Jordan matrix

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自动控制原理英文词汇索引

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Signal input single output SISO 单输入单输出Dynamic system 动态系统Multivariable control 多变量控制Multi input and multi output 多输入多输出Root locus method 根轨迹方法Time domain 时域Disturbance 干扰Frequency domain 频域Stochastic system 随机系统Phase 相位Uncertainty 不确定性Distributed parameter system 分布参数系统Discrete system 离散系统Robust control 鲁棒控制System identification 系统辨识Adaptive control 自适应控制Simulation 仿真Nonlinear 非线性Symbolic computation 符号计算Toolbox 工具箱Numerical computation 数值计算Diagonal canonical form 对角线规范形Jordan canonical form 约当规范形Controlled system 受控系统、被控系统Ordinary differential equation 常微分方程Derivative 导数Time-invariant system 定常系统、时不变系统Matrix 矩阵Continuous-time system 连续系统、连续时间系统Time-varying system 时变系统、非定常系统Output equation 输出方程Mathematic model 数学模型Linear system 线性系统Vector 向量State 状态State equation 状态方程State trace 状态轨迹State space model 状态空间模型Transfer function 传递函数Inverted pendulum 倒立摆Diagonal matrix 对角线矩阵Fourier transformation 傅里叶变换Inertial element 惯性环节Block diagonal matrix 块对角矩阵Linearization 线性化Phase variable 相变量Strictly proper rational function 严格真有理函数Companior matrix 友矩阵Jordan matrix 约当矩阵Adjoint matrix 伴随矩阵Non-singurler matrix 非奇异矩阵、可逆矩阵Generality eigenvector 广义特征向量Canonical form 规范形、标准形、典范形Geometric multiple number 几何重数Algebraic multiple number 代数重数Characteristic polynomial 特征多项式Characteristic equation 特征方程Eigenvecto 特征向量rLinear transformation 线性变换Rank 秩Parallel connection 并行联接Transfer function matrix 传递函数矩阵Series connection 串联联接Feedback connection 反馈联接Laplace transformation 拉普拉斯变换Rational matrix function 有理矩阵函数Composition system 组合系统Analog to Digital converter A/D 转换、数模转换Digital to Analog converter D/A 转换、数模转换z transformation z变换sampled system 采样系统difference equation 差分方程discrete-time system 离散系统、离散时间系统delay 延迟initial time 初始时间initial state 初始状态polynomial 多项式non-homogenerous state equation 非齐次状态方程step signal 阶跃信号matrix exponent function 矩阵指数函数convolution 卷积zero-input response 零输入响应zero-state response 零状态响应impulse response 脉冲响应impulse signal 脉冲信号homogenerous 齐次性homogenerous state equation 齐次状态方程output response 输出响应state transistion matrix 状态转移矩阵Cayley-Hamilton Theorem 凯莱-哈密顿定理Momic polynomial 首一多项式Minimal polynomial 最小多项式Recursive algorithm 递推算法Gram matrix 格拉姆矩阵Functional linear independence 函数线性无关Functional linear denpendence 函数线性相关Modality criterion 模态判据Controllability 能控性、可控性Controllability Matrix 能控性矩阵Output controllability 输出能控性Rank criterion 秩判据State controllability 状态能控性Observability 能观测性、可观测性Observability matrix 能观性矩阵Observability criterion 能观性判据Reachability 能达性、可达性Duality 对偶性Structural decomposition 结构分解Zero 零点Zero-pole cancel 零极点相消Subspace 子空间Subsystem 子系统Luenberger controllability canonical form 龙伯格能控规范形Observability canonical form 能观规范形controllability canonical form 能控规范形controllability index 能控性指数Wonham controllability canonical form 旺纳姆能控规范形System realization 系统实现Minimal realization 最小实现Definite sign 定号性Norm 范数Non-positive definite matrix 非正定矩阵Euclidean norm 2-norm 欧几里德范数、2范数Equilibrium state 平衡点Input-output stability 输入输出稳定性Stability 稳定性Consistent stability 一致稳定Bounded-input bounded-output stability BIBO stability 有界输入有界输出稳定性State stability 状态稳定性Algebraic equation 代数方程Symmetry matrix 对称矩阵Quadratic function 二次型函数Non-negative definite matrix 非负定矩阵Negative definite matrix 负定矩阵Asymptotic stability 渐进稳定Sylvester Theorem 赛尔维斯特定理Stability criterion 稳定判据Jacobi matrix 雅可比矩阵Positive-definite matrix 正定矩阵Output feedback 输出反馈State feedback 状态反馈Pole assignment 极点配置System synthesis 系统综合Stable control 镇定控制Compensator decouple 补偿器解耦Decouple 解耦Observer 观测器Reduction-dimension observer 降维观测器Full-dimension observer 全维观测器State estimation 状态观测器State observating error 状态观测器误差State observatory 状态观测器。

