线性变换的特征值与特征向量 线性变换的特征值与特征向量 本节内容参见蓝以中 特征值与特征向量的计算法 设 V 是数域 K 上的 n 维线性空间,A 是 V 内一个线性变换 我们需要解决下面两个问题 : 决定 K 内所有 A 的特征值 λ 对于属于特征值 λ 的特征子空间 V λ, 找出它的一组基 我

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1 线性空间 基 维数和坐标 3 子空间 4 线性空间的同构 5 线性映射 6 线性映射的像与核 7 线性变换 8 不变子空间 厦门大学数学科学学院网址 :gdjpkc.xmu.edu.c; IP://

试卷

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1989-2004数学三、四考研试题(线性代数部分3)

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复习 : 线性变换与矩阵 _1 设 V 是数域 K 上 n 维向量空间, ξ1, ξ2... ξ n 是 V 的一组基, 则存在线性空间同构 1 η : V K n a 1 n a 2 α = a iξ i i = 1 a n 线性空间同构保持线性关系, 保持直和分解.

6.3 正定二次型

目 录 引言 可交换的线性变换的相关习题及结论 可交换的线性变换的一些讨论 参考文献

2003年

习题一

x x x x y i j x x x x4 y x x x x4 y ( )( )( )( ) ( j i ) D = x x x x y = y x y x y x y x Π x x () 4 而 D = A5 + ya5 + y A5 + y A45 + y

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式与重根的联系, 掌握复系数与实系数的标准分解式 3. 教学重点和难点教学重点是两个多项式作为形式多项式相等和作为多项式函数相等的定义及两者的等价 ; 最大公因式和互素, 因式分解定理和标准分解式, 有理数域上的多项式 教学难点是多项式代数和多项式函数两个不同角度研究多项式的方法和联系, 最大公因式

四 教学内容及安排 第 1 章 行列式 了解行列式的定义和性质, 掌握 2 3 阶行列式的计算, 会计算较简单的 n 阶 行列式, 掌握 Cramer 法则 章节数 授课 实验 上机 讨论 作业 自学 综合 大作业 第 2 章 矩阵 理解矩阵的概念, 掌握矩阵的运

首届中国大学生数学竞赛赛区赛试卷解答 ( 数学类,2009) 考试形式 : 闭卷考试时间 : 120 分钟满分 : 100 分. 题号一二三四五六七总分 专业 : 线满分 得分 注意 :1 所有答题都须写在此试卷纸密封线右边, 写在其它纸上一律无效.

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n 维实向量空间 R n 3 维欧 空间 R 3 n 维欧 空间 R n 线性空间 前 我们建 了 n 维实向量空间 R n 的概念, 但它还不是三维欧 空间的推, 因为它还缺少向量的长度 夹 垂直等 何概念 ( 何建立的早期目的就是讨论长度 夹角等度量性质 ) 长度 夹 这 个概念都可以由内积导出

Remark:随机变量不只离散和连续两种类型

矩阵函数

课程教学大纲 (course syllabus) practice link in the reform since 2000, this changes the traditional study mode and make the teaching method becomes vivid an

AU = U λ c 2 c 3 c n C C n,, n U 2 U2 C U 2 = B = b 22 b 23 b 2n b 33 b 3n b nn U = U ( U 2, U AU = = = ( ( U 2 U 2 U AU ( U2 λ λ d 2 d 3 d n b 22 b 2

第一章 线性代数基础

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高等代数中的一些问题 博士家园 xida 1 简单一些的问题 问题 1. 设 f (x 1,..., x n ) 是一个实系数的 n 个变元的多项式, 如果 f 在 n 中的某个开球上的值为零, 求证 f 是零多项式. 证明 : 通过适当的仿射变换可以不妨假设这个开球就是单位球. 把 f 中次数为


2/63 1 非负矩阵 1.1 非负矩阵基本性质 1.2 正矩阵 1.3 非负矩阵的更多性质

cos si A ; A si cos 解 由于对任意点 有 y y y y 确定的变换将任意一个点 变成它关于 轴对称 的点 见图.. 图.. 由于对任意点 有 y y y = y y 确定的变换将任意一个点 变成它关于直线 y 对称的点 见图.. 图.. 由于对任意点 有 y y y y 确定的

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精勤求学自强不息 Bor to w! (4) 设函数 s k l( ) 收敛, 则 k ( ) (A) (B) (C)- (D)- 答案 C k s k l( ) o( ) k o( ) 6 k ( k) o( ) 6 因为原级数收敛, 所以 k k. 选 C. (5) 设 是 维单位列向量, E

