高等代数 · 课程学习笔记

第 P113 集 · 二十八:幂零变换的 Jordan 标准形

Jordan Normal Form of Nilpotent Linear Transformations
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P113 / 151 集 核心概念:Jordan 块(主对角线为 0)· 幂零指数 · rank B^t · N_t 计数公式
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◎学习目标

  1. 掌握幂零变换的 Jordan 标准形:\(W\) 存在一组基,使得幂零变换 \(B\) 在该基下的矩阵是由主对角线全为 0 的 Jordan 块组成的分块对角矩阵(称为 Jordan 标准形),除去 Jordan 块的排列次序外,该标准形被 \(B\) 唯一确定;
  2. 理解每个 Jordan 块的阶数 \(T\)(循环指数)不超过 \(B\) 的幂零指数 \(L\)(\(B^L=0\),\(B^{L-1}\neq 0\));
  3. 掌握 \(T\) 阶 Jordan 块个数 \(N_T\) 的计算公式
    \[ N_T = \operatorname{rank} B^{T-1} + \operatorname{rank} B^{T+1} - 2\operatorname{rank} B^{T},\qquad 1\le T\le L, \]
    特别地 \(N_1=\operatorname{rank} B^0-\operatorname{rank} B^1=\dim W-\operatorname{rank} B\);
  4. 掌握 Jordan 块总数公式 \(\sum_{T=1}^{L}N_T = \dim W_0 = \dim W - \operatorname{rank} B\)(\(W_0=\ker B\),即 \(B\) 属于特征值 0 的特征子空间);
  5. 理解 幂零指数 \(L\) 是最大 Jordan 块的阶数(\(L\) 阶 Jordan 块的个数 \(N_L=\operatorname{rank} B^{L-1}\)),并据此判断 Jordan 标准形的具体结构;
  6. 把上述变换语言结论翻译为矩阵语言:\(r\) 阶幂零矩阵 \(B\) 相似于由其 Jordan 标准形(0 主对角线的 Jordan 块分块对角矩阵);
  7. 为下一集(一般线性变换的 Jordan 标准形)做好“先处理幂零情形,再处理一般情形”的铺垫。

1幂零变换的 Jordan 标准形(定理二) ⏱ 08:44

定理二 · 幂零变换的 Jordan 标准形(前半部分:存在性) 设 \(B\) 是 \(F\) 上 \(r\) 维线性空间 \(W\) 上的幂零变换,幂零指数为 \(L\),则存在 \(W\) 的一组基,使得 \(B\) 在该基下的矩阵为由若干 Jordan 块(每个 Jordan 块为主对角线全 0、次对角线全 1 的方阵)组成的分块对角矩阵,称为 \(B\) 的 Jordan 标准形。
\[ J_B = \begin{pmatrix} J_{T_1} & & \\ & \ddots & \\ & & J_{T_m} \end{pmatrix},\qquad J_T = \begin{pmatrix} 0 & 1 & & \\ & 0 & \ddots & \\ & & \ddots & 1 \\ & & & 0 \end{pmatrix}_T \]

其中 \(J_T\) 是 \(T\) 阶、主对角线为 0、次对角线(对角线下方的那一条)为 1 的 Jordan 块,\(T\le L\)。这些 \(J_T\) 的排列次序不影响标准形,除排列次序外,\(J_B\) 由 \(B\) 唯一确定。⏱ 08:58

为什么每个 Jordan 块的主对角线都是 0

因为 \(B\) 是幂零变换:\(B^L=0\)(0 变换)。若某个 Jordan 块的阶为 \(T\),则把该 Jordan 块矩阵 \(J_T\) 作用 \(T\) 次后为零矩阵(\(J_T^T=0\),\(J_T^{T-1}\) 的次对角线位置仍有 1)。分块对角矩阵 \(J_B\) 的 \(L\) 次幂等于每个块 \(J_{T_i}^L\) 的分块对角(仍为 0,因 \(T_i\le L\)),故 \(J_B^L=0\);同理 \(J_B^{L-1}\neq 0\) 当且仅当某个块阶数恰为 \(L\)。⏱ 09:53

老师提示“有章块(Jordan 块)你现在肯定清楚都是组队的,每一组队都会领的有章块(Jordan 块)”——每个循环链(强循环子空间)对应一个 Jordan 块,块的大小即循环链长度。

