高等代数 · 课程学习笔记

第 P114 集 · 二十九:幂零矩阵的 Jordan 标准形、一般线性变换的 Jordan 标准形

Jordan Normal Form of Nilpotent Matrices and of General Linear Transformations
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P114 / 151 集 核心概念:幂零矩阵的 Jordan 标准形 · 最小多项式一次因式分解 · 广义特征子空间 · 一般线性变换的 Jordan 标准形
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◎学习目标

  1. 把上一集幂零变换的 Jordan 标准形结论“翻译”到矩阵语言:\(r\) 阶幂零矩阵 \(B\) 相似于由主对角线全 0 的 Jordan 块组成的分块对角矩阵(即 \(B\) 的 Jordan 标准形);各阶 Jordan 块个数 \(N_t\) 满足 \(N_t=\operatorname{rank} B^{t-1}+\operatorname{rank} B^{t+1}-2\operatorname{rank} B^{t}\),除去 Jordan 块排列次序外由 \(B\) 唯一确定;⏱ 00:15
  2. 理解一般线性变换 \(A\) 的 Jordan 标准形的讨论前提:\(A\) 的最小多项式 \(m_A(\lambda)\) 在 \(F[\lambda]\) 中可分解为两两不等的一次因式的幂的乘积
    \[ m_A(\lambda)=(\lambda-\lambda_1)^{L_1}(\lambda-\lambda_2)^{L_2}\cdots(\lambda-\lambda_s)^{L_s}, \]
    其中 \(\lambda_1,\dots,\lambda_s\) 两两不等;⏱ 19:00
  3. 证明 \(\lambda_1,\dots,\lambda_s\) 就是 \(A\) 的全部不同的特征值(且都在 \(F\) 中);⏱ 20:30
  4. 把 \(V\) 分解为 \(A\) 的不变子空间直和:\(V=V_1\oplus V_2\oplus\cdots\oplus V_s\),其中 \(V_i=\ker\bigl(A-\lambda_i I\bigr)^{L_i}\)(特征值 \(\lambda_i\) 对应的广义特征子空间);⏱ 21:45
  5. 在每个 \(V_i\) 上定义“平移变换” \(A_i=A-\lambda_i I\)(限制在 \(V_i\) 上),\(A_i\) 是 \(V_i\) 上的幂零变换(幂零指数不超过 \(L_i\));由上一集幂零 Jordan 标准形,\(A_i\) 在 \(V_i\) 上有 Jordan 标准形(0 主对角线的 Jordan 块);⏱ 22:30
  6. 把各 \(V_i\) 的 Jordan 标准形“拼起来”再“加回 \(\lambda_i\)”:\(A\) 在 \(V\) 中的 Jordan 标准形由若干主对角线为 \(\lambda_i\)、次对角线为 1 的 Jordan 块组成;Jordan 块总数、各阶块个数由 \(A\) 唯一确定,除去 Jordan 块排列次序外 Jordan 标准形唯一。⏱ 23:00

1幂零矩阵的 Jordan 标准形(矩阵版定理) ⏱ 00:15

定理(矩阵版)· 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 \(B\) 相似于由若干主对角线全 0 的 Jordan 块组成的分块对角矩阵
\[ J_B=\begin{pmatrix} J_{T_1} & & \\ & \ddots & \\ & & J_{T_m}\end{pmatrix},\quad J_T=\begin{pmatrix}0&1&&\\ &0&\ddots&\\ &&\ddots&1\\ &&&0\end{pmatrix}_T,\quad T\le L, \]
称 \(J_B\) 为 \(B\) 的 Jordan 标准形;各阶 Jordan 块个数 \(N_t\) 满足
\[ N_t=\operatorname{rank} B^{t-1}+\operatorname{rank} B^{t+1}-2\,\operatorname{rank} B^{t}\quad(1\le t\le L),\qquad \sum_{t=1}^{L}N_t=r-\operatorname{rank} B,\qquad \text{最大阶}=L. \]
除去 Jordan 块的排列次序以外,\(J_B\) 由 \(B\) 唯一确定。
从变换语言到矩阵语言的对应

上一集(P113)已证:幂零线性变换 \(B\) 在 \(F\) 上 \(r\) 维线性空间 \(W\) 上存在 Jordan 标准形(0 主对角线 Jordan 块分块对角),且除去排列次序外唯一。现在把 \(W\) 换成 \(F^r\)、把线性变换 \(B\) 换成 \(r\) 阶矩阵 \(B\),两者一一对应(矩阵与线性变换在同一基下的矩阵对应);“\(B\) 在某个基下的矩阵”与“矩阵 \(B\)”相似(基变换 = 相似变换),故矩阵 \(B\) 相似于该 Jordan 标准形。⏱ 02:20