jordan标准形

jordan标准形

jordan标准形Jordan标准形。

Jordan标准形是指矩阵的一种特殊形式,它可以将任意矩阵通过相似变换转化为Jordan标准形。

Jordan标准形在线性代数和矩阵理论中有着重要的应用,对于矩阵的特征值和特征向量的研究具有重要意义。

本文将介绍Jordan标准形的定义、性质以及如何将一个矩阵转化为Jordan标准形。

首先,我们来定义什么是Jordan标准形。

对于一个n阶矩阵A,如果存在一个可逆矩阵P,使得P^{-1}AP=D,其中D是一个Jordan块对角矩阵,那么我们称D是矩阵A的Jordan标准形。

Jordan块是指形如λI+N的矩阵,其中λ是矩阵的特征值,I是单位矩阵,N是上三角的特殊矩阵。

Jordan标准形的存在性是线性代数中一个重要的结论,它告诉我们任意一个n阶矩阵都可以通过相似变换转化为Jordan 标准形。

接下来,我们来看一下Jordan标准形的性质。

首先,Jordan标准形是唯一的,即对于一个矩阵A,它的Jordan标准形是唯一确定的。

其次,Jordan标准形的对角线上的元素就是矩阵A的特征值。

最后,Jordan标准形的非对角线上的元素对应着矩阵A的特征向量。

这些性质使得Jordan标准形成为了研究矩阵特征值和特征向量的重要工具。

最后,我们来看一下如何将一个矩阵转化为Jordan标准形。

假设我们有一个n阶矩阵A,我们首先需要求出矩阵A的特征值和特征向量。

然后,我们构造出一个可逆矩阵P,它的列向量是矩阵A的特征向量。

接下来,我们可以得到P^{-1}AP,它的对角化矩阵D就是矩阵A的Jordan标准形。

这个过程可以通过线性代数中的特征值分解和相似对角化的理论来实现。

总之,Jordan标准形是线性代数中一个重要的概念,它可以帮助我们研究矩阵的特征值和特征向量。

通过相似变换,我们可以将任意矩阵转化为Jordan标准形,从而更好地理解和分析矩阵的性质。

希望本文的介绍能够帮助读者更好地理解Jordan标准形的定义、性质和转化过程。

jordan块的定义 -回复

jordan块的定义 -回复

jordan块的定义-回复Jordan块是线性代数中的一个概念,它是一个特殊的方阵,由一个特征值以及对应的特征向量组成。

Jordan块具有一些独特的性质和应用,特别是在线性变换和矩阵对角化方面。

本文将一步一步回答有关Jordan块的定义、性质和应用的问题,以帮助读者更好地理解这个重要的数学概念。

首先,我们来回答关于Jordan块定义的问题。

Jordan块是一个特殊的方阵,它有以下形式:\[ J = \begin{pmatrix} \lambda & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & \lambda & 1 & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & \lambda & \cdots & 0 \\ \vdots &\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots &\lambda \end{pmatrix} \]其中,\lambda是特征值,1表示一阶单位矩阵,其余位置都是0。