2Jordan 块的个数由 \(\operatorname{rank} B^t\) 决定 ⏱ 13:10

定理二只说“存在 Jordan 标准形”,但实际解题时还要算出各阶 Jordan 块有多少个。老师强调:不能靠“理论上把 \(W\) 分解了”去逐个写出每个强循环子空间,那是“理论上的东西,你这样真的写,写不出来的”;反过来,数一数 \(t\) 阶 Jordan 块有多少个,就能把整个 Jordan 标准形写出来。⏱ 14:18

关键工具 · 单个 \(T\) 阶 Jordan 块的秩 对 \(T\) 阶 Jordan 块 \(J_T\)(主对角线 0、次对角线 1),\(J_T\) 是“阶梯形”矩阵:
\[ \operatorname{rank} J_T = T-1,\quad \operatorname{rank} J_T^{2} = T-2,\ \dots,\ \operatorname{rank} J_T^{T-1}=1,\quad \operatorname{rank} J_T^{T}=0. \]
一般地,\(J_T^k\)(\(k\ge 1\))仍是次对角线上移的阶梯形(\(k\) 阶“超对角”),当 \(k⏱ 18:29
为什么 \(\operatorname{rank} J_T^k=T-k\)(\(1\le k

以 \(J_5\) 为例:

\[ J_5 = \begin{pmatrix}0&1&0&0&0\\0&0&1&0&0\\0&0&0&1&0\\0&0&0&0&1\\0&0&0&0&0\end{pmatrix},\quad J_5^2 = \begin{pmatrix}0&0&1&0&0\\0&0&0&1&0\\0&0&0&0&1\\0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0\end{pmatrix},\quad J_5^{4} = \begin{pmatrix}0&0&0&0&1\\0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0\end{pmatrix}. \]
\(J_5\) 有 4 个非零行(秩 4),\(J_5^2\) 有 3 个非零行(秩 3),\(J_5^{T-1}\) 有 1 个非零行(秩 1),\(J_5^T=0\)(秩 0)。归纳易证对任意 \(T\) 同样成立:⏱ 19:14

分块对角矩阵的秩 = 各块秩之和 若 \(J_B\) 由若干 Jordan 块 \(J_{T_1},J_{T_2},\dots,J_{T_m}\) 分块对角组成,则
\[ \operatorname{rank} J_B^k = \sum_{i=1}^{m} \operatorname{rank} J_{T_i}^{k}. \]
这是用“数 \(t\) 阶 Jordan 块个数 \(N_t\)”去反推 \(\operatorname{rank} B^k\) 的基础。⏱ 21:05

3\(N_1\) 的计算(1 阶 Jordan 块个数) ⏱ 20:01

先用最简单的情形 \(T=1\)。设 \(N_t\) 表示 \(t\) 阶 Jordan 块的个数(\(t=1,2,\dots,L\))。则

\[ \operatorname{rank} B^{0} = \dim W = N_1\cdot 1 + N_2\cdot 2 + N_3\cdot 3 + \cdots + N_L\cdot L, \] \[ \operatorname{rank} B^{1} = N_1\cdot 0 + N_2\cdot 1 + N_3\cdot 2 + \cdots + N_L\cdot (L-1). \]

两式相减(“把 \(B\) 的所有行都算上”——老师强调 \(N_1\) 只能把 \(B\) 的 0 次幂(单位矩阵,秩 \(=\) 维数)与 1 次幂一起比,才能“出来”):

\[ \operatorname{rank} B^{0} - \operatorname{rank} B^{1} = N_1 + N_2 + \cdots + N_L = N_1\cdot 1 + N_2\cdot 1 + \cdots + N_L\cdot 1. \]
注意右端每一项恰是 \(N_t\)(各阶 Jordan 块“贡献的行数差”),故
\[ N_1 = \operatorname{rank} B^{0} - \operatorname{rank} B^{1} = \dim W - \operatorname{rank} B. \] 这与第 P112 集“强循环子空间个数 \(=\dim W_0=\dim W-\operatorname{rank} B\)”完全一致。⏱ 23:55