学习指导(四):欧氏空间

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新东方在线 [ ] 考研数学网络课堂电子教材系列 第一讲 行列式 考试内容 行列式按行 ( 列 ) 展开定理 考试要求. 了解行列式的概念, 掌握行列式的性质.. 会应用行列式的性质和行列式按行 ( 列 ) 展开定理计算行列式. 基本概念 公式与方法精讲 一 行列式的概念

슬라이드 1

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( ) Wuhan University

第三章矩阵的

4 A C n n, AA = A A, A,,, Hermite, Hermite,, A, A A, A, A 4 (, 4,, A A, ( A C n n, A A n, 4 A = (a ij n n, λ, λ,, λ n A n n ( (Schur λ i n

扩充矩阵 给定矩阵 A 和向量 b a 11 a 12 a 13 b 1 A = a 21 a 22 a 23 b = b 2 a 31 a 32 a 33 b 3 定义扩充矩阵 ( A b ) = a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 b 1 b

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1 线性空间 1.1 线性空间的定义及例子概念的源起 向量在加法运算 数乘运算所满足的运算规律, 例如 加法交换律 : x + y = y + x, 加法结合律 : (x + y) + z = x + (y + z), 数乘分配律 : (λ + µ)x = λx + µx; 矩阵 多项式 连续函数等


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第二节 向量组的线性相关性

行列式 2 零, 为什么消元法解方程时有的方程会被消掉. 最大无关组的概念才真正解释了, 为什么消元法解方程组时保留下来的方程个数是稳定不变的. 既然中心的议题是解方程组, 那么关于线性方程组解的理论要非常清楚, 比如 n r 的含义, 有解 无解的充要条件. 0.2 要点 TOP 0 下面的要点列

一 根据所给图表,回答下列问题。

第一章三角函数 1.3 三角函数的诱导公式 A 组 ( ) 一 选择题 : 共 6 小题 1 ( 易诱导公式 ) 若 A B C 分别为 ABC 的内角, 则下列关系中正确的是 A. sin( A B) sin C C. tan( A B) tan C 2 ( 中诱导公式 ) ( ) B. cos(

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标题

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2019 考研数学三考试真题及答案详解 来源 : 文都教育 一 选择题 :1~8 小题, 每小题 4 分, 共 32 分, 下列每题给出的四个选项中, 只有一个选项是符合题目要 求的. k 1. 当 x 0 时, 若 x - tan x 与 x 是同阶无穷小, 则 k = A. 1. B. 2. C

高等数学A

正整数 p, 都有 p 成立. 5. 正项级数收敛判定 设级数, 若 0(,, ), 则称 为正项级数. 正项级数收敛的充分必要条件是它的部分和所成的数列有界. () 比较法 设 和 v 均为正项级数, 且 v (,, ), 如果级数 v 收敛, 则级数 也收敛 ; 如果级数 发散, 则级数 v 也

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論鄭玄對《禮記‧月令》的考辨

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第三章自考线性代数精讲

(5) 级数收敛的必要条件 : 若级数 v 收敛, 则 lm v 0 4 柯西收敛原理 级数 收敛的充分必要条件为 : 对于任意给定的正数, 总存在正整数 N, 使得当 N 时, 对于任意的 正整数 p, 都有 p 成立 5 正项级数收敛判定 设级数, 若 0(,, ), 则称 为正项级数 正项级数

7. 下列矩阵中, 与矩阵 相似的为. A.. C.. B.. D. 8. 设 AB, 为 n 阶矩阵, 记 rx ( ) 为矩阵 X 的秩,( XY?) 表示分块矩阵, 则 A. r( A? AB) r( A). B. r( A? BA) r( A). C. r A B r A r B (? )

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第 5 期 方彩云 : 涉及极点重数的亚纯函数的唯一性 17 H.X.Yi [3~5],P.Li,C.C.Yang [6],G.Frank 和 M.Reinders [7] 讨论了亚纯函数的情况, 证明了 定理 B 存在一个集合 S,#S=11, 对于任意一对非常数亚纯函数 f 与 g, 如果满足条

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2014 年全国硕士研究生入学统一考试 数学三试题 一 选择题 :1~8 小题, 每小题 4 分, 共 32 分, 下列每小题给出的四个选项中, 只有一项符合题目要求 的, 请将所选项前的字母填在答题纸... 指定位置上. (1) 设 lim a = a, 且 a 0, 则当 n 充分大时有 ( )

