Серед лінійних операторів найпростіші є ті, які мають простий спектр.
Теорема 18. Якщо вектори базису
є власними векторами лінійного оператора
, то в базисі
оператор
задається діагональною матрицею. Навпаки, якщо в деякому базисі матриця оператора
є діагональною, то всі вектори цього базису є власними векторами оператора
.
Теорема 19. Для того, щоб в лінійному просторі
лінійний оператор
мав базис із власних векторів, необхідно і достатньо, щоб всі характеристичні числа
оператора
належали основному полю, і щоб кожному числу
відповідало стільки лінійно незалежних власних векторів оператора
, яка алгебраїчна кратність кореня
характеристичного многочленна оператора
.
Для того, щоб матриця
була матрицею простої структури, тобто, щоб вона зводилась до діагонального вигляду, необхідно і достатньо, щоб всі характеристичні корені
матриці
належали основному полю і щоб для кожного кореня
його геометрична кратність
(
- ранг матриці
) співпадала з алгебраїчною кратністю
, тобто з кратністю кореня
характеристичного многочлена
матриці
.
Теорема 20. Якщо лінійний оператор
має простий спектр, то існує базис простору
, в якому цей оператор задається діагональною матрицею.