Subespacios hiperinvariantes y característicos : una aproximación geométrica
Authors:   , Montoro López Ma. Eulàlia 
Published: October 2023

The aim of this thesis is to study the hyperinvariant and characteristic subspaces of a matrix, or equivalently, of an endomorphism of a finite dimensional vector space. We restrict ourselves to the case of matrices A with an splitting characteristic polynomial, leaving for future work the generalization for any characteristic polynomial. The subspaces A-hyperinvariant and A-characteristic are subclasses of A-invariant subspaces (those containing its image for A), a key concept in the theory of matrices. Specifically, the subspaces A-hiperinvariant are those that are also invariant for all matrices that commute with A, while the A characteristic are required that are only invariant for invertible matrices that commute with A.
Both concepts first appeared in the mid-30s within the context of group theory. But it was not until the 70s that appears a characterization of the A-hiperinvariant subspaces and their lattice was described in the context of matrix theory. In 2009 appears an article of Astuti and Wimmer which shows that A-hyperinvariant and A-caracteristic subspaces are the same except in the field GF(2) . In this case, Shoda theorem gives necessary and sufficient conditions for the existence of characteristic non-hiperinvariant subspaces. But the description of these subspaces was an open problem which is solved in this thesis.
Our first objective, therefore, is to analyze the behavior of the centralizer of a matrix (i.e., the set of matrices commuting with it), we will assume canonical form ( Jordan or Weyr). Specifically, we calculate the determinant of the matrices in the centralizer, which in particular allows to characterize the nonsingular. Furthermore, we determined the images of a given subspace respect to the set of all matrices of these centralizers, a result that will be key for further study of hiperinvariant subspaces.
We begin this study, giving conditions for the existence of one-dimensional hiperinvariant subspaces. More generally, using the results mentioned in the preceding paragraph, characterized the d-dimensional hyperinvariant subspaces associating to it a trivial Weyr partitions, which in turn allows for easy proof for the associated with certain known Segre partitions (call " hipertuplas''). These characterizations will allow us to explicitly the hiperinvariant subspaces of a given dimension, corresponding to hipertuplas with some fixed coefficient, the latter will be used in the last chapter.
In the last part of the thesis, we address to study characteristic non hyperinvariant subspaces, when exist (results of Astuti-Wimmer and Shoda already mentioned). Specifically we give an explicit construction from a type of tuples associated with certain subpartitions of Segre characteristic that call "chartuplas '': to associate each two kinds of subspaces, such that the subspaces are characteristic non-hyperinvariant are precisely direct sums of two of them, one for each class. Finally, from this construction we develop an algorithm to count the number of characteristic non hiperinvariant subspaces.
El objetivo principal de esta tesis es estudiar en profundidad los subespacios hiperinvariantes y característicos de una matriz, o equivalentemente, de un endomorfismo de un espacio vectorial de dimensión finita. Nos restringimos al caso de matrices A con polinomio característico totalmente descomponible, dejando para futuros trabajos la generalización para cualquier polinomio característico. Los subespacios A-hiperinvariantes y A-característicos son subclases de los subespacios A-invariantes (aquellos que contienen su imágen por A), concepto clave en la teoría de matrices. Concretamente, los subespacios A-hiperinvariantes son aquellos que también son invariantes para toda matriz que conmuta con A, mientras que a los A-característicos se les exige sólo que lo sean para las matrices inversibles que conmutan con A. Ambos conceptos aparecen por primera vez a mediados de los años 30 dentro del contexto de la teoría de grupos. Pero no es hasta los años 70 en que se da una caracterización de los subespacios A-hiperinvariantes y se describe su retículo dentro de la teoría de matrices. En el año 2009 aparece un artículo de Astuti y Wimmer donde se demuestra que en el caso de matrices A con polinomio característico totalmente descomponible, los subespacios característicos coinciden con los hiperinvariantes excepto si los coeficientes de A pertenecen a GF(2). En este casos, el Teorema de Shoda da condiciones necesarias y suficientes para la existencia de subespacios característicos no hiperinvariantes. Pero la descripción de este tipo de subespacios era un problema abierto que resolvemos en esta tesis. Nuestro primer objetivo, por tanto, será analizar el comportamiento del centralizador de una matriz, (esto es, el conjunto de matrices que conmutan con ella), que supondremos en forma canónica (de Jordan o de Weyr). Concretamente, calculamos el determinante de las matrices de dichos centralizadores, lo que en particular, permite caracterizar las no singulares. Por otra parte, determinamos las imágenes de un subespacio vectorial dado respecto al conjunto de todas las matrices de dichos centralizadores, resultado que será clave para el posterior estudio de los subespacios hiperinvariantes. Empezaremos dicho estudio, determinando condiciones para la existencia de subespacios hiperinvariantes 1-dimensionales . Más en general, usando los resultados mencionados en el párrafo anterior, caracterizamos los subespacios hiperinvariantes d-dimensionales asociándolos a las particiones triviales de la de Weyr, lo cual a su vez, permite una fácil demostración de la ya conocida asociada a ciertas particiones compatibles con la de Segre (que llamaremos "hipertuplas''). Estas caracterizaciones nos van a permitir contar explícitamente los subespacios hiperinvariantes de una dimensión dada, o los correspondientes a hipertuplas con algunos coeficientes prefijados, los cuales serán utilizados en el último capítulo. En la última parte de la tesis, abordamos el problema abierto de estudiar los subespacios característicos que no son hiperinvariantes, cuando existen (resultados de Astuti-Wimmer y Shoda ya mencionados). Concretamente damos una construcción explícita a partir de un tipo de tuplas asociadas a ciertas subparticiones de la característica de Segre, que llamaremos "chartuplas'': a cada una de ellas asociamos dos clases de subespacios, de forma que los subespacios característicos no hiperinvariantes son precisamente las sumas directas de dos de ellos, uno de cada clase. Finalmente, a partir de esta construcción desarrollamos un algoritmo que permite contar explicitamente el número de subespacios característicos no hiperinvariantes.