Charakteristický polynom čtvercové matice řádu je , kde značí determinant, je skalárníproměnná z příslušného okruhu a je jednotková matice řádu . Každý prvek matice je buď konstantní nebo lineární v , a proto je determinant monickýpolynom stupně v proměnné a lze jej zapsat výrazem . Záměna skalární proměnné za matici dává analogický maticový mnohočlen . (Zde je daná matice a nikoli proměnná, na rozdíl od , a tudíž je spíše maticová konstanta než funkce.) Cayleyho−Hamiltonova věta uvádí, že tento polynomický výraz je roven nulové matici, což lze formálně zapsat jako: .
Cayleyho−Hamiltonova věta mimo jiné umožňuje vyjádřit jako lineární kombinaci nižších mocnin matice , konkrétně . V případě těles Cayleyho−Hamiltonova znamená, že charakteristický polynom matice je dělitelný jejím minimálním polynomem.
Za zobecnění Cayleyho−Hamiltonovy věty lze pokládat Nakajamovo lemma.
Cayleyho−Hamiltonova věta poskytuje vztah mezi mocninami (ačkoli ne vždy ten nejjednodušší), což umožňuje zjednodušit výrazy obsahující vyšší mocniny a vyhodnotit je, aniž by bylo nutné počítat nebo jakoukoli vyšší mocninu .
Například pro
platí podle věty .
Pro výpočet lze v důsledku věty využít vztahy:
Podobně lze počítat i inverzní matici a její mocniny:
Ve všech uvedených případech bylo možné zapsat mocninu matice jako součet dvou členů. Ve skutečnosti lze libovolnou mocninu čtvercové matice řádu zapsat jako maticový polynom stupně nejvýše . Jinými slovy, dimenze prostoru generovaného mocninami čtvercové matice je shora omezena jejím řádem.
Je-li dána analytická funkce a matice řádu s charakteristickým polynomem , a pokud lze funkci vyjádřit pomocí dlouhého dělení jako , kde je podílový polynom a je zbytkový polynom takový stupně nejvýše , potom podle Cayleyho−Hamiltonovy věty, nahrazení maticí dává , takže v důsledku platí: . Maticovou analytickou funkci lze za uvedených předpokladů tudíž vyjádřit jako maticový polynom stupně nejvýše .
Cayleyho−Hamiltonova věta je efektivním nástrojem pro výpočet minimálního polynomu algebraických čísel. Například pro konečné rozšíření tělesa a algebraické číslo , což je nenulová lineární kombinace , lze spočítat minimální polynom pomocí matice reprezentující lineární zobrazení na dané předpisem:
Minimální polynom lze odvodit použitím Cayleyho−Hamiltonovy věty pro matici .
Vlastní ověření platnosti Cayleyho−Hamiltonovy věty pro konkrétní matici řádu vyžaduje dva kroky: Nejprve je třeba určit koeficienty charakteristického polynomu v proměnné coby rozvoj determinantu:
Poté se tyto koeficienty použijí v lineární kombinaci mocnin matice a ukáže se, že tato lineární kombinace je rovna nulové matici:
.
Levou stranu této rovnosti lze vyjádřit jako matici řádu , jejíž prvky jsou složité mnohočleny z prvků dané matice . Cayleyho−Hamiltonova věta tvrdí, že každý z těchto výrazů je roven . Pro každou pevnou hodnotu lze tyto identity získat zdlouhavými, ale přímočarými algebraickými úpravami, jak bylo například předvedeno výše pro matice řádu 2. Tyto výpočty však nemohou ukázat, proč by Cayleyho−Hamiltonova věta měla platit pro matice libovolných řádů , a proto je zapotřebí odvodit jednotný obecný důkaz pro všechna možná .
Obecné důkazy často využívají matici adjungovanou k matici a její vlastnost:
Uvedené vztahy vyplývají z úprav algebraických výrazů a platí pro matice s prvky i z libovolného komutativního okruhu. Jmenovitě platí nejen pro číselné matice, ale i pro matice, jejíž prvky tvoří polynomy, a právě tato vlastnost bude v důkazu využita.
Determinant matice je charakteristický polynom matice . Matice daná výrazem:
má za prvky polynomy v proměnné . Protože polynomy tvoří komutativní okruh, lze dosazením za do výše uvedeného vztahu pro adjungovanou matici odvodit rovnost:
Polynomy, které se vyskytují jako prvky matice lze rozložit na monomy a jejich koeficienty roztřídit do již číselných matic tak, že matice obsahuje koeficienty u . Takto zvolené matice splňují:
Levou strana rovnosti lze algebraicky upravit na následující maticový mnohočlen v proměnné :
Podobně pravá strana dává maticový polynom:
Rovnost obou stran platí, právě když se shodují všechny dvojice polynomů na stejných pozicích v maticích na obou stranách. Tudíž se na obou stranách musejí shodovat i matice u libovolné mocniny . Jednotlivým mocninám od do 0, odpovídají rovnosti:
Vynásobení těchto rovností zleva příslušnou mocninou matice (čili první je vynásobena zleva a podobně ostatní rovnosti odpovídající jsou zleva vynásobeny ) a sečtení všech těchto rovnic do jedné dává:
Po rozepsání součtu se po sobě jdoucí dvojice členů na levé straně se navzájem odečtou, zatímco pravá strana odpovídá dosazení matice do svého charakteristického mnohočlenu . Z uvedeného vyplývá vztah: čímž je důkaz Cayleyho-Hamiltonovy věty dokončen.
Hamilton dokázal speciální případ věty v roce 1853[1] v termínech inverzí lineárních funkcí kvaternionů,[2][3][4] což odpovídá speciálnímu případu reálných matic řádu, resp. komplexních matic řádu 2. Cayley v roce 1858 uvedl výsledek pro matice řádu nejvýše 3, ale důkaz publikoval pouze pro řád 2.[5] Pokud jde o matice řádu Cayley uvedl: "..., nepovažoval jsem za nutné pustit se do práce s formálním důkazem věty v obecném případě matice libovolného stupně".[pozn. 1] Obecný případ poprvé dokázal Ferdinand Frobenius v roce 1878.[6]
↑HAMILTON, William Rowan. On a New and General Method of Inverting a Linear and Quaternion Function of a Quaternion. Proceedings of the Royal Irish Academy. 1864, s. 182-183. (communicated on June 9, 1862)
↑HAMILTON, William Rowan. On the Existence of a Symbolic and Biquadratic Equation, which is satisfied by the Symbol of Linear Operation in Quaternions. Proceedings of the Royal Irish Academy. 1864, s. 190-101. (communicated on June 23, 1862)
↑CAYLEY, Arthur; FORSYTH, Andrew Russell. The collected mathematical papers of Arthur Cayley. Svazek 2. Cambridge: University Press, 1889. 634 s. Dostupné online.
↑FROBENIUS, G. Ueber lineare Substitutionen und bilineare Formen.. Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1877, roč. 84, s. 1–63. Dostupné online [cit. 2024-04-23]. ISSN0075-4102.