数学分析(I)短课程 [Part 2] 4mm 自然数、整数和有理数

求出所有的正整数 n 使得 20n + 2 能整除 2003n n 20n n n 20n n 求所有的正整数对 (x, y), 满足 x y = y x y (x, y) x y = y x y. (x, y) x y =

找研讯, 找资料, 找辅导, 就上 聚创考研网, 微信电话咨询 : 一 函数 极限 连续 2020 考研数学二考试大纲原文内容 考试内容 函数的概念及表示法 函数的有界性 单调性 周期性和奇偶性复合函数 反函数 分段 函数和隐函数基本初等函数的性质及其图形初等函数函数关系的建立

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(8) 设 A = ( α α α α) 是 阶矩阵 A 为 A 的伴随矩阵 若 ( ) T 是方程组 A = 的一个基础解系 则 A= 的基础解系可为 ( ) (A) α α (B) α α (C) α α α (D) α α α 二 填空题 (9~ 小题 每小题 分 共 分 请将答案写在答题纸

2019 考研数学一考试真题及答案详解来源 : 文都教育一 选择题 :1~8 小题, 每小题 4 分, 共 32 分 下列每题给出的四个选项中, 只有一个选项是符合题目要求的. k 1. 当 x 0 时, 若 x tan x 与 x 是同阶无穷小, 则 k = A.1. B.2. C.3. D.4.

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平面曲线的切线和法线 ; 导数和微分的四则运算 ; 基本初等函数的导数 ; 复合函数 反函数 隐函数以及参数方程所确定的函数的微分法 ; 高阶导数 ; 相关变化率 ; 洛必达 (L'Hospital) 法则 ; 函数单调性的判别 ; 函数的极值与最值 ; 函数图形的凹凸性 拐点及渐近线 ; 函数图形

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精勤求学自强不息 Bor to w! (A) t (B) 5 t (C) t 5 (D) t 5 答案 B 从 到 t 这段时间内甲乙的位移分别为 t v (t) v (t) dt, 当 5 t 时满足, 故选 C. t t v (t) dt, v (t) dt, 则乙要追上甲, 则 (5) 设 是

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Chapter3

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目录 2. 高斯消去法 2.. 顺序消去法 2..2 列主元消去法 2..3 全主元消去法 2..4 选主元消去法的应用 三角形方程组和三角分解 2.2. 三角方程组的解法 Gauss 变换 Doolittle 分解 选主元三角分解 平方根

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Transcription:

矩阵对角化和 标准形 曾焰 版本, 最后修改于 摘要 蓝以中 关于矩阵对角化和 标准形的相关内容的摘要笔记 目录 线性变换的特征值与特征向量 特征值与特征向量的计算法 具有对角形矩阵的线性变换 不变子空间 实对称矩阵的对角化 矩阵的 标准形 幂零线性变换的 标准形 一般线性变换的 标准形 最小多项式

线性变换的特征值与特征向量 线性变换的特征值与特征向量 本节内容参见蓝以中 特征值与特征向量的计算法 设 V 是数域 K 上的 n 维线性空间,A 是 V 内一个线性变换 我们需要解决下面两个问题 : 决定 K 内所有 A 的特征值 λ 对于属于特征值 λ 的特征子空间 V λ, 找出它的一组基 我们把计算线性变换 A 的特征值和特征向量的步骤归纳如下 : 在 V 中给定一组基 ε 1 ε 2 ε n, 求 A 在这组基下的矩阵 A 计算特征多项式 f(λ) = λe A 求 f(λ) = 0 的属于数域 K 的那些根 λ 1, λ 2,, λ s. 对每个 λ i (i = 1, 2,, s) 求齐次线性方程组 (λ i E A)X = 0 的一个基础解系 ( 例如可用矩阵消元法 ) 这个齐次线性方程组具体写出来就是 λ i a 11 a 12 a 1n x 1 a 21 λ i a 22 a 2n x 2 = 0. a n1 a n2 λ i a nn 其中的 λ i 是在步骤 中求出的, 是已知数, 不是未知量 以步骤 中求出的基础解系为坐标写出 V 中一个向量组, 它就是 A 的属于特征值 λ i 的特征子空间 V λi 的一组基 值得注意的是, 两个 n 阶方阵 A,B 乘积一般不可交换 :AB BA, 但我们可以证明它们的特征多项式却是一样 实际上, 我们可以得到更一般的结果 命题 设 A 是数域 K 上 n m 矩阵,B 是 K 上 m n 矩阵, 则 λ m λe n AB = λ n λe m BA 特别地, 当 m = n 时 λe AB = λe BA 证明 借助于分块矩阵运算的技巧 x n

