高等代数 · 课程学习笔记

第 P115 集 · 三十:约当块的数量

Number of Jordan Blocks (Determination via Kernel Dimensions)
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P115 / 151 集 核心概念:Jordan 块 · nilpotent · ker(A-λI)^m · 维数公式
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◎学习目标

  1. 理解在约当标准形中,主对角线为某个特征值 \(\lambda_j\) 的 Jordan 块总数 \(N_j\) 如何由 \(\dim\ker(A-\lambda_j I)^m\) 确定;
  2. 掌握nilpotent 线性变换的 Jordan 块总数:\(\dim\ker B\)(即 \(B\) 的零空间维数);
  3. 掌握各阶 Jordan 块个数 \(N_{j,T}\) 的计算公式,涉及 \(\mathrm{rank}\) 的递推关系;
  4. 理解限制核等于整体核这一关键引理:\(\ker\big|_{W_j}(A-\lambda_j I)^m = \ker(A-\lambda_j I)^m\)(限制到 \(W_j\) 上时)。⏱ 08:00

1背景:分块对角化与 Jordan 形矩阵 ⏱ 00:08

紧接上一集(P114),线性空间 \(V\) 已分解为 \(W_1 \oplus W_2 \oplus \cdots \oplus W_S\),其中 \(W_j\) 是与特征值 \(\lambda_j\) 对应的广义特征空间(广义根子空间),\(\dim W_j = \) \(\lambda_j\) 的代数重数。在 \(W_j\) 中选取合适的基,使 \(A\) 在 \(W_j\) 上的限制的矩阵 \(A_j\) 为 Jordan 形矩阵(主对角线为 \(\lambda_j\))。⏱ 00:67

设 \(B_j = A|_{W_j} - \lambda_j I_{W_j}\),则 \(B_j\) 是 \(W_j\) 上的nilpotent 线性变换(幂零),其 nilpotent 指数(幂零指数)为 \(L_j\)(即 \(\lambda_j\) 对应的最大 Jordan 块阶数)。⏱ 01:17

由上一节的定理,\(B_j\) 在 \(W_j\) 的某基 \(G_j\) 下为主对角线为 0 的 Jordan 形矩阵(即 nilpotent Jordan 形矩阵),于是

\[ A_j = \lambda_j I + B_j, \]
因此 \(A_j\) 是主对角线为 \(\lambda_j\) 的 Jordan 形矩阵。将所有 \(A_1, A_2, \dots, A_S\) 拼成分块对角矩阵即得 \(A\) 在 \(V\) 的某基下的 Jordan 标准形。⏱ 02:24

2nilpotent 变换的 Jordan 块总数 ⏱ 03:21

设 \(B\) 为 nilpotent 线性变换,幂零指数为 \(L\)(即 \(B^L = 0\) 但 \(B^{L-1} \neq 0\))。其 Jordan 形矩阵由若干个主对角线为 0 的 Jordan 块组成。

命题 · nilpotent 变换的 Jordan 块总数 主对角线为 0 的 nilpotent Jordan 形矩阵中,Jordan 块的总个数等于
\[ \dim\ker B. \]
这是因为每个 nilpotent Jordan 块 \(J_t(0)\) 恰好贡献一个 \(B\) 的核中线性无关的向量(即该块最下方的列对应向量),而整个 \(\ker B\) 的维数等于所有块的最下方向量数的总和,也就是 Jordan 块的总数。

对 \(B_j = A|_{W_j} - \lambda_j I_{W_j}\)(nilpotent 变换),其 Jordan 块总数(即主对角线为 \(\lambda_j\) 的 Jordan 块总数)为

\[ N_j = \dim\ker B_j = \dim\ker\bigl(A|_{W_j} - \lambda_j I_{W_j}\bigr). \]
⏱ 04:15

但 \(W_j\) 是理论上分解出的子空间,实际上并不显式知道 \(W_j\) 的基,因此上面的表达式仍含"限制",需要进一步化简。

3关键事实:限制核等于整体核 ⏱ 07:47

我们需证明以下事实(本集最核心的引理):

事实(本集核心引理) 对任意正整数 \(m\),
\[ \ker\bigl(A|_{W_j} - \lambda_j I_{W_j}\bigr)^m = \ker(A-\lambda_j I)^m. \]
即:限制在 \(W_j\) 上取 \(m\) 次幂的核,等于在整个 \(V\) 上取 \(m\) 次幂的核(限制到 \(W_j\) 部分)。
证明思路(分两种情形)

