Jordan標準型
Jordan 分解
設 \(T\) 是 \(n\) 維空間 \(V\) 上的一個線性變換。如果 \(T\) 的最小多項式為:
那麼由準素分解可知,空間 \(V\) 可以分解為子空間的直和:
其中 \(V_i=N\left({(A-\lambda_i I)}^{r_i}\right)\),式中 \(A\) 為 \(T\) 對應的矩陣,這些子空間都在 \(T\) 作用下不變。
令變換 \(T_i\) 為 \(V\) 在子空間 \(V_i\) 上的射影,即構造多項式 \(u_i(T)\) 使得:
-
\[ T_i=u_i(T)\frac{m_A(T)}{{(T-\lambda_i T_e)}^{r_i}} \]
-
\[ T_1+T_2+\cdots+T_k=T_e \]
式中 \(T_e\) 表示空間 \(V\) 的恆等變換。於是有性質:
- 變換 \(T_i\) 在空間 \(V_i\) 上的限制 \({T_i|}_{V_i}\) 為空間 \(V_i\) 的恆等變換。
- 如果 \(i\) 與 \(j\) 不相等,變換 \(T_i\) 在空間 \(V_j\) 上的限制 \({T_i|}_{V_j}\) 為空間 \(V_j\) 的零變換。
於是變換 \(T_i\) 將空間 \(V\) 的每一個向量 \(\xi\) 映射為它在空間 \(V_i\) 中的分量 \(\xi_i\)。
構造變換:
由於每一個變換 \(T_i\) 都是變換 \(T\) 的一個多項式,所以變換 \(T_D\) 也是變換 \(T\) 的一個多項式,於是每一個子空間 \(V_i\) 在變換 \(T_D\) 下不變。
由上述等式可知,變換 \(T_D\) 在子空間 \(V_i\) 上的限制 \({T_D|}_{V_i}\) 是子空間 \(V_i\) 的一個位似,位似係數為 \(\lambda_i\)。因此,變換 \(T_D\) 可以對角化。
構造:
於是變換 \(T_N\) 也是變換 \(T\) 的一個多項式,所以每一個子空間 \(V_i\) 在變換 \(T_N\) 下不變。對於子空間 \(V_i\) 中的任意向量 \(\xi_i\),有:
令 \(r\) 為全體 \(r_i\) 的最大值,那麼對於空間 \(V\) 中的任意向量 \(\xi\),變換 \(T_N\) 的 \(r\) 次方將向量 \(\xi\) 映射至零向量。因此變換 \(T_N\) 是一個冪零變換。
這樣,空間 \(V\) 的每一個變換 \(T\) 都可以寫成:
其中 \(T_D\) 可以對角化,而 \(T_N\) 是一個冪零變換。因為 \(T_D\) 和 \(T_N\) 都是變換 \(T\) 的多項式,所以它們的乘積可交換:
定理:設 \(T_1\) 和 \(T_2\) 是空間 \(V\) 的兩個可對角化變換,且 \(T_1T_2=T_2T_1\),那麼存在一個基,使得 \(T_1\) 和 \(T_2\) 關於這同一個基的矩陣是對角形式。
定理:設 \(T\) 是 \(n\) 維空間 \(V\) 上的一個線性變換,那麼存在一個可對角化變換 \(T_D\) 和一個冪零變換 \(T_N\),使得:
-
\[ T=T_D+T_N \]
-
\[ T_DT_N=T_NT_D \]
它們都是變換 \(T\) 的多項式,並且它們由變換 \(T\) 唯一確定。
該定理給出關於變換 \(T\) 的分解,稱為 \(T\) 的若爾當(Jordan)分解,\(T_D\) 叫做 \(T\) 的可對角化部分,\(T_N\) 叫做 \(T\) 的冪零部分。
同樣地,有矩陣的 Jordan 分解:
定理:設 \(A\) 是一個 \(n\) 階矩陣,那麼存在一個可對角化矩陣 \(D\) 和一個冪零矩陣 \(N\),使得:
-
\[ A=D+N \]
-
\[ DN=ND \]
它們都是矩陣 \(A\) 的多項式,並且它們由矩陣 \(A\) 唯一確定。
該定理給出關於矩陣 \(A\) 的分解,稱為 \(A\) 的若爾當(Jordan)分解,\(D\) 叫做 \(A\) 的可對角化部分,\(N\) 叫做 \(A\) 的冪零部分。
lambda 矩陣
接下來引入的部分是含有變元參量 \(\lambda\) 的更廣義的矩陣,不僅僅是一個數表。這部分討論相較單純由數構成的矩陣而言,更加廣泛一些。
對於 \(\lambda\) 矩陣,對應空間相應的域,變為含有一個變元 \(\lambda\) 的有理式域。
以 \(\lambda\) 的多項式為元素的矩陣稱為 \(\lambda\) 矩陣,記為 \(A(\lambda)\)。
由於多項式域包含數域,數字矩陣是特殊的 \(\lambda\) 矩陣,數字矩陣 \(A\) 的特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 是一種 \(\lambda\) 矩陣。
lambda 矩陣的初等變換
對於 \(\lambda\) 矩陣,同樣可以定義加減法、乘法、初等變換、秩。對於 \(\lambda\) 方陣,同樣可以定義行列式、餘子式、代數餘子式。
對於 \(\lambda\) 矩陣,初等變換與數陣大多相同,僅將倍加變換改為(這裏以行變換為例):
- 用 \(\lambda\) 的多項式 \(\varphi(\lambda)\) 乘某行並加到另一行上。