实对称矩阵的对角化 具有对角形矩阵的线性变换 定理 数域 K 上 n 维线性空间 V 内一个线性变换 A 的矩阵可对角化的充分必要条件是,A 有 n 个线性无关的特征向量 证明 根据定义即可得证, 且易见用这 n 个线性无关的特征向量的坐标做列向量的矩阵就是对角化 A 的矩阵 命题 线性变换 A 的属于不同特征值的特征向量线性无关 证明 可用数学归纳法得证 定理 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 的线性变换,λ 1 λ 2 λ k 是 A 的全部互不相同的特征值 则 A 的矩阵可对角化的充分必要条件是 V = V λ1 Vλ2 Vλk 在 A 的矩阵可对角化的情况下, 在每个 V λi 的矩阵为对角矩阵 中任取一组基, 合并后即为 V 的一组基, 在该组基下 A 注 这是用空间分解的语言对定理 的另一种表述 k 注 因为 V = V λ1 Vλ2 Vλk 的充分必要条件是 V λi 否得到满足可通过计算特征值和特征子空间的一组基立刻得到解决 i=1 = V, 所以定理 的条件是 不变子空间 命题 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个线性变换 在 V 内存在一组基 ε 1 ε n, 使 A 在这组基下的矩阵成准对角形的充分必要条件是,V 可以分解成 A 的不变子空间 M 1 M 2 M s 的直和 V = M 1 M2 Ms 命题 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个线性变换 如果 A 的矩阵可对角化, 则对 A 的任意不变子空间 M A M 的矩阵也可对角化 证明 考虑证明 V = M V λ1 ) (M V λ2 ) (M V λk ) 实对称矩阵的对角化 本节内容参见蓝以中 命题 实对称矩阵 A 的特征多项式在复数域内的根都是实数 证明 设 λ 是 A 的特征多项式在复数域内的一个根, 并设 x C n \ {0} 满足 Ax = λx 通过取共轭转置, 我们有 x Ax = x λx = λ x 2

实对称矩阵的对角化 及 x Ā x = λ x x = λ x 2 比较两式并由 Ā = A 及 x = 0 我们可推知 λ = λ 推论 欧氏空间 V 内任一对称变换 A 至少有一个特征值 注 从定理 的证明来看, 这一推论是实对称矩阵能够对角化的直接原因 但更高的观点可以揭示定理 成立的本质原因 根据谱分解定理 ( 可参见 或蓝以中 ), 给定复数域上的一个 n n 方阵 A,C n 中的每一个向量都可分解成 A 的特征值和广义特征值的和 换言之, C n 可分解为 A 的特征子空间和广义特征子空间的直和 : C n = N d1 (λ 1 ) N dk (λ k ) 这里的 N d (λ) = [(λi A) d ] 并且 d i i = 1,, k 是使得 N d (λ i ) = N d+1 (λ i ) 的最小正整数, 称作特征值 λ 的指标 ( 易证对于有限维线性空间而言, 特征值的指标总是存在的, 且 N di = N di +1 = N di+2 = ) 从谱分解定理这一 高观点 来看, 关键性的问题就变成 : 为什么对于对称变换这个特例,d i = 1 i = 1,, k? 事实上, 假定存在某个 d i > 1, 则对于任何 x N 2 (λ i ) \ N 1 (λ i ), 我们有 (λ i I A)x 0, (λ i I A) 2 x = 0 但后一条件意味着 ((λ i I A)x, (λ i I A)x) = ((λ i I A) 2 x, x) = 0, 也即 (λ i I A)x = 0, 矛盾 此观察即直接说明了对称变换是如何迫使特征值的指标为 的 命题 设 A 是欧氏空间 V 内的一个对称变换, 则 A 的对应于不同特征值的特征向量互相正交 定理 设 A 是 n 维欧氏空间 V 内的一个对称变换, 则在 V 内存在一组标准正交基, 使 A 在此组基下的矩阵成对角形 证明 对 V 的维数 n 作数学归纳法 设 λ 1 是 A 的一个特征值,η 1 是对应于 λ 1 的单位特征向量 : Aη 1 = λ 1 η 1 (η 1, η 1 ) = 1. 由 η 1 生成的线性空间 M = L(η 1 ) 是 A 的一维不变子空间 易见 M 的正交补 M 是 A 的 n 1 维不变子空间, 且 A M 仍为对称变换 按归纳假设, 在 M 内存在一组标准正交基 η 2 η n, 使 Aη i = λ i η i (i = 1, 2,, n). 易知 η 1 η 2 η n 为 V 的一组标准正交基, 使得 A 在此组基下的矩阵成对角形 注 正如注 所述, 数学归纳法的运用掩盖了 A 的矩阵能够对角化的本质原因 : 对称变换的特征值的指标必然为 推论 设 A 是一个 n 阶实对称矩阵, 则存在 n 阶正交矩阵 T, 使 T 1 AT = T AT = D 为对角矩阵