4一般 \(N_t\) 的计算公式 ⏱ 24:28

当 \(2\le t

\[ \operatorname{rank} B^{t-1} = \sum_{j=t}^{L} N_j (j-(t-1)) = N_t\cdot 1 + N_{t+1}\cdot 2 + \cdots + N_L\cdot (L-t+1), \] \[ \operatorname{rank} B^{t} = \sum_{j=t+1}^{L} N_j (j-t) = N_{t+1}\cdot 1 + N_{t+2}\cdot 2 + \cdots + N_L\cdot (L-t), \] \[ \operatorname{rank} B^{t+1} = \sum_{j=t+2}^{L} N_j (j-(t+1)) = N_{t+2}\cdot 1 + \cdots + N_L\cdot (L-t-1). \]

三式做“\((t-1)\) 次幂秩 − \(t\) 次幂秩 − \((t+1)\) 次幂秩”的线性组合,逐项消去 \(N_{t+1},\dots,N_L\),最后只剩 \(N_t\):

公式 · \(N_t\)(\(1\le t\le L\))
\[ \boxed{\,N_t = \operatorname{rank} B^{t-1} + \operatorname{rank} B^{t+1} - 2\,\operatorname{rank} B^{t}\,} \]
约定 \(B^0=I\)(单位矩阵,\(\operatorname{rank} B^0=\dim W=r\));当 \(t=L\) 时 \(B^{L+1}=0\),公式退化为 \(N_L=\operatorname{rank} B^{L-1}\)(老师验证了 \(t=L\) 时该式也成立,因为 \(L\) 阶 Jordan 块到 \(L\) 次幂才变 0 矩阵、\(L+1\) 次幂秩为 0);当 \(t=1\) 时退化为 \(N_1=\operatorname{rank} B^0-\operatorname{rank} B^1\)。⏱ 27:30
老师课堂举例(数 Jordan 块个数的“小学生难度”类比)

老师用“数粉笔”打比方:三岁小孩能数到 5,但 13 以后容易跳到 15(“我已经试验了好多小孩,包括我的孙子,他一年十三以后就十五了,十四怕发不出来”)——类比“\(N_1\) 很容易数,但一般 \(N_t\) 需要 \(B^{t-1},B^t,B^{t+1}\) 三个秩联立才能数出来,小学生不会数”。⏱ 17:00 实际解题时,只要把 \(\operatorname{rank} B^{t-1},\operatorname{rank} B^{t},\operatorname{rank} B^{t+1}\) 代进公式即可,无需逐个写出每个循环子空间。

5幂零指数的意义与 Jordan 标准形的唯一性 ⏱ 33:55

幂零指数 \(L\) 与最大 Jordan 块 \(L\) 是 最大 Jordan 块的阶数(即 \(N_L\ge 1\),\(N_{L+1}=0\))。理由:\(J_T^k=0\) 当且仅当 \(k\ge T\);分块对角矩阵 \(J_B^k=0\) 当且仅当所有块都满足 \(J_{T_i}^k=0\),即 \(k\ge\max_i T_i\)。故 \(B^L=0\)(\(B^{L-1}\neq 0\))等价于最大 Jordan 块阶数为 \(L\)。⏱ 34:10
Jordan 标准形的唯一性 \(B\) 的 Jordan 标准形中,各阶 Jordan 块的个数 \(N_1,\dots,N_L\) 由 \(B\) 唯一确定(由上面的 \(N_t\) 公式,只依赖于 \(\operatorname{rank} B^{t-1},\operatorname{rank} B^{t},\operatorname{rank} B^{t+1}\),而这些秩由 \(B\) 唯一确定,与基无关)。因此
\[ \text{“}B\text{ 的 Jordan 标准形,除 Jordan 块的排列次序以外,是被 }B\text{ 唯一确定的。”} \]
这就是本集定理二的完整内容(存在性 + 唯一性)。⏱ 37:39
老师强调的“解题实用化” “具体作题的时候就算这几个秩了,就能把它(Jordan 标准形)算出来。”实际操作:先求 \(L\)(幂零指数),再逐次求 \(\operatorname{rank} B^{0},\dots,\operatorname{rank} B^{L}\),套用 \(N_t\) 公式得各阶个数,直接写出分块对角 Jordan 标准形——不必再回头做“强循环子空间直和分解”的构造性证明。⏱ 38:03

