Stratification theory of matrix pairs under equivalence and contragredient equivalence

Abstract

We develop the theory of perturbations of matrix pencils basing on their miniversal deformations. Several applications of this theory are given. All possible Kronecker pencils that are canonical forms of pencils in an arbitrary small neighbourhood of a given pencil were described by A. Pokrzywa (Linear Algebra Appl., 1986). His proof is very abstract and unconstructive. Even more abstract proof of Pokrzywa’s theorem was given by K. Bongartz (Advances in Mathematics, 1996); he uses the representation theory of finite dimensional algebras. The main purpose of this thesis is to give a direct, constructive, and rather elementary proof of Pokrzywa’s theorem. We first show that it is sufficient to prove Pokrzywa’s theorem only for pencils that are direct sums of at most two indecomposable Kronecker pencils. Then we prove Pokrzywa’s theorem for such pencils. The latter problem is very simplified due to the following observation: it is sufficient to find Kronecker's canonical forms of only those pencils that are obtained by miniversal perturbations of a given pencil. We use miniversal deformations of matrix pencils that are given by M. I. García-Planas and V. V. Sergeichuk (Linear Algebra Appl., 1999) because their deformations have many zero entries unlike the miniversal deformations given by A. Edelman, E. Elmroth, and B. Kagstrom (SIAM J. Matrix Anal. Appl., 1997). Thus, we give not only all possible Kronecker’s canonical forms, but also the corresponding deformations of a given pencil, which is important for applications of this theory. P. Van Dooren (Linear Algebra Appl., 1979) constructed an algorithm for computing all singular summands of Kronecker’s canonical form of a matrix pencil. His algorithm uses only unitary transformations, which improves its numerical stability. We extend Van Dooren’s algorithm both to square complex matrices under consimilarity transformations and to pairs of complex matrices under mixed equivalence. We describe all pairs (A, B) of m-by-n and n-by-m complex matrices for which the product CD is a versal deformation of AB, in which (C, D) is the miniversal deformation of (A, B) under contragredient equivalence given by M. I. García-Planas and V. V. Sergeichuk (Linear Algebra Appl., 1999). We find all canonical matrix pairs (A, B) under contragredient equivalence, for which the first order induced perturbations are nonzero for all nonzero miniversal deformations of (A, B). This problem arises in the theory of differential matrix equations dx= ABx. A complex matrix pencil is called structurally stable if there exists its neighbourhood in which all pencils are strictly equivalent to it. We describe all complex matrix pencils that are structurally stable. We show that there are no pairs of complex matrices that are structurally stable with respect to contragredient equivalence.

Es desenvolupa la teoria de pertorbacions de feixos de matrius a partir de les seves deformacions miniversals. Es donen diverses aplicacions d'aquesta teoria. A. Pokrzywa (Linear Algebra Appl., 1986) va descriure tots els possibles feixos en la seva forma de Kronecker que són formes canòniques dels feixos que es poden trobar en un petit entorn arbitrari d'un feix prèviament determinat. La demostració que presentava és molt abstracta i no constructiva. K. Bongartz (Advances in Mathematics, 1996) va donar una demostració encara més abstracta del teorema de Pokrzywa; utilitzant resultats de la teoria de representació d'àlgebres de dimensió finita. L’objectiu principal de aquesta tesi és presentar una demostració directa, constructiva i bastant elemental del teorema de Pokrzywa. Primer, es demostra que per a provar el teorema de Pokrzywa és suficient provar-lo solament per a feixos que són sumes directes de, com màxim, dos feixos de Kronecker indescomponibles. Per a continuació, provar el teorema de Pokrzywa per aquests feixos. L’últim problema es simplifica molt degut a la següent observació: és suficient per trobar les formes canòniques de Kronecker de només aquells feixox que s’obtenen de deformacions miniversals d’un feix determinat. Utilitzem les deformacions de feixos de matrius obtingudes per MI García-Planas i VV Sergeichuk (Linear Algebra Appl., 1999) perquè les seves deformacions tenen moltes entrades nul·les, a diferència de les deformacions miniversals obtingudes per A. Edelman, E. Elmroth i B. Kagstrom (SIAM J. Matrix Anal. Appl., 1997). Per tant, no solament donem totes les formes canòniques de Kronecker possibles, sinó també les deformacions corresponents a un feix prèviament fixat, la qual cosa és important per a les aplicacions d’aquesta teoria. P. Van Dooren (Linear Algebra Appl., 1979) va construir un algoritme per calcular tots els sumands singulars de la forma canònica de Kronecker, d’un feix de matrius. El seu algoritme utilitza solament transformacions unitàries, el que millora la seva estabilitat numèrica. Estenem l’algoritme de Van Dooren tant a matrius complexes quadrades respecte transformacions de cosimilaritat com a parells de matrius complexes respecte l’equivalència mixta. Descrivim tots els parells (A, B) de matrius complexes m per n i n per m, per les quals el producte CD és una deformació versal de AB, en la que (C, D) és la deformació miniversal de (A, B) respecte l’equivalència contragredient donada per MI García-Planas y VV Sergeichuk (Linear Algebra Appl., 1999). Descrivim tots los pares de matrius canòniques (A, B) respecte l’equivalència contragredient, per les quals les pertorbacions de primer ordre induïdes són diferents de cero para totes les deformacions miniversals no nul·les d¿(A, B). Aquest problema apareix en la teoria de les equacions matricials diferencials dx = ABx. Un feix de matrius complexes es diu estructuralment estable si existeix un entorn en el que tots els feixos són equivalents a ell respecte una relació d’equivalència considerada. Descrivim tots els feixos de matrius complexes que són estructuralment estables respecte la equivalència estricta. Mostrem que no hi ha parelles de matrius complexes que són estructuralment estables respecto l’equivalència contragredient.