矩阵的 标准形 用正交矩阵化实对称矩阵成对角形的算法 给定 n 阶实对称矩阵 A, 我们已知存在 n 阶正交矩 阵 T, 使 T 1 AT = T AT = D 成对角形 ( 推论 ) 设 A 的特征多项式的全部互不相同的根是 λ 1 λ 2 λ k, 它们是 A 的全部特征值 ( 根据命题, 它们都是实数 ) 由定理,A 可对角化说明 R n = V λ1 Vλ2 Vλk 再由命题,V λi 与 V λj (i j) 的向量互相正交 因此, 只要在每个 V λi 中取一组标准正交基 ( 全由特 征值为 λ i 的特征向量组成 ), 合并后为 R n 内 n 个两两正交的单位向量组, 即为 R n 的一组标准正交 i {}}{基, 在此基下 A 的矩阵成对角形 D, 而 T 即为从 ε 1 ε 2 ε n ε i = (0,, 0, 1, 0,, 0) T 到此 组基的过渡矩阵,T 的列向量即为此组基在 ε 1 ε 2 ε n 下的坐标 根据这些分析, 我们把 T 和 D 的具体计算方法归纳为以下几个步骤 : 计算特征多项式 f(λ) = λi A, 并求出它的全部根 ( 两两不同者 )λ 1,λ 2,,λ k 对每个 λ i, 求齐次线性方程组 (λ i I A)X = 0 的一个基础解系 X i1,x i2,,x iti, 它们即 为解空间 M λi 的一组基 在欧氏空间 R n 内将 X i1 X i2 X iti 正交化 : Y i1 = X i1, Y i2 = X i2 (X i2, Y i1 ) (Y i1, Y i1 ) Y i1, Y i3 = X i3 (X i3, Y i1 ) (Y i1, Y i1 ) Y i1 (X i3, Y i2 ) (Y i2, Y i2 ) Y i2, 再把所得的 Y i1 Y i2 Y iti 在 R n 内单位化, 得 V λi 的一组标准正交基 Z i1 Z i2 Z iti 所寻求的 正交矩阵 T 应为 ε 1 ε 2 ε n 到 R n 的标准正交基 Z 11, Z 12,, Z 1t1, Z 21, Z 22,, Z 2t2,, Z k1, Z k2,, Z ktk 的过渡矩阵 : (Z 11, Z 12,, Z 1t1, Z 21, Z 22,, Z 2t2,, Z k1, Z k2,, Z ktk ) = (ε 1, ε 2,, ε n )T = T 所以只要把上述向量 ( 写成竖列形式 ) 作为列向量依次排列, 即得正交矩阵 T, 而此时相应的对角矩 阵 D 应为 t 1 {}}{{}}{{}}{ D = { λ 1,, λ 1, λ 2,, λ 2,, λ k,, λ k } t 2 t k 矩阵的 标准形 本节内容参见蓝以中