6Jordan 标准形到矩阵语言的推论 ⏱ 41:07

推论 · 幂零矩阵的 Jordan 标准形 设 \(B\) 是 \(F\) 上的 \(r\) 阶幂零矩阵,幂零指数为 \(L\),则 \(B\) 相似于由主对角线全 0 的 Jordan 块组成的分块对角矩阵(\(B\) 的 Jordan 标准形);各阶 Jordan 块个数 \(N_t\) 满足
\[ N_t = \operatorname{rank} B^{t-1} + \operatorname{rank} B^{t+1} - 2\,\operatorname{rank} B^{t},\quad 1\le t\le L, \] \[ \sum_{t=1}^{L} N_t = r - \operatorname{rank} B,\quad \text{最大阶} = L. \]
除去 Jordan 块的排列次序外,该 Jordan 标准形由 \(B\) 唯一确定。⏱ 42:18
从变换语言到矩阵语言的翻译

给定 \(r\) 阶幂零矩阵 \(B\),可在 \(F^r\) 上建立线性变换 \(B\)(同一记号),由本集定理二知存在 \(F^r\) 的一组基使 \(B\) 的矩阵为 Jordan 标准形;线性变换在不同基下的矩阵相似,故 \(B\) 相似于其 Jordan 标准形。老师指出“跟后面就一样的系数了,我就不写了,我就再念这个……”——矩阵版本的定理表述与变换版本一一对应,仅符号由“线性变换 \(B\)”换成“矩阵 \(B\)”,\(\dim W\) 换成“矩阵的阶数 \(r\)”。⏱ 43:44

承上启下本集收尾于“幂零矩阵说完以后,我们就可以来探讨一般线性变换的标准形”——下一集 P114 将讨论:设 \(A\) 是 \(V\) 上一般线性变换,若其最小多项式 \(m_A(\lambda)\) 在 \(F[\lambda]\) 中可分解为两两不等的一次因式的幂的乘积 \((\lambda-\lambda_1)^{L_1}\cdots(\lambda-\lambda_s)^{L_s}\),则 \(V\) 分解为 \(A\) 的不变子空间的直和(对应每个特征值的广义特征子空间),进一步对每个子空间“减去 \(\lambda_i\)”化为幂零情形,从而得到一般线性变换的 Jordan 标准形。

★重点回顾

1
Jordan 块(主对角线为 0):\(J_T\) 为 \(T\) 阶方阵,主对角线全 0、次对角线(对角线下方)全 1,其余 0;\(J_T^T=0\),\(J_T^{T-1}\neq 0\)。
2
单个 \(J_T\) 的秩:\(\operatorname{rank} J_T^k=T-k\)(\(1\le k
3
分块对角矩阵秩 = 各块秩之和:\(\operatorname{rank} B^k=\sum_i\operatorname{rank} J_{T_i}^k\),配合 \(N_t\) 计数即可反推 Jordan 块结构。
4
\(N_t\) 公式:\(N_t=\operatorname{rank} B^{t-1}+\operatorname{rank} B^{t+1}-2\operatorname{rank} B^{t}\)(\(1\le t\le L\),约定 \(B^0=I\),\(B^{L+1}=0\));\(N_1=\dim W-\operatorname{rank} B\)。
5
幂零指数 \(L\):\(B^L=0\) 且 \(B^{L-1}\neq 0\);\(L\) 等于最大 Jordan 块的阶数;\(N_L=\operatorname{rank} B^{L-1}\)。
6
唯一性:Jordan 标准形除块排列次序外由 \(B\) 唯一确定(各阶 \(N_t\) 由 \(\operatorname{rank} B^t\) 唯一确定,与基无关)。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. Jordan 块的次对角线位置:\(J_T\) 的 1 在主对角线下方(即第 \(i\) 行第 \(i+1\) 列为 1,或按“循环生成元放最前”的基排列后,\(J_T\) 的 1 在主对角线上方——两种约定均常见,需与所取基的顺序一致)。本集按“循环生成元 \(\alpha, B\alpha,\dots,B^{T-1}\alpha\) 为基”得出 \(J_T\) 的 1 在主对角线下方(第 \(i+1\) 行第 \(i\) 列为 1),即 \(J_T e_i=e_{i+1}\)(\(i<T\)),\(J_T e_T=0\)。
  2. \(\operatorname{rank} J_T^k\) 的“越界”情形:当 \(k\ge T\) 时 \(J_T^k=0\)(秩 0),不能套用 \(T-k\)(会算出负数)。公式 \(N_t\) 中 \(\operatorname{rank} B^{t+1}\) 项在 \(t=L\) 时应取 \(\operatorname{rank} B^{L+1}=0\)。
  3. \(B^0\) 的秩:\(B^0\) 是单位矩阵,\(\operatorname{rank} B^0=\dim W=r\);\(N_1\) 公式中第一项就是这个,不能误写为 \(\operatorname{rank} B\)。
  4. “数 Jordan 块个数”不能靠构造:老师明确说“按照数学归纳发生的,根据归纳讲上空间……那个东西都是理论上的,你这样真的写,写不出来的”;实际计算要用 \(\operatorname{rank} B^k\) 联立,不要试图逐个写出每个循环子空间。
  5. 最大 Jordan 块阶数 = 幂零指数 \(L\)(严格):\(B^{L-1}\neq 0\) 保证确实存在 \(L\) 阶 Jordan 块(否则最大阶 \(
  6. Jordan 标准形 ≠ 对角化:幂零矩阵若可对角化,则只能是零矩阵(因特征值全为 0,对角形必为 0 矩阵);非零幂零矩阵的 Jordan 标准形必有 1 以上阶的 Jordan 块,不可对角化。