老师念了一遍矩阵版本的定理,指出“跟后面就一样的系数了,我就不写了”——矩阵版本的表述与变换版本完全平行,只是把 \(\dim W\) 换成“矩阵的阶数 \(r\)”、把“线性变换 \(B\)”换成“矩阵 \(B\)”、把“\(B\) 的像的维数”换成 \(\operatorname{rank} B\)(矩阵的秩)。⏱ 03:15

承上启下“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”——本集后半部分开始讨论一般情形。

2一般线性变换:最小多项式分解为一次因式幂的乘积 ⏱ 19:00

设定 · 可化为 Jordan 标准形的前提 设 \(A\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间 \(V\) 上的线性变换,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:
\[ m_A(\lambda)=(\lambda-\lambda_1)^{L_1}(\lambda-\lambda_2)^{L_2}\cdots(\lambda-\lambda_s)^{L_s}, \]
其中 \(\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_s\) 是 \(F\) 中两两不等的元素,\(L_1,\dots,L_s\) 是正整数。

本集探讨:在此前提下,能否在 \(V\) 中找一组基,使线性变换 \(A\) 的矩阵具有“最简形式”(即 Jordan 标准形)。老师的思路:“探讨的过程就是我们证明的过程”——先由分解式看出 \(\lambda_1,\dots,\lambda_s\) 就是 \(A\) 的全部特征值,再把 \(V\) 分解为 \(A\) 的不变子空间直和(各特征值的广义特征子空间),在每个子空间上把 \(A-\lambda_i I\) 视为幂零变换、套用上集幂零 Jordan 标准形,最后拼成 \(A\) 的 Jordan 标准形。⏱ 19:45

3\(\lambda_1,\dots,\lambda_s\) 是 \(A\) 的全部特征值 ⏱ 20:30

命题 · 特征值由最小多项式分解式确定 若 \(m_A(\lambda)\) 按上节分解,则 \(\lambda_1,\dots,\lambda_s\) 是线性变换 \(A\) 的所有不同的特征值(都在 \(F\) 中),且没有其他特征值。
证明思路(两条)

第一句(\(\lambda_i\) 是特征值):\(\lambda_i\) 是最小多项式的根,而最小多项式整除特征多项式,故 \(\lambda_i\) 也是特征多项式的根,即在 \(F\) 中,为 \(A\) 的特征值。⏱ 20:50

第二句(无其他特征值):设 \(\mu\) 是 \(A\) 的特征值,则 \(\mu\) 是特征多项式的根;由 Cayley-Hamilton 定理(或最小多项式的定义),最小多项式整除特征多项式,故 \(\mu\) 也是最小多项式 \(m_A(\lambda)\) 的根。而 \(m_A\) 的根只有 \(\lambda_1,\dots,\lambda_s\),故 \(\mu\in\{\lambda_1,\dots,\lambda_s\}\)。⏱ 21:10

说明“\(A\) 的最小多项式在 \(F\) 中的根也一定是特征多项式的根”(老师口述顺序)——严格说,最小多项式的每个根必为特征值(因 \(m_A\mid c_A\),特征多项式的根包含最小多项式的根);反过来特征多项式的根(特征值)也是最小多项式的根(因 \(m_A(A)=0\),Cayley-Hamilton 保证特征值满足 \(m_A\))。⏱ 21:20

4广义特征子空间的直和分解 ⏱ 21:45

命题 · \(V\) 的不变子空间直和分解 设 \(m_A(\lambda)=(\lambda-\lambda_1)^{L_1}\cdots(\lambda-\lambda_s)^{L_s}\),令
\[ V_i=\ker\bigl(A-\lambda_i I\bigr)^{L_i},\qquad i=1,2,\dots,s \]
(特征值 \(\lambda_i\) 对应的广义特征子空间),则
\[ V = V_1 \oplus V_2 \oplus \cdots \oplus V_s, \]
且每个 \(V_i\) 都是 \(A\) 的不变子空间。
证明要点(老师课堂版)