矩阵的 标准形 幂零线性变换的 标准形 根据谱分解定理, C n = N d1 (λ 1 ) N d2 (λ 2 ) N dk (λ k ) 这里的 N d (λ) = [(λi A) d ] 并且 d i i = 1,, k 是使得 N d (λ i ) = N d+1 (λ i ) 的最小正整数 从此结果出发, 一个自然而然的想法是研究幂零线性变换的最简单的矩阵表示 命题 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个幂零线性变换, 则 A 的特征多项式为 f(λ) = λ n, 从而 A 有唯一的特征值 λ 0 = 0 给定一个幂零线性变换 A, 取 V 中任意非零向量 α, 则存在最小正整数 k, 使得 A k 1 α 0, 但 A k α = 0 易证向量组 α Aα A k 1 α 线性无关 由此向量组张成的线性空间 I(α) = L(α, Aα,, A k 1 α) 称作由 α 生成的 A 的循环不变子空间 在 I(α) 的基 A k 1 α A k 2 α Aα α( 这组基称作循环基 ) 下,A I(α) 的矩阵为 A(A k 1 α, A k 2 α,, Aα, α) = (A k α, A k 1 α,, A 2 α, Aα) = (A k 1 α, A k 2 α,, Aα, α)j 这里 J = 0 1 0 1 0 反过来说, 如果 M 是 A 的一个不变子空间, 且 M 内存在一组基使得 A M 在此组基下的矩阵为 J, 则存在 α 使得 M = I(α) 由于 V 的维数有限, 上述制造 A 的 互不相同 的循环不变子空间的过程会在进行若干次后穷尽全空间 于是全空间 V 可分解成若干个 A 的循环不变子空间的直和, 在每一个循环不变子空间上, A 的矩阵都形如 J, 而在全空间 V 上,A 的矩阵是以形如 J 的矩阵为对角元素的准对角矩阵 于是我们可定义形如 J 的矩阵为 块, 并定义以 块为对角线元素的准对角矩阵为 形矩阵 命题 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个幂零线性变换, 则在 V 内存在一组基, 使 A 在该组基下的矩阵成 形矩阵的充分必要条件是 V 可分解为 A 的循环不变子空间的直和 : V = I(α 1 ) I(α 2 ) I(α s ) 证明 若 A 的矩阵在一组基下为 形矩阵, 则命题 说明 V 可分解为不变子空间的直和 再由本节开始时的讨论, 可知这些不变子空间必是循环不变子空间, 必要性得证 充分性是显而易见的

矩阵的 标准形 定理 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内一幂零线性变换, 则在 V 内存在一组基, 使在该组基 下 A 的矩阵成 形矩阵 证明 只需证 V 可分解为 A 的循环不变子空间的直和即可, 而这可以通过商空间的手段降低维数, 通 过数学归纳法得证 当 n = 1 时,A 的任一特征向量 ε 为 V 的一组基, 且 Aε = 0( 幂零线性变换的特征值必为 ), 于是 A 在 ε 下的矩阵为 (0), 自然是 形矩阵 设命题对维数小于 n 的线性空间已成立, 则当 V = n 时, 不妨设 A 0, 则 A 在商空间 V = V /V λ0 (λ 0 为 A 的唯一特征值,V λ0 为其特征子空间 ) 内的诱导线性变换仍为 V 内幂零线性 变换 按归纳假设, 我们有 V = I(ᾱ 1 ) I(ᾱ 2 ) I(ᾱ s ) 这里 I(ᾱ i ) 是 A 在商空间 V 内的诱导线性变换的一个 k i 维循环不变子空间 (i = 1, 2,, s) 易 证 I(α i ) = L(α i, Aα i,, A k i α i) 是 A 在 V 内的 k i + 1 维循环不变子空间, 且 A k i α i V λ0 还易证 A k 1 α 1 A k 2 α 2,,A k s α s 为 V λ0 内线性无关向量组, 故可将其扩充为 V λ0 内的一组基 : A k 1 α 1, A k 2 α 2,, A k s α s, β 1, β 2,, β t 最后可证明 V = I(α 1 ) I(α 2 ) I(α s ) I(β 1 ) I(β t ) 注 此证明过程实际给出了在 V 中找一组基, 使 A 在该组基下的矩阵成 形的具体计算方法 这是 形理论的其他证明方法所未能给出的 细节参见蓝以中, 一般线性变换的 标准形 命题 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个线性变换 如果存在 λ 0 K, 使 A λ 0 I 是一 个幂零线性变换, 则在 V 内存在一组基, 使 A 在这组基下的矩阵成为如下的 标准形 : λ 0 1 J 1 J 2 λ 0 J =, J i = 1 证明 对 A λ 0 I 直接应用上节关于幂零矩阵的结论即可 J s 下面设 A 为 V 中任一线性变换, 又设 A 有一特征值 λ 0 K 令 B = A λ 0 I, 定义 V 的两串 子空间序列如下 : M 0 = {0}, M i = (B i ) (i = 1, 2, ); N 0 = V, N i = (B i ) (i = 1, 2, ). λ 0