✎自测与作业

  1. 计算 \(J_4\)(4 阶、主对角线 0、次对角线 1 的 Jordan 块)的 \(J_4, J_4^2, J_4^3, J_4^4\),验证 \(\operatorname{rank} J_4^k=4-k\)(\(k=1,2,3\))、\(J_4^4=0\)。
  2. 设 5 阶幂零矩阵 \(B\) 满足 \(\operatorname{rank} B=3\),\(\operatorname{rank} B^2=1\),\(\operatorname{rank} B^3=0\)。求 \(B\) 的幂零指数 \(L\),并计算 \(N_1,N_2,N_3\),写出 \(B\) 的 Jordan 标准形。
  3. 设 \(B\) 是 6 阶幂零矩阵,\(\operatorname{rank} B=4\),\(\operatorname{rank} B^2=2\),\(\operatorname{rank} B^3=0\)。验证 \(L=3\),并求 \(N_1,N_2,N_3\)(提示:\(N_1=\dim B^0-\dim B^1=6-4=2\);\(N_2=\operatorname{rank} B+\operatorname{rank} B^3-2\operatorname{rank} B^2\);\(N_3=\operatorname{rank} B^2\))。
  4. (证明题)证明 \(\sum_{t=1}^{L}N_t=\dim W-\operatorname{rank} B\)。提示:用“每个 \(t\) 阶 Jordan 块贡献 1 个 1 阶(\(t=1\) 时)或 0(\(t>1\) 时)到 \(W_0=\ker B\) 中”与 \(\dim\ker B=\dim W-\operatorname{rank} B\) 结合;也可由第 4 节 \(N_1\) 公式及 \(N_t\) 公式逐项验证。
  5. (概念)设 \(B\) 幂零指数 \(L=2\),\(\dim W=5\),\(\operatorname{rank} B=3\)。求 \(N_1,N_2\),写出 \(B\) 的 Jordan 标准形(应含 3 个 1 阶块与 2 个 2 阶块,或类似组合,请用 \(N_t\) 公式核对)。
  6. (思考)为什么“把 \(W\) 分解成强循环子空间直和”的构造性证明不能直接用于实际计算 \(N_t\)?结合老师“理论上的东西,你这样真的写,写不出来的”提示,说明 \(N_t\) 公式(只依赖 \(\operatorname{rank} B^t\))相比构造性分解的优势。
下一集预告 第 P114 集 · 二十九:幂零矩阵的 Jordan 标准形与一般线性变换的 Jordan 标准形——把本集结论套用到矩阵 \(B\)(幂零矩阵相似于 0 主对角线的 Jordan 分块对角矩阵),并开始讨论:设 \(A\) 的一般线性变换满足最小多项式 \(m_A\) 在 \(F[\lambda]\) 中分解为两两不等一次因式的幂的乘积,则 \(V\) 可分解为 \(A\) 的不变子空间直和(各特征值对应的广义特征子空间),进而化为“每个子空间上减去 \(\lambda_i I\) 的幂零变换”,逐块应用本集幂零 Jordan 标准形,得到一般线性变换的 Jordan 标准形。