注意倍乘變換不進行修改。這是因為倍加變換不改變行列式,而倍乘變換改變行列式。為了保持多項式域的秩的性質,行列式只能在數域上進行改變。
相應的初等矩陣也一併進行修改。
易見三種初等陣的行列式均為非零常數,因此均為滿秩。所以它們左乘或右乘,不改變 \(\lambda\) 矩陣的秩。
若 \(A(\lambda)\) 經過有限次初等變換變為 \(B(\lambda)\),則稱 \(A(\lambda)\) 和 \(B(\lambda)\) 等價。
對於 \(\lambda\) 矩陣,如果等價,則秩相同。反之則不然,這與數字矩陣有區別。
Smith 標準型
定理:設 \(\lambda\) 矩陣的秩是 \(r\),則 \(A(\lambda)\) 一定等價於:
其中:
每一個 \(d_i(\lambda)\) 是一個首 \(1\) 多項式,並且相鄰兩個多項式有整除關係 \(d_i(\lambda)|d_{i+1}(\lambda)\)。
稱此標準型為 Smith 標準型,稱 \(d_i(\lambda)\) 為不變因子。
具體求解 Smith 標準型的辦法是,從左上角到右下角進行消元,每次左上角的元素是右下方剩餘的全體多項式的最大公因式,並藉助左上角的元素將該行該列全部消為 \(0\)。
定理:條件 \(A(\lambda)\) 和 \(B(\lambda)\) 等價,等價於條件 \(A(\lambda)\) 和 \(B(\lambda)\) 擁有完全一樣的不變因子。
初等因子
由代數基本定理,設 \(A(\lambda)\) 的不變因子 \(d_1(\lambda),d_2(\lambda),\cdots,d_m(\lambda)\) 的分解為:
其中 \(\lambda_1,\cdots,\lambda_S\) 互不相同。由於:
因此指數 \(e_{1j},e_{2j},\cdots,e_{mj}\) 遞增,並且最後一項 \(d_m(\lambda)\) 的各項指數均非零。
上式中指數大於零的全部因子,統稱為 \(A(\lambda)\) 的初等因子。
注意,初等因子計重數。如果對於某個 \(j\),指數 \(e_{ij}\) 出現了若干次,則對應的初等因子 \({(\lambda-\lambda_j)}^{e_{ij}}\) 也應當出現相應次數。
之前的定理説明,\(A(\lambda)\) 與 \(B(\lambda)\) 等價,等價於他們兩個擁有完全一致的不變因子。不變因子完全相同,自然初等因子也完全相同,但是反之則不然。事實上有結論:
定理:\(A(\lambda)\) 與 \(B(\lambda)\) 不變因子完全相同,等價於初等因子和秩均完全相同。
於是「初等因子和秩均完全相同」也成為判斷 \(\lambda\) 矩陣等價性的條件。
在初等變換的時候,也可以先將 \(A(\lambda)\) 變換為對角陣,再求出初等因子和秩,再求出不變因子得到標準型。有結論:
定理:設 \(A(\lambda)\) 等價於對角陣:
那麼有 \(f_1(\lambda),f_2(\lambda),\cdots,f_r(\lambda)\) 的全體一次因子的冪 \({(\lambda-\lambda_j)}^{e_{ij}}\),構成 \(A(\lambda)\) 的初等因子。
由初等因子和秩構造不變因子的具體方法為:先將初等因子按照因式分類,排成表格,把同類因式進行降冪排列放到同一行,各類因式的最高次冪放到一列,把列數用 \(1\) 補齊至秩 \(r\),那麼每一列的乘積構成一個不變因子。
在特徵矩陣中的應用
如果 \(A\) 與 \(B\) 是數陣,那麼它們的特徵矩陣是 \(\lambda\) 矩陣。有結論:
定理:條件數陣 \(A\) 與 \(B\) 相似,等價於條件特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 和 \(\lambda I-B\) 等價。
由於特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 只在主對角線含有 \(n\) 個 \(\lambda\),所以秩為 \(n\)。由上述推理,同型的數陣的特徵矩陣的秩始終相等,於是有等價性:
數陣 \(A\) 與 \(B\) 相似,等價於特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 和 \(\lambda I-B\) 有完全相同的初等因子。
對於特徵矩陣 \(\lambda I-A\),初等變換保持等價性,所以不改變秩。
觀察三種初等變換,由於唯一被改寫的倍加變換不改變行列式,事實上三種初等變換僅對行列式的結果多項式改變常數倍,因此不改變行列式的結果多項式的因式分解與次數。
因此特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的行列式為 \(n\) 次多項式,初等變換化為 Smith 標準型後,由於秩為 \(n\),行列式就是主對角線全體不變因子的乘積,也等於全體初等因子的乘積。因此,特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的全體初等因子的次數之和等於 \(n\)。
Jordan 標準型
矩陣
