема.** //Собственные числа вещественной ((:algebra2:symmetric симметричной)) матрицы все вещественны//. **Доказательство** I. Пусть $ A $ вещественная симметричная матрица: $ A= A^{^{\top}} $. Если $ \lambda \in \mathbb C $ --- ее собственное число, соответствующее собственному вектору $ {\mathfrak X} =(x_1,\dots,x_n)^{\top} \in \mathbb C^n \ ({\mathfrak X}\ne \mathbb O) $, то $ A{\mathfrak X}=\lambda {\mathfrak X} $. Обозначим $ \overline {\mathfrak X} $ вектор комплексно-сопряженный $ {\mathfrak X} $. Вычислим число $ a=({\overline {\mathfrak X}})^{^{\top}} A {\mathfrak X}\in \mathbb C $ $$a=({\overline{\mathfrak X}})^{^{\top}} A {\mathfrak X} =({\overline {\mathfrak X}})^{^{\top}} \lambda {\mathfrak X} = \lambda ({\overline {\mathfrak X}})^{^{\top}} {\mathfrak X}= \lambda \underbrace{(|x_1|^2+\dots+|x_n|^2)}_{\in \mathbb R}.$$ Если мы теперь докажем, что $ a \in \mathbb R $, то тогда и $ \lambda \in \mathbb R $. Имеем: $$\overline{ a}=(\overline {a})^{^{\top}}=\left( \overline{(\overline {{\mathfrak X}})^{^{\top}} A {\mathfrak X}} \right)^{^{\top}}= \left( {\mathfrak X}^{^{\top}} \overline{ A } \overline{ {\mathfrak X}} \right)^{^{\top}} =(\overline{ {\mathfrak X}})^{^{\top}} A^{^{\top}} {\mathfrak X}=(\overline{ {\mathfrak X}})^{^{\top}} A {\mathfrak X} =a.$$ Но это и означает, что $ a \in \mathbb R $. **Доказательство** II **[Борхардт].** Предыдущее доказательство позволило установить вещественность всех корней характеристического полинома симметричной матрицы косвенным путем. Хотя это доказательство и является достаточно компактным, неплохо было бы уставовить и более непосредственную связь результата теоремы с общими результатами по условиям вещественности всех корней произвольного полинома. Приводимое ниже доказательство основывается на одном из таких результатов, а именно ((:polynomial:zero_local#ганкелевы_матрицы_в_теории_локализации_корней теореме Якоби)). Рассмотрим ((:euclid_space#определения евклидово пространство)) квадратных матриц порядка $ n $ со скалярным произведением, введенным формулой: $$ \langle A, B \rangle = \operatorname{Sp} \left(A \cdot B^{^{\top}} \right) \ , $$ рассмотрим систему матриц $ \left\{E,A,A^2,\dots,A^{n-1} \right\} $. Составим ((:euclid_space#определения матрицу Грама)) этой системы: $$ G(E,A,A^2,\dots,A^{n-1})= \left( \begin{array}{cccc} \langle E,E \rangle & \langle E,A \rangle & \dots & \langle E,\, A^{n-1} \rangle \\ \langle A,E) & \langle A,A \rangle & \dots & \langle A,\, A^{n-1} \rangle \\ \dots & & & \dots \\ \langle A^{n-1},E \rangle & \langle A^{n-1},A \rangle & \dots & \langle A^{n-1},A^{n-1} \rangle \end{array} \right) \ . $$ При симметричной матрице $ A $ любая ее степень также является симметричной матрицей. Тогда $$ \langle A^{j},A^{k} \rangle= \operatorname{Sp} (A^{j+k}) = s_{j+k} , $$ где $ s_{j} $ означает $ j $-ю ((:dets:discrim:waring#суммы_ньютона_и_квадратные_матрицы сумму Ньютона)) характеристического полинома матрицы $ A $. Следовательно, сама матрица Грама $ G(E,A,A^2,\dots,A^{n-1}) $ совпадает с матрицей $$ S= \left( \begin{array}{llll} s_0& s_1 & \dots & s_{n-1} \\ s_1 & s_2 & \dots & s_n \\ \dots & & & \dots \\ s_{n-1} & s_n & \dots & s_{2n-2} \end{array} \right) $$ из теоремы Якоби. По одному из ((dets:gram#линейная_независимость_векторов свойств матрицы Грама)) все главные миноры $ S_j $ построенной матрицы должны быть неотрицательны. Следовательно, по ((polynomial:zero_local#ганкелевы_матрицы_в_теории_локализации_корней теореме Якоби)), все корни характеристического полинома матрицы $ A $. вещественны. ==Источники== Доказательство I хорошо известно и содержится, например в [1.] **Фаддеев Д.К.** //Лекции по алгебре.// М.Наука.1984 Доказательство II взято из [2.] **Серре И.А.** //((:references#серре Курсъ высшей алгебры.))//, cc. 513-518 \\ (разумеется, привожу его в "осовремененном" виде --- матриц Грама там нет и в помине).