包含方向 \(\supseteq\):若 \(\alpha \in \ker\bigl(A|_{W_j}-\lambda_j I_{W_j}\bigr)^m\),则 \(\alpha \in W_j\) 且 \[ (A|_{W_j}-\lambda_j I)^m \alpha = 0. \] 由于限制变换的法则与整体相同(\(A|_{W_j}\) 就是 \(A\) 在 \(W_j\) 上的限制),故 \[ (A - \lambda_j I)^m \alpha = 0, \] 即 \(\alpha \in \ker(A-\lambda_j I)^m\)。⏱ 12:31

反向包含 \(\subseteq\):设 \(\alpha \in \ker(A-\lambda_j I)^m\),即 \((A-\lambda_j I)^m \alpha = 0\),需证 \(\alpha \in W_j\)。

情形 1:\(m \leq L_j\)。此时由 \(W_j\) 的定义(广义根子空间),\(W_j = \ker(A-\lambda_j I)^{L_j}\)。由于 \(m \leq L_j\),\(\alpha \in \ker(A-\lambda_j I)^m \subseteq \ker(A-\lambda_j I)^{L_j} = W_j\)。⏱ 16:45

情形 2:\(m > L_j\)。考虑多项式分解:设 \(A\) 的最小多项式为

\[ g(t) = (t-\lambda_1)^{L_1} \cdots (t-\lambda_j)^{L_j} \cdots (t-\lambda_S)^{L_S}. \]
构造
\[ G(t) = (t-\lambda_j)^m. \]
由于 \(m > L_j\),\((t-\lambda_j)^{L_j}\) 整除 \((t-\lambda_j)^m\)。因此 \(G\) 的其余因式(不含 \((t-\lambda_j)^m\) 部分,用 \(L_j\) 次幂替代)构成 \(A\) 的一个零化多项式:
\[ G'(t) = g(t) \cdot \frac{(t-\lambda_j)^m}{(t-\lambda_j)^{L_j}} = g(t) \cdot (t-\lambda_j)^{m-L_j}. \]
实际上,\(G'(A) = 0\)(因为 \(g(A)=0\) 且 \(g\) 中已含 \((t-\lambda_j)^{L_j}\)),即 \(G'(A)\) 为零变换。由 Cayley-Hamilton 型分解:
\[ V = \ker(A-\lambda_1 I)^{L_1} \oplus \cdots \oplus \ker(A-\lambda_j I)^m \oplus \cdots \oplus \ker(A-\lambda_S I)^{L_S} = W_1 \oplus W_2' \oplus W_3 \oplus \cdots \oplus W_S. \]
其中 \(W_2' = \ker(A-\lambda_2 I)^m\)(\(m > L_2\) 时,\(\ker(A-\lambda_2 I)^m = \ker(A-\lambda_2 I)^{L_2} = W_2\),因为 \(L_2 \leq L_j < m\) 时核不再增长)。于是
\[ W_j = \ker(A-\lambda_j I)^{L_j} \subseteq \ker(A-\lambda_j I)^m. \]
取 \(\ker(A-\lambda_j I)^m\) 的基 \(\alpha_{j1}, \alpha_{j2}, \dots\),扩充为 \(V\) 的基(如果需要)。利用直和分解 \(V = W_1 \oplus W_j \oplus W_S\)(这里 \(W_S\) 是其余子空间的直和),把 \(W_j\) 中 \(\ker(A-\lambda_j I)^m\) 的基与 \(W_1, W_S\) 的基合起来构成 \(V\) 的基,说明 \(\ker(A-\lambda_j I)^m\) 中的向量必然全部落在 \(W_j\) 中,即
\[ \ker(A-\lambda_j I)^m \subseteq W_j. \]
结合 \(W_j \subseteq \ker(A-\lambda_j I)^m\)(由情形 2 中 \(m > L_j\) 得),即证得两集合相等。⏱ 19:35

推论 由上述事实,
\[ N_j = \dim\ker\bigl(A|_{W_j} - \lambda_j I_{W_j}\bigr) = \dim\ker(A-\lambda_j I). \]
限制符号可以去掉!主对角线为 \(\lambda_j\) 的 Jordan 块总数 \(N_j\) 等于 \(\dim\ker(A-\lambda_j I)\)。⏱ 06:45(P116 开头)