一个Jordan块由这样的一个特征值和对应的特征向量定义。

接下来,我们将讨论Jordan块的性质。

首先,由于Jordan块的特殊结构,它的特征值为\lambda,而且只有一个特征值。

其次,特征值的重数等于Jordan块的阶数,即该特征值在Jordan块的对角线上出现的次数。

最后,Jordan块可以表示线性变换的特征向量空间,其中该线性变换由Jordan 块的特征值和对应的特征向量定义。

进一步,我们将探讨Jordan块在线性变换和矩阵对角化方面的应用。

首先,Jordan块可以用来描述一个线性变换的特征值和特征向量。

对于一个特征值为\lambda的线性变换,Jordan块可以将这个线性变换的特征向量空间分解成多个循环子空间。

Jordan标准型与矩阵可对角化毕业论文

Jordan标准型与矩阵可对角化毕业论文

Jordan 标准型与矩阵可对角化摘要 本文以λ-矩阵的性质为基础,对角化问题为主线,推导出线性代数中最深刻的结论——Jordan 标准型定理.然后,应用Jordan 标准型定理去解决Hamilton-Cayley 定理的证明,矩阵分解,线性微分方程组求解的问题.关键词 矩阵对角化 λ-矩阵 Smith 标准型 Jordan 标准型 Hamilton-Cayley 定理1 引言n 阶矩阵A 与对角阵相似的充要条件是A 有n 个线性无关的特征向量.那么当只有mm n <()个线性无关的特征向量时,A 与对角阵是不相似的.对这种情况,我们“退而求其次”,寻找“几乎对角的”矩阵来与A 相似.这就引出了矩阵在相似下的各种标准型问题.Jordan 标准型是最接近对角的矩阵并且其有关的理论包含先前有关与对角阵相似的理论作为特例.此外, Jordan 标准型的广泛应用涉及到Hamilton-Cayley 定理的证明,矩阵分解,线性微分方程组的求解等等.2 λ-矩阵由于Jordan 标准型的求解与特征多项式有关,而从函数的角度看,特征多项式实际上是特殊的函数矩阵(元素是函数的矩阵),这就引出对λ-矩阵的研究.2.1 λ-矩阵及其标准型定义1 称矩阵()(())ij A f λλ=为λ-矩阵,其中元素()(1,2,,;1,2,,)ij f i m j n λ==为数域F 上关于λ的多项式.定义2 称n 阶λ-矩阵()A λ是可逆的,如果有()()()()n A B B A I λλλλ==并称B λ()为()A λ的逆矩阵.反之亦然.定理 [1]1 矩阵()A λ可逆的充要条件是其行列式为非零的常数,即(())0det A c λ=≠.证明:(1)充分性 设()=A d λ是一个非零的数.()*A λ表示()A λ的伴随矩阵,则()1*d A λ-也是一个λ-矩阵,且有()()()()1*1*A d A d A A I λλλλ--==因此, ()A λ是可逆的.(2)必要性 设()A λ有可逆矩阵B λ(),则()()A B I λλ=两边取行列式有()()1A B I λλ==由于()A λ与()B λ都是多项式,而它们的乘积为1,所以它们都是零次多项式,即都是非零常数.证毕.例题1 判断λ-矩阵()2+121=11A λλλλλ⎛⎫- ⎪+ ⎪⎪⎝⎭是否可逆.解 虽然()22+121=1=01A λλλλλλλ-+-+≠()A λ是满秩的,但()A λ不是非零常数,因而()A λ是不可逆的.注意 与数字矩阵不同的是满秩矩阵未必是可逆的.这么定义可逆是有必要的,可逆的本质就是要保证变换的矩阵可以通过非零常数的倒数逆回去.定义3 如果矩阵()A λ经过有限次的初等变换化成矩阵B λ(),则称矩阵()A λ与B λ()等价,记为()()A B λλ≅定理 2 矩阵()A λ与B λ()等价的充要与条件是存在可逆矩阵()()Q P λλ、,使得()()()()Q B P A λλλλ=证明 因为()()A B λλ≅,所以A λ()可以经过有限次初等变换变成B λ(),即存在初等矩阵12(),(),,()s P P P λλλ与初等矩阵12(),(),,()t Q Q Q λλλ使得1212()()()()()()()()s t B P P P A Q Q Q λλλλλλλλ=令12()()()()s P P P P λλλλ=, 12()()()()t Q Q Q Q λλλλ=就是所要求的λ-矩阵.它们都是初等矩阵的乘积,从而使可逆的.证毕.引理1 设λ-矩阵111212122212()()()()()()()=()()()n n m m mn a a a a a a A a a a λλλλλλλλλλ⎛⎫⎪ ⎪⎪⎪⎝⎭的左上角元素11()0a λ≠,并且至少有一个()ij a λ不能被11()a λ整除,则一定可以找到一个与()A λ等价的矩阵,它的左上角元素不为零,且次数比11()a λ的次数低.定理3 任意m n ⨯阶的λ-矩阵()A λ都必定可以通过初等变换找到一个与之等价的Smith 标准型.()1200r d d D d λλλλ⎛⎫⎪⎪ ⎪⎪≡⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭()()()这里(())rank A r λ=.