矩阵的 标准形 我们有如下简单的事实 : M i N i 间有如下包含关系 : {0} = M 0 M 1 M 2 ; V = N 0 N 1 N 2. M i + N i = n (i = 0, 1, 2, ) 存在一个最小正整数 k, 使得 M 0 M 1 M k = M k+1 = M k+2 =, N 0 N 1 N k = N k+1 = N k+2 =. 对上述的最小正整数 k, 有 V = M k Nk, 且 M k 和 N k 均为 A 的不变子空间 B 在 M k 上的限制 B Mk 为幂零线性变换, 所以在 M k 内存在一组基, 使得 A Mk 在这组基下的矩阵为 标准形 总结起来, 我们有如下命题 : 命题 设 A 是 n 维线性空间 V 内的一个线性变换,λ 0 是 A 的一个特征值 令 B = A λ 0 I, 又设 M i = (B i ), N i = (B i ) 这里 i = 0, 1, 2, 则存在正整数 k, 使 V = M k Nk, 且 M k N k 为 A B 的不变子空间,B Mk 为幂零线性变换, 又有 M k = M k+1 = M k+2 =,N k = N k+1 = N k+2 = 定理 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个线性变换, 其特征多项式 f(λ) 的根全属于 K, 则在 V 内存在一组基, 使在该组基下 A 的矩阵成为如下的准对角形 λ i 1 J 1 J 2 λ i J =, J i = 1 J 称为 A 的 标准形 J s 证明 沿用命题 的记号, 取定 A 的一个特征值 λ 0, 我们可将 V 分解成直和 M k Nk 由 B Mk 幂零矩阵 ( 这是关键 ), 我们可在 M k 内找到一组基, 使得 A Mk 对 N k 使用归纳假设 ( 因其维数小于 n), 可得 N k 的一组基, 使得 A Nk 标准形 将两组基合并起来即完成证明 λ i 是 在该组基下的矩阵是 标准形 在该组基下的矩阵是 下述定理对于证明 标准形的唯一性和计算 标准形的具体步骤至关重要 定理 设 A 是数域 K 上 n 维线性空间 V 内的一个线性变换, 其特征多项式 f(λ) 的根全属于 K 又设 J 是 A 的任一 标准形 (J 的存在性已由定理 保证 ) 则对 A 的任一特征值 λ 0, 以及

矩阵的 标准形 B = A λ 0 I M i = (B i ) (i = 0, 1, 2, ),J 中以 λ 0 为特征值且阶为 l 的 块的个数为 (r( ) 表示一个矩阵的秩 ) 2 M l M l+1 M l 1 = r(b l+1 ) + r(b l 1 ) 2r(B l ). 故除了主对角线上 块的排列次序可以变化以外, 标准形是由 A 唯一决定的 证明 由线性变换的像与核的维数关系, 我们有 M l + r(b l ) = V (l = 0, 1, 2, ), 故我们只 需证明关于 M k 的结论成立 我们设 A 的 标准形 J 有如下形式 λ i 1 J 1 J 2 λ i J =, J i = 1 其中 J i 为 n i 阶 块 ( 这里的 λ 1 λ 2 λ s 可以有相同的 ) 则 J s λ i r(b l ) = r[(j λ 0 I n n ) l )] = s r[(j i λ 0 I ni n i ) l ]. i=1 因为 (J i λ 0 I ni n i ) l = λ i λ 0 1 λ i λ 0 1 l, λ i λ 0 若 λ i λ 0, 则 r[(j i λ 0 I ni n i ) l ] = n i 若 λ i = λ 0, 则利用幂零 块的乘法性质有 n r[(j i λ 0 I ni n i ) l i l, l < n i, ] = 0, l n i. n i n i 因此有 0, λ i λ 0, r[(j i λ 0 I ni n i ) l ] r[(j i λ 0 I ni n i ) l+1 ] = 0, λ i = λ 0, l n i, 1, λ i = λ 0, l < n i.