最小多项式 \(m_A\) 是 \(A\) 的零化多项式:\(m_A(A)=0\)(零变换)。把 \(m_A\) 分解成两两互素的因式 \(g_i(\lambda)=(\lambda-\lambda_i)^{L_i}\),由“零化多项式的互素分解”定理(老师此前讲过的“线性变换的核的维数公式”相关内容),有

\[ \ker m_A(A) = \ker g_1(A)\oplus\ker g_2(A)\oplus\cdots\oplus\ker g_s(A). \]
因 \(m_A(A)=0\) 对整个空间 \(V\) 成立(\(V=\ker m_A(A)\)),故
\[ V=\ker g_1(A)\oplus\cdots\oplus\ker g_s(A)=\ker\bigl(A-\lambda_1 I\bigr)^{L_1}\oplus\cdots\oplus\ker\bigl(A-\lambda_s I\bigr)^{L_s}. \]
每个 \(V_i=\ker g_i(A)\) 是 \(A\) 的不变子空间(因 \(A\) 与 \(A-\lambda_i I\) 可交换,\(A\) 把 \(\ker(A-\lambda_i I)^{L_i}\) 映到自身)。⏱ 22:10

老师强调“这个我们叫……”(老师口头命名 \(V_1,\dots,V_s\),并指出这些子空间都是 \(A\) 的非平凡不变子空间,为下一步“每个子空间上化为幂零”做准备)。

5每个 \(V_i\) 上化为幂零变换,再应用幂零 Jordan 标准形 ⏱ 22:30

在每个 \(V_i\) 上定义“平移后的变换”\(A_i\)(老师称“把 \(\lambda_i\) 用线性变换 \(A\) 带进去,\(A\) 减去 \(\lambda_i\) 倍单位变换”):

\[ A_i := \bigl(A-\lambda_i I\bigr)\big|_{V_i}\;:\;V_i\longrightarrow V_i. \]

由 \(V_i=\ker(A-\lambda_i I)^{L_i}\) 的定义,\((A_i)^{L_i}=0\),故 \(A_i\) 是 \(V_i\) 上的幂零变换(幂零指数不超过 \(L_i\))。由 P113 幂零变换的 Jordan 标准形定理:\(V_i\) 中存在一组基,使 \(A_i\) 在该基下的矩阵为由 0 主对角线 Jordan 块组成的分块对角矩阵;把该基中每个基向量“加回 \(\lambda_i\)”(即把 Jordan 块主对角线的 0 换成 \(\lambda_i\),次对角线仍为 1),即得到 \(A\) 在 \(V_i\) 上对应的 Jordan 块(主对角线为 \(\lambda_i\) 的 Jordan 块)。⏱ 22:50

“减 \(\lambda_i\) 再还原”的具体操作

设 \(A_i\) 在 \(V_i\) 的某组基下为 Jordan 标准形 \(J_i\)(0 主对角线、次对角线 1 的 Jordan 块分块对角),则 \(A\big|_{V_i}=A_i+\lambda_i I\) 在该组基下的矩阵为 \(J_i+\lambda_i I\)——即每个 Jordan 块的主对角线由 0 加 \(\lambda_i\),变成以 \(\lambda_i\) 为主对角线、次对角线仍为 1 的 Jordan 块。这就是 \(A\) 的特征值 \(\lambda_i\) 对应的 Jordan 块。⏱ 23:10

把 \(V_1,\dots,V_s\) 各自选出的基合起来,就是 \(V\) 的一组基(因 \(V\) 是它们的直和);在这组基下,\(A\) 的矩阵为

\[ J_A=\begin{pmatrix} J_{\lambda_1} & & \\ & J_{\lambda_2} & \\ & & \ddots \\ & & & J_{\lambda_s} \end{pmatrix}, \]
其中 \(J_{\lambda_i}\) 是由主对角线为 \(\lambda_i\)、次对角线为 1 的若干 Jordan 块组成的分块对角矩阵。这就是 \(A\) 的 Jordan 标准形。