主對角線上的元素都是 \(\lambda\),緊鄰主對角線上方的元素都是 \(1\),其餘位置都是 \(0\),叫做屬於 \(\lambda\) 的一個 Jordan 矩陣,或稱 Jordan 塊。
顯然,冪零 Jordan 矩陣是 Jordan 矩陣的特例,即 \(\lambda\) 為 \(0\) 的情形。
定理:設 \(T\) 是 \(n\) 維空間 \(V\) 的一個變換,\(\lambda_1,\cdots,\lambda_k\) 是 \(T\) 的一切互不相同的特徵值,那麼存在一個基,使得 \(T\) 關於這個基的矩陣有形狀:
其中
其中 \(J_{i1},\cdots,J_{is_i}\) 都是屬於 \(\lambda_i\) 的 Jordan 塊。
這是因為,首先根據最小多項式:
有準素分解:
其中:
式中 \(A\) 為 \(T\) 對應的矩陣。
令變換 \(S_i\) 為 \(T\) 在 \(V_i\) 上的限制 \({T|}_{V_i}\),接下來試圖對每一個 \(S_i\) 進行 Jordan 分解。
記 \(T_e\) 為 \(V\) 上的恆等變換。與前文的 Jordan 分解不同,記 \(T_i\) 為 \(S_i\) 的 Jordan 分解中的冪零部分:
於是 \(T_i\) 為子空間 \(V_i\) 的一個冪零變換,事實上也是 \(T-\lambda_i T_e\) 在 \(V_i\) 上的限制 \({(T-\lambda_i T_e)|}_{V_i}\)。
子空間 \(V_i\) 可以分解為冪零變換 \(T_i\) 循環子空間的直和:
在每一個循環子空間 \(W_{ij}\) 裏,取一個循環基並倒序排列,湊成 \(V_i\) 的一個基,於是 \(T_i\) 關於這個基的矩陣有形狀:
全體 \(N_{ij}\) 均為冪零 Jordan 塊。於是對於 \(V_i\) 上述選取的基,\(S_i\) 對應的矩陣是:
這裏 \(J_{i1},J_{i2},\cdots,J_{is_i}\) 都是屬於 \(\lambda_i\) 的 Jordan 塊。
對於每一個子空間 \(V_i\),按照以上方式選取一個基,湊起來成為 \(V\) 的基,那麼 \(T\) 關於這個基的矩陣即構成定理規定的形式。
形如:
的 \(n\) 階矩陣,其中每一個 \(J_i\) 都是一個 Jordan 塊,叫做一個 Jordan 標準型。
定理:每一個 \(n\) 階矩陣 \(A\) 都與一個 Jordan 標準型相似。除了各個 Jordan 塊排列的次序以外,與 \(A\) 相似的 Jordan 標準型是由 \(A\) 唯一確定的。
注意在上述構造的矩陣 \(B_i\) 中,第一項是一個單位陣的若干倍,自然可以和第二項交換。因此,第一項就是 \(B_i\) 的 Jordan 分解的可對角化部分,第二項就是 \(B_i\) 的 Jordan 分解的冪零部分。
在一個矩陣對應的 Jordan 標準型裏面,主對角線上的元素構成的對角陣是這個矩陣對應的 Jordan 標準型的可對角化部分,把主對角線上的元素換成 \(0\) 就得到這個矩陣對應的 Jordan 標準型的冪零部分。
定理:對於矩陣 \(A\) 的 Jordan 標準型中,每一個 Jordan 塊:
對應於特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的一個初等因子 \({(\lambda-\lambda_i)}^{n_i}\),特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的全體初等因子對應於矩陣 \(A\) 的 Jordan 標準型中的全體 Jordan 塊。
這是因為,矩陣 \(A\) 相似於它的 Jordan 標準型,因此兩者的特徵矩陣也等價,將 Jordan 標準型的特徵矩陣化為 Smith 標準型即可看出。
由這個定理,藉助特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的初等因子,可以寫出矩陣 \(A\) 的 Jordan 標準型。
一個推論是,矩陣 \(A\) 可對角化,等價於特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的初等因子均為一次的。
弗羅貝尼烏斯(Forbenious)定理
上文指出,\(n\) 階特徵矩陣的 Smith 標準形的秩為 \(n\)。
定理:設矩陣 \(A\) 的特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的 Smith 標準形為:
則最後一個不變因子 \(d_n(\lambda)\) 恰好為矩陣 \(A\) 的最小多項式 \(m_A(\lambda)\)。
推論:矩陣 \(A\) 可對角化的等價條件為:
- 最小多項式 \(m_A(\lambda)\) 無重根。
- 特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的不變因子無重根。
- 特徵矩陣 \(\lambda I-A\) 的初等因子均為一次的。
本页面最近更新:,更新历史
发现错误?想一起完善? 在 GitHub 上编辑此页!
本页面贡献者:OI-wiki
本页面的全部内容在 CC BY-SA 4.0 和 SATA 协议之条款下提供,附加条款亦可能应用