矩阵的 标准形 因此, = = = r(b l ) r(b l+1 ) s {r[(j i λ 0 I ni n i ) l ] r[(j i λ 0 I ni n i ) l+1 ]} i=1 λ i=λ 0, n i>l λ i =λ 0, n i >l {r[(j i λ 0 I ni n i ) l ] r[(j i λ 0 I ni n i ) l+1 ]} 1 = J 中以 λ 0 为特征值而阶数 l + 1 的 块的个数. 于是 J 中以 λ 0 为特征值的 l 阶 块的个数是 r(b l 1 ) + r(b l+1 ) 2r(B l ) 注 命题 中使得 M k = M k+1 和 N k = N k+1 成立的最小正整数 k, 根据定义也是特征值 λ 0 的指标 d 0, 也即, 使得 N d (λ 0 ) = N d+1 (λ 0 ) 成立的最小正整数 ( 此处 N d (λ 0 ) := [(A λ 0 I) d ] = M d ) d 0 也能在计算 标准形的过程中确定 事实上, 由 M k = V N k = V r(b k ) 易知,d 0 即是使得 r(b k ) = r(b k+1 ) 的最小正整数 由此推断, 它同时也是特征值 λ 0 的 块的最高阶数, 因为以 λ 0 为特征值的 l 阶 块的个数在 l > d 0 时为 r(b l+1 ) + r(b l 1 ) 2r(B l ) = 0, 在 l = d 0 时为 r(b d0 1 ) r(b d0 ) > 0 总结起来, 我们有 特征值 λ 0 的指标 d 0 = 使得 r[(a λ 0 I) k ] = r[(a λ 0 I) k+1 ] 成立的最小正整数 = λ 0 的 块的最高阶数 设在 n 维线性空间 V 内给定线性变换 A, 可按如下步骤计算 A 的 标准形 ( 假设其存在 ): 先求 A 在 V 的一组基 ε 1 ε 2 ε n 下的矩阵 A 求出 A 的全部不同特征值 λ 1 λ 2 λ s ( 假设都属于数域 K) 对每个 λ i, 令 B = A λ i I, 由公式 r(b l+1 ) + r(b l 1 ) 2r(B l ) 计算出以 λ i 为特征值, 阶为 l 的 块个数 为此, 令 l = 1, 2,, 逐次计算 从 A 的 形 J 的特征多项式容易看出 : 以 λ i 为特征值的 块阶数之和等于特征值 λ i 的重数, 由此即可知道是否已经找出全部以 λ i 为特征值的 块 ; 或者从 r(b l ) r(b l+1 ) 等于 J 中以 λ i 为特征值而阶 l + 1 的 块的个数这一点作出判断 将所获得的 块按任意次序排列成准对角形 J, 即为所求 至于如何找到一组基, 使得 A 在该组基下的矩阵为 标准形, 参阅蓝以中

矩阵的 标准形 最小多项式 命题 给定数域 K 上的 块 J = λ 0 1 λ 0 1 λ 0 n n 又设 g(x) 是 K 上一个 m 次多项式 则 g(x) 是 J 的化零多项式的充分必要条件是 λ 0 是 g(x) 的一个零点, 且其重数 J 的阶 n 证明 只需注意若 g(x) 在 C 内可分解为 g(x) = a 0 (x µ 1 ) e 1 (x µ 2 ) e2 (x µ k ) e k, 其中 µ 1,µ 2,,µ k 两两不同, 则 g(j) = a 0 (J µ 1 ) e1 (J µ 2 ) e2 (J µ k ) e k. 且 (J µ i I) ei = λ 0 µ i 1 λ 0 µ i 1 e i λ 0 µ i 定理 定理 设 A 是数域 K 上的 n 阶方阵,f(λ) = λi A 为 A 的特征多项式, 则 f(a) = 0 证明 选用 A 的 标准形 : J = J 1 J 2 J s, J i = λ i 1 λ i 1 λ i 其中 J i 为 n i 阶 块 ( 这里的 λ 1 λ 2 λ s 可以有相同的 ) 则 f(λ) = λi J = (λ λ 1 ) n1 (λ λ 2 ) n 2 (λ λ s) n s 因为 λ 1 λ 2 λ s 可有相同的,f(λ) 的每个根 λ i 的重数 块 J i 的阶数 n i 现在 f(j) = {f(j 1 ), f(j 2 ),, f(j s )}, 则由本节开始时的命题可知 f(j) = 0, 从而 f(a) = 0

参考文献 命题 设 A 是数域 K 上的 n 阶方阵,A 的最小多项式 φ(x) 与 A 看作 C 上的 n 阶方阵时的最小多项式 ψ(x) 有相同次数 换言之,A 在 K 内的任一最小多项式也是 A 在 C 内的最小多项式 定理 最小多项式 设 A 是数域 K 上的 n 阶方阵 设 A 的特征多项式在 C 内全部互不相同的特征值为 λ 1 λ 2 λ k A 在 C 内的 标准形 J 中以 λ i 为特征值的 块的最高阶数为 l i, 则 A( 在 K 内 ) 的最小多项式是唯一的, 它就是 φ(x) = (x λ 1 ) l1 (x λ 2 ) l2 (x λ k ) l k. 推论 设 A 是数域 K 上的 n 阶方阵且 A 的特征多项式的根全属于 K, 则 A 在 K 内相似于对角矩阵的充要条件是它的最小多项式没有重根 证明 从 A 的 标准形直接看出 参考文献 蓝以中 : 高等代数简明教程( 上册 ) 北京: 北京大学出版社, 蓝以中 : 高等代数简明教程( 下册 ) 北京: 北京大学出版社, 蓝以中 : 高等代数学习指南 北京: 北京大学出版社,