4主对角线为 \(\lambda_j\) 的 Jordan 块总数 \(N_j\) ⏱ 06:00 (P116)

由 P116 开头的推导(紧接本集),利用线性变换的维数公式(\(\dim\ker T + \mathrm{rank}(T) = \dim V\)),有

\[ N_j = \dim\ker(A-\lambda_j I) = N - \mathrm{rank}(A-\lambda_j I), \]
其中 \(N = \dim V\) 为线性空间的维数。注意:是 \(A - \lambda_j I\) 的秩,不是 \(A\) 的秩!这是最容易写错的地方。⏱ 07:57

公式 1 · Jordan 块总数
\[ N_j = N - \mathrm{rank}(A - \lambda_j I), \]
其中 \(N_j\) 为 Jordan 标准形中主对角线元素为 \(\lambda_j\) 的 Jordan 块的总个数,\(N = \dim V\),\(\mathrm{rank}(A-\lambda_j I)\) 为矩阵 \(A - \lambda_j I\) 的秩。

5T 级 Jordan 块个数 \(N_{j,T}\) ⏱ 08:58 (P116)

进一步需要计算:主对角线为 \(\lambda_j\) 的 \(T\) 级(即阶数为 \(T\))Jordan 块的个数 \(N_{j,T}\)。

公式 2 · T 级 Jordan 块个数
\[ N_{j,T} = \mathrm{rank}\bigl((A-\lambda_j I)^{T-1}\bigr) - 2\,\mathrm{rank}\bigl((A-\lambda_j I)^{T}\bigr) + \mathrm{rank}\bigl((A-\lambda_j I)^{T+1}\bigr), \]
其中 \(T = 1, 2, \dots, L_j\)(\(L_j\) 为 \(\lambda_j\) 对应的最大 Jordan 块阶数,即 \(B_j\) 的 nilpotent 指数)。
推导思路

设 \(B_j = A|_{W_j} - \lambda_j I_{W_j}\) 是 nilpotent 变换,幂零指数 \(L_j\)。主对角线为 0 的 nilpotent Jordan 形矩阵中 \(T\) 级 Jordan 块 \(J_T(0)\) 的个数为

\[ n_T = \mathrm{rank}(B_j^{T-1}) - 2\,\mathrm{rank}(B_j^{T}) + \mathrm{rank}(B_j^{T+1}), \]
其中规定 \(B_j^0 = I\),\(\mathrm{rank}(I) = \dim W_j\)。

由于 \(A_j = \lambda_j I + B_j\),故 \((A_j - \lambda_j I)^k = B_j^k\),\(\mathrm{rank}\) 相同。将 \(B_j\) 用 \(A|_{W_j} - \lambda_j I\) 替代,再由本集的关键事实(限制核等于整体核,等价地限制秩等于整体对应秩),把限制去掉,得

\[ N_{j,T} = \mathrm{rank}\bigl((A-\lambda_j I)^{T-1}\bigr) - 2\,\mathrm{rank}\bigl((A-\lambda_j I)^{T}\bigr) + \mathrm{rank}\bigl((A-\lambda_j I)^{T+1}\bigr). \]
⏱ 10:21 (P116)

注意 \(T\) 的范围:\(1 \leq T \leq L_j\)。对 \(T > L_j\),\((A-\lambda_j I)^T\) 的秩不再变化(因为 \(\ker\) 已稳定),\(N_{j,T} = 0\)。

实用技巧 对于低阶矩阵(3 阶、4 阶),通常 Jordan 块总数很少,枚举可能的组合(如 3 阶矩阵中 \(\lambda_j\) 对应 2 个 Jordan 块,则只能是"一个 1 级 + 一个 2 级"或"两个 1 级 + 一个 1 级"等有限种),不必逐一计算 \(N_{j,T}\)。⏱ 11:17 (P116)

