Buenas noches!! Necesitaba ayuda con otro ejercicio que dice así:
Clasificar por semejanza todas las matrices A, 5X5 con coeficientes reales y tales que \( (A^2+I)(A-I)=0 \)
No sé si lo que voy a decir a continuación se ajusta o no a lo que te piden, pero ahí lo dejo por si te sirviese.
Si tomas el polinomio \( p(x):=(x^2+1)(x-1) \) entonces el ejercicio te dice que clasifiques todos los operadores lineales en \( \mathbb{R}^5 \) cuyo polinomio mínimo divide a \( p \), es decir, los operadores cuyo polinomio mínimo sea \( p \) o bien sea \( x^2+1 \) o bien sea \( x-1 \).
Ahora bien, sea \( T \) un operador en \( \mathbb{C}^n \), entonces se puede demostrar que si el polinomio mínimo de \( T \) es de la forma \( \prod_{k=1}^\ell (x-\lambda _k)^{r_k} \) para \( \lambda _k\in \mathbb{C} \) distintos entre sí, entonces \( r_k \) es el menor número natural tal que \( (T-\lambda _kI)^{r_k}|_{G(\lambda _k,T)}=0 \), donde \( G(\lambda_k ,T) \) es el espacio de vectores propios generalizados asociados a \( \lambda_k \). Dicho de otro modo: si \( \mathbf{v}\in G(\lambda_k ,T) \) entonces \( r_k\in \mathbb{N} \) es el mínimo natural que asegura que \( (T-\lambda_k I)^{r_k} \mathbf{v}=0 \).
Ahora si complejizas un operador en \( \mathbb{R}^5 \) entonces, en base a lo dicho, puedes caracterizar a ese operador por una descomposición en espacios propios generalizados, dependiendo del polinomio mínimo que elijas. Por ejemplo si tomases por polinomio mínimo \( x^2+1 \) entonces el operador, al ser complejizado, descompone \( \mathbb{C}^5 \) en dos subespacios propios generalizados, es decir que \( \mathbb{C}^5=G(i,T_{\mathbb{C}})\oplus G(-i,T_{\mathbb{C}}) \). Sin embargo, para que \( T \) sea real, es necesario que ambas dimensiones de ambos subespacios sean iguales, y como \( 5 \) no es divisible por \( 2 \) entonces eso nos deja que no existe operador en \( \mathbb{R}^5 \) que tenga como polinomio mínimo a \( x^2+1 \).
Ahora haz el mismo análisis con \( x-1 \) y con \( p(x) \), así caracterizarás todo operador en \( \mathbb{R}^5 \) con esos polinomios mínimos en base a las dimensiones de una descomposición en subespacios invariantes, cada subespacio correspondiente a uno de los factores del polinomio mínimo.
Otra forma de abordar el ejercicio es caracterizar cada familia de operadores semejantes por una matriz de Jordan generalizada, esto es, cuya diagonal está compuesta de bloques de matrices 1x1 (para valores propios del operador) y bloques de 2x2 (lo que corresponderían a valores propios conjugados de la complejización del operador) y cuya diagonal inmediatamente superior tendría un número variable de bloques 1x1 o 2x2 (según estén sobre bloques 1x1 o 2x2 de la diagonal) de matrices identidad (es decir, de bloques 1x1 con un 1 o de bloques 2x2 de la forma \( \left[\begin{smallmatrix}1&0\\0&1\end{smallmatrix}\right] \)). Como la dimensión es baja entonces es fácil de comprobar qué multiplicidades de bloques en la matriz de Jordan generalizadas son compatibles con determinado polinomio mínimo y cuáles no.
Un ejemplo de una de esas matrices de Jordan sería
\( \displaystyle{
\begin{bmatrix}
{\color{red}{0}} &{\color{red}{-1}} & & & \\
{\color{red}{1}}& {\color{red}{0}} & & & \\
& &{\color{red}{0}} &{\color{red}{-1}} & \\
& & {\color{red}{1}} &{\color{red}{0}} & \\
& & & & {\color{blue}{1}}
\end{bmatrix}
} \)
Lo marcado en rojo son dos bloques 2x2 correspondientes a un posible subespacio asociado al factor \( x^2+1 \) en \( p(x) \), en azul un bloque 1x1 correspondiente a un posible subespacio asociado al factor \( x-1 \) de \( p(x) \) (en este ejemplo esta matriz tendría de polinomio mínimo a \( p(x) \)). Tal matriz cumple efectivamente que \( p(A)=0 \). Las otras dos matrices posibles serían con cero bloques rojo y todo bloques en azul (es decir, la matriz identidad) y con un solo bloque rojo y tres bloques azules, y en ningún caso con elementos en la diagonal inmediatamente superior.
Es decir, habría exactamente tres familias diferentes de matrices semejantes que cumplen que \( p(A)=0 \).
En este ejercicio ninguna matriz de Jordan tiene elementos en la diagonal inmediatamente superior, es decir, son todas matrices diagonales de bloques. Eso es porque en nuestros polinomios mínimos posibles todos los \( r_k=1 \). Un valor de \( r_k>1 \) daría lugar a matrices de Jordan con elementos en la diagonal inmediatamente superior.
Para tomar unas matrices de Jordan canónicas tenemos que prescribir un orden de los bloques, como yo he hecho, por ejemplo podemos optar por empezar por bloques 2x2 y luego rellenar con bloques 1x1, y cada bloque 2x2 ordenado de la forma \( \left[\begin{smallmatrix}\alpha &-\omega \\\omega &\alpha \end{smallmatrix}\right] \) para \( \omega >0 \).