6一般线性变换的 Jordan 标准形(定理) ⏱ 23:00

定理 · 一般线性变换的 Jordan 标准形(前提:最小多项式分解为一次因式幂的乘积) 设 \(A\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间 \(V\) 上的线性变换,\(A\) 的最小多项式 \(m_A(\lambda)\) 在 \(F[\lambda]\) 中可分解为两两不等一次因式的幂的乘积
\[ m_A(\lambda)=(\lambda-\lambda_1)^{L_1}\cdots(\lambda-\lambda_s)^{L_s}. \]
则 \(V\) 中存在一组基,使 \(A\) 在该基下的矩阵为分块对角矩阵
\[ J_A=\operatorname{diag}\bigl(J_{\lambda_1},\,J_{\lambda_2},\,\dots,\,J_{\lambda_s}\bigr), \]
其中 \(J_{\lambda_i}\) 是由若干 Jordan 块
\[ J_{\lambda_i,T}=\begin{pmatrix}\lambda_i&1&&\\ &\lambda_i&\ddots&\\ &&\ddots&1\\ &&&\lambda_i\end{pmatrix}_T,\quad T\le L_i \]
组成的分块对角矩阵。称 \(J_A\) 为 \(A\) 的 Jordan 标准形。
唯一性与块数公式(本集收尾部分)
  • 各特征值 \(\lambda_i\) 对应的 Jordan 块的总阶数(即 \(V_i\) 的维数 \(\dim V_i\))由 \(A\) 唯一确定;
  • 特征值 \(\lambda_i\) 对应的 \(T\) 阶 Jordan 块个数可由 \(\operatorname{rank}\bigl(A-\lambda_i I\bigr)^{T}\) 的差分公式(上一集幂零情形的 \(N_t\) 公式)算出,即把上一集的 \(B\) 换成 \(A-\lambda_i I\) 即可;
  • 除去 Jordan 块的排列次序以外,\(A\) 的 Jordan 标准形由 \(A\) 唯一确定。
本集尚未完全展开的部分(预告)

转录文本到此(P114 音频末尾)老师正在口头叙述“一般线性变换的标准形”的框架:前提是最小多项式分解为一次因式的乘积,把 \(V\) 分解为 \(V_1\oplus\cdots\oplus V_s\),在每个 \(V_i\) 上把 \(A-\lambda_i I\) 当幂零处理。完整的“每个 \(\lambda_i\) 对应的 \(T\) 阶 Jordan 块个数公式”与“唯一性定理的严格陈述”在后续课程(P115 及以后)继续给出;本集重点是把幂零情形(上一集)的方法推广到一般情形(分特征值)的框架。⏱ 23:30

★重点回顾

1
幂零矩阵的 Jordan 标准形:\(r\) 阶幂零矩阵 \(B\) 相似于 0 主对角线 Jordan 块组成的分块对角矩阵;\(N_t=\operatorname{rank} B^{t-1}+\operatorname{rank} B^{t+1}-2\operatorname{rank} B^t\);除去块排列次序外唯一。
2
一般线性变换可 Jordan 化的前提:最小多项式 \(m_A(\lambda)\) 在 \(F[\lambda]\) 中可分解为两两不等一次因式幂的乘积 \((\lambda-\lambda_1)^{L_1}\cdots(\lambda-\lambda_s)^{L_s}\)。
3
\(\lambda_i\) 是 \(A\) 的全部不同特征值:由 \(m_A\mid c_A\)(最小多项式整除特征多项式)与 \(m_A\) 的根即 \(\lambda_1,\dots,\lambda_s\) 得证。
4
广义特征子空间直和分解:\(V=\ker(A-\lambda_1 I)^{L_1}\oplus\cdots\oplus\ker(A-\lambda_s I)^{L_s}\),每个 \(V_i\) 是 \(A\) 的不变子空间。
5
“减 \(\lambda_i\) 再还原”技巧:在 \(V_i\) 上把 \(A-\lambda_i I\) 视为幂零变换,套用幂零 Jordan 标准形(0 主对角线),再“加回 \(\lambda_i\)”得到 \(A\) 在 \(V_i\) 上的 Jordan 块(主对角线 \(\lambda_i\)、次对角线 1)。
6
Jordan 标准形唯一性:除去 Jordan 块的排列次序外,\(A\) 的 Jordan 标准形由 \(A\) 唯一确定(各阶、各特征值的 Jordan 块个数由 \(A\) 唯一确定)。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆“最小多项式的一次因式”与“特征多项式的一次因式”:可 Jordan 化的前提是最小多项式(而非特征多项式)分解为两两不等一次因式的幂的乘积;特征多项式可能含 \(F\) 外的根,但最小多项式若在 \(F[\lambda]\) 中按此形式分解,则 Jordan 标准形(在 \(F\) 上)存在。
  2. 忘记 \(V_i\) 是广义特征子空间(不是特征子空间):\(V_i=\ker(A-\lambda_i I)^{L_i}\)(\(L_i\) 次幂的核),而非 \(\ker(A-\lambda_i I)\)(特征子空间)。只有 \(V_i\) 的直和才覆盖整个 \(V\),特征子空间一般不够。
  3. “减 \(\lambda_i\)”后忘“加回 \(\lambda_i\)”:在 \(V_i\) 上用 \(A-\lambda_i I\) 求幂零 Jordan 标准形后,必须把每个 Jordan 块主对角线的 0 换成 \(\lambda_i\)(次对角线 1 不变),才是 \(A\) 的 Jordan 块;漏掉这一步会得到错误的主对角线。
  4. 幂零指数 \(L_i\) 的确定:\(L_i\) 是最小多项式中 \((\lambda-\lambda_i)\) 的幂次(即 \(V_i\) 上 \(A-\lambda_i I\) 的幂零指数的上界,实际幂零指数可能 \(
  5. 把“Jordan 标准形”与“对角化”混淆:对角化是 Jordan 标准形的特例(所有 Jordan 块都是 1 阶);若某特征值对应的最大 Jordan 块阶数 \(>1\),则 \(A\) 不可对角化,但仍可 Jordan 化(在最小多项式满足前提时)。
  6. “相似”与“合同”“等价”混淆:本集结论是“\(B\)(或 \(A\))相似于其 Jordan 标准形”(基变换下的矩阵,\(P^{-1}BP\) 型);不是合同(二次型意义下)、也不是矩阵等价(行/列初等变换意义下)。

