Jordan標准形


一、引入

  前面已經指出,一切n階矩陣A可以分成許多相似類。今要在與A相似的全體矩陣中,找出一個較簡單的矩陣來作為相似類的標准形。當然以對角矩陣作為標准形最好,可惜不是每一個矩陣都能與對角矩陣相似。因此,急需引入一種較為簡單而且對於一般矩陣都可由相似變換得到。

  當矩陣A能相似於某對角矩陣時,該對角矩陣就是A的一個Jordan形。而當矩陣A不能相似於對角矩陣時,它必然與一個非對角的Jordan形相似。此時的Jordan形J與對角矩陣的差別也只是在主對角線元素的上鄰位有某些元素為1.在這個意義上,Jordan標准型可以說是與A相似的矩陣中最簡單的了。

  Jordan標准型應用廣泛。如果能夠得到一個線性變換或者線性變換矩陣,那么我們可以迅速地得到線性微分方程組特征多項式等。

二、定義

  設T是復數域C上的線性空間Vn的線性變換,任取Vn上一個基,T在該基下的矩陣是A,T(或A)的特征多項式可分解因式為

  φ(λ)=(λ-λ1)m1(λ-λ2)m2...(λ-λt)mt

  m1+m2+...+mt=n

  則Vn可分解成不變子空間的直和

  Vn=N1直和N2直和...Nt

  其中Nt=(x|(T-λiTi)mi=0,x屬於Vn)是線性變換T-λiTi的核子空間。(有點看不清)

  舉個例子:

  特征多項式為φ(λ)=(λ+1)2(λ-5)

  則Jordan標准型為

    -1 1                  或                     5

      -1                                        -1     1                                      

        5                                           -1

三、簡單的結論

(1)對於給定的矩陣A,在不計各Jordan塊排列次序的意義下,A的Jordan標准型是唯一的。

(2)方陣A的Jordan標准型J是上三角矩陣,其主對角線上元素恰好是A的全部特征值。

(3)對角矩陣本社是Jordan形,它的每個對角元都是一個一階的Jordan塊。

四、定理

(1)兩個同階方陣相似的充要條件是它們的Jordan形一致。(忽略排序因素)

(2)矩陣A能與對角矩陣相似的充要條件是它的初等因子全為一次式。

(3)如果n階矩陣A的全部特征值為λ1,λ2...λn,則矩陣Am的全部特征值恰是λ1m,λ2m...λnm。(這里,λ1,λ2...λn可以相同)

(4)設n階矩陣A的全部特征值為λ1,λ2...λn,則對於任意多項式f(λ),矩陣A的全部特征值為f(λ1),f(λ2),...,f(λn)

注意:

  最后需要指出,在許多實際問題中,復數往往沒有多大意義,因此,需要在實數域R上來求標准型。

參考文獻

《矩陣論》 程雲鵬


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