★重点回顾

1
分块对角化:\(V = W_1 \oplus \cdots \oplus W_S\),在 \(W_j\) 中取基使 \(A_j = \lambda_j I + B_j\) 为 Jordan 形(主对角线为 \(\lambda_j\)),整体 \(A\) 的 Jordan 标准形即各 \(A_j\) 的分块对角。
2
nilpotent 变换的 Jordan 块总数:\(\dim\ker B\)。对 \(B_j = A|_{W_j} - \lambda_j I\),总数为 \(\dim\ker(A|_{W_j}-\lambda_j I)\)。
3
关键引理(限制核 = 整体核):对任意 \(m\),\(\ker\bigl(A|_{W_j}-\lambda_j I\bigr)^m = \ker(A-\lambda_j I)^m\)。分 \(m \leq L_j\)(由 \(W_j\) 定义)和 \(m > L_j\)(由零化多项式分解)两种情形证明。
4
Jordan 块总数公式:\(N_j = N - \mathrm{rank}(A-\lambda_j I)\),限制符号可去掉。
5
T 级 Jordan 块个数公式:\(N_{j,T} = \mathrm{rank}(A-\lambda_j I)^{T-1} - 2\mathrm{rank}(A-\lambda_j I)^T + \mathrm{rank}(A-\lambda_j I)^{T+1}\),其中 \(T=1,\dots,L_j\)。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 把 \(\mathrm{rank}(A-\lambda_j I)\) 误写为 \(\mathrm{rank}(A)\):老师反复强调,计算中"做来做去忘了"就写成了 \(A\) 的秩,这是最常见的错误。公式中必须是 \(A - \lambda_j I\) 的秩。
  2. \(N_{j,T}\) 公式中 \(T\) 的范围:\(T\) 从 1 到 \(L_j\)(\(\lambda_j\) 对应的最大 Jordan 块阶数),超过 \(L_j\) 时 \(N_{j,T}=0\)。不要对 \(T > L_j\) 仍套用公式得出非零值。
  3. \(\mathrm{rank}(B_j^0)\) 的规定:\(B_j^0 = I_{W_j}\),\(\mathrm{rank}(I_{W_j}) = \dim W_j\),不是 \(N\)(全空间维数)。但在化去限制后,\(\mathrm{rank}(I_{W_j})\) 对应的就是 \(\dim W_j\)。
  4. "限制核等于整体核"并非显然:限制核包含整体核的方向是显然的(法则相同),但反向需要分情形证明(\(m \leq L_j\) 和 \(m > L_j\)),\(m > L_j\) 时利用零化多项式分解是关键。
  5. nilpotent Jordan 块总数 = \(\dim\ker B\):每个 Jordan 块 \(J_t(0)\) 恰好贡献 1 个核中线性无关向量(块最下方行对应向量),总数即核的维数。不要误以为是"块数 × 块阶数"。

✎自测与作业

  1. 设 \(V\) 为 5 维空间,\(A\) 为 \(V\) 上的线性变换,特征值为 \(\lambda_1=1, \lambda_2=2\)。已知 \(\mathrm{rank}(A-I)=3\),\(\mathrm{rank}(A-2I)=4\)。求主对角线为 1 和 2 的 Jordan 块总数 \(N_1, N_2\)。
  2. 设 \(A\) 为 4 阶矩阵,特征值 \(\lambda=3\) 的代数重数为 4。计算 \(\mathrm{rank}(A-3I)=2\),\(\mathrm{rank}(A-3I)^2=1\),\(\mathrm{rank}(A-3I)^3=0\)。求 \(N_{3,1}, N_{3,2}, N_{3,3}, N_{3,4}\)。
  3. (证明)设 \(B\) 为 \(W\) 上的 nilpotent 变换,幂零指数为 \(L\)。证明主对角线为 0 的 nilpotent Jordan 形矩阵中 \(T\) 级 Jordan 块个数 \(n_T = \mathrm{rank}(B^{T-1}) - 2\mathrm{rank}(B^T) + \mathrm{rank}(B^{T+1})\),其中 \(B^0 = I\)。
  4. (思考)为什么对 \(m > L_j\),\(\ker(A-\lambda_j I)^m = \ker(A-\lambda_j I)^{L_j}\)?(提示:\(W_j\) 是广义根子空间,\((A-\lambda_j I)^{L_j}\) 在 \(W_j\) 上为零变换。)
  5. (选做)设 \(A\) 为 3 阶矩阵,特征值 \(\lambda_1 = 0\)(代数重数 2),\(\lambda_2 = 1\)(代数重数 1)。已知 \(\mathrm{rank}(A) = 2\),\(\mathrm{rank}(A)^2 = 1\)。写出 \(A\) 的 Jordan 标准形的所有可能形式。
下一集预告 第 P116 集 · 三十一:线性变换的约当标准形——将本集公式整理为完整的 Jordan 标准形定理,并讨论唯一性。