✎自测与作业

  1. 设 \(B\) 为 4 阶幂零矩阵,\(\operatorname{rank} B=2\),\(\operatorname{rank} B^2=1\),\(\operatorname{rank} B^3=0\)。求 \(B\) 的幂零指数 \(L\),计算 \(N_1,N_2,N_3\),写出 \(B\) 的 Jordan 标准形(分块对角,0 主对角线)。
  2. 设 \(A\) 为 3 阶矩阵,最小多项式 \(m_A(\lambda)=(\lambda-1)^2(\lambda+1)\),特征值 \(1\)(代数重数 2)与 \(-1\)(代数重数 1)。求 \(A\) 的 Jordan 标准形(提示:\(\lambda=1\) 对应的 \(L_1=2\),Jordan 块最大阶 2;\(\lambda=-1\) 对应 \(L_2=1\),Jordan 块阶 1)。
  3. (概念)解释“最小多项式在 \(F[\lambda]\) 中可分解为两两不等一次因式的幂的乘积”为什么是 \(A\) 可 Jordan 化的前提。结合本集第 4 节 \(V=V_1\oplus\cdots\oplus V_s\) 直和分解说明:若最小多项式含 \(F\) 外因式(或含不可约二次因式),直和分解会在 \(F\) 上失败,Jordan 标准形(在 \(F\) 上)可能不存在。
  4. (计算)设 \(V=\mathbb{R}^4\),\(A\) 为线性变换,最小多项式 \(m_A(\lambda)=(\lambda-2)^2(\lambda-3)\)。求:(a) \(A\) 的全部特征值;(b) \(V\) 的广义特征子空间 \(V_2=\ker(A-2I)^2\)、\(V_3=\ker(A-3I)\) 的维数之和是否为 4;(c) 若 \(\dim V_2=3\),\(\dim V_3=1\),\(\operatorname{rank}(A-2I)=2\),求 \(\lambda=2\) 对应的 Jordan 块结构(1 阶与 2 阶块各几个)。
  5. (证明题)证明:若 \(V_i=\ker(A-\lambda_i I)^{L_i}\),则 \(A(V_i)\subseteq V_i\)(即 \(V_i\) 是 \(A\) 的不变子空间)。提示:利用 \(A\) 与 \(A-\lambda_i I\) 可交换,说明 \((A-\lambda_i I)^{L_i}A=A(A-\lambda_i I)^{L_i}\)。
  6. (思考)本集老师说“探讨的过程就是我们证明的过程”——完整写出从“最小多项式一次因式分解”到“\(A\) 的 Jordan 标准形”的证明路线图(不写细节,只写步骤):(1) 由分解确定特征值;(2) 构造广义特征子空间直和分解;(3) 每个 \(V_i\) 上化为幂零;(4) 套幂零 Jordan 标准形;(5) 加回 \(\lambda_i\);(6) 拼接成 \(A\) 的 Jordan 标准形。
下一集预告 第 P115 集 · 三十:线性变换 Jordan 标准形定理的严格陈述与证明(含各特征值对应 Jordan 块个数的计算公式、相似判定),以及“\(A\) 相似于 Jordan 标准形”的充要条件讨论;开始涉及“若 \(A\) 的最小多项式在 \(F\) 上不可分解为一次因式的乘积”时的 Frobenius 标准形(不变量标准形)问题。