非零对角元12r (),(),,()d d d λλλ是首一(首项系数为1)多项式,并且1()()(i 1,2,,r 1)i i d d λλ+=-|例题[2]2求λ-矩阵22221()1+A λλλλλλλλλλ⎛⎫- ⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭的Smith 标准型.解22222211100()000010000A λλλλλλλλλλλλλλλλ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪→-→-→ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪---+⎝⎭⎝⎭⎝⎭即为所求的Smith 标准型.2.2 λ-矩阵的性质定义4 矩阵()A λ的Smith 标准型中的非零对角元12r (),(),d ()d d λλλ,称为()A λ的不变因子.定义5 矩阵()A λ的所有非零k 阶子式的首一(最高次项系数为1) 最大公因式()D k λ称为()A λ的k 阶行列式因子.定理4 等价矩阵具有相同的秩和相同的各级行列式因子.证明 设λ-矩阵()A λ经过一次行初等变换化为了B λ(),f λ()与g λ()分别是Aλ()与B λ()的k 阶行列式因子.需要证明f g λλ()=().分3种情况讨论:(1)[],i j A B λλ−−−→()(),此时,B λ()的每个k 阶子式或者等于A λ()的某个k 阶子式,或者与Aλ()的某个阶子式反号,所以,f λ()是B λ()的k 阶子式的公因子,从而f g λλ()|().(2)i A B λλ⎡⎤⎣⎦−−−→(c)()(),此时,B λ()的每个k 阶子式或者等于A λ()的某个k 阶子式,或者等于Aλ()的某个k 阶子式的c 倍.所以,f λ()是B λ()的k 阶子式的公因式,从而f g λλ()|().(3)i j A B ϕλλ+⎡⎤⎣⎦−−−−→()()(),此时,B λ()中那些包含i 行与j 行的阶子式和那些不包含i 行的k 阶子式都等于Aλ()中对应的k 阶子式;B λ()中那些包含i 行但不包含j 行的k 阶子式,按i 行分成两个部分,而等于Aλ()的一个k 阶子式与另一个k 阶子式的ϕλ±()倍的和,,也就是Aλ()的两个k 阶子式的线性组合,所以,f λ()是的k 阶子式公因式,从而f g λλ()|().对于列变换,可以一样地讨论.总之,Aλ()经过一系列的初等变换变成B λ(),那么f g λλ()|().又由于初等变换的可逆性,B λ()经过一系列的初等变换可以变成A λ(),从而也有g f λλ()|().当Aλ()所有的阶子式为零时,B λ()所有的k 阶子式也就等于零;反之亦然.故Aλ()与B λ()又相同的各阶行列式因子,从而有相同的秩.证毕. 既然初等变换不改变行列式因子,所以,每个λ-矩阵与它的标准型有完全相同的行列式因子.而求标准型的矩阵是较为简单的,因而,在求一个λ-矩阵的行列式因子时,只要求出它的标准型的行列式因子即可.现在来计算标准型矩阵的行列式因子.设标准型为1200r d d d λλλ⎛⎫⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭()()()其中1,,i d i r λ=()()是首项系数为1的多项式,且11,,1i i d d i r λλ+=-()|()(),其他的元素都是0.易证,在这种形式的矩阵中,如果有一个k 阶子式包含的行与列的标号不完全相同,那么这个k 阶子式一定为0.因此,为了计算k 阶行列式因子,只要看由12,,,k i i i 有行与12,,,k i i i 列12k i i i r ≤≤(1<<<)组成的k 阶子式就可以了,而这个k 阶子式等于12i i ik d d d λλλ()()().显然,这种k 阶子式的最大公因式就是12k d d d λλλ()()().定理5 矩阵A λ()的Smith 标准型是唯一的,并且111()()(),2,3,,()k k k D d D d k r D λλλλλ-===()().证明 设()A λ的标准是1200r d d d λλλ⎛⎫⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭()()(). 由于()A λ与1200r d d d λλλ⎛⎫⎪⎪ ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭()()()等价,则它们有相同的秩与相同的行列式因子,因此, ()A λ的秩就是标准型的主对角线上非零元素的个数r .()A λ的k 阶子式因子就是12()1,2,,k k D d d d k r λλλλ==()()() ()于是211211()()()()rr r D D d D d d D D λλλλλλλλ-()=(),()=,,()=. 这说明Aλ()的标准型的主对角线上的非零元素是被A λ()的行列式因子所唯一决定的,所以Aλ()得标准型是唯一的.证毕. 定理6 矩阵()A λ与B λ()等价的充要条件是它们有相同的行列式因子(或相同的不变因子).证明:上一个定理的证明给出了λ-矩阵的行列式因子与不变因子之间的关系.这个关系式说明行列式因子与不变因子是相互确定的.因此,说两个矩阵有相同的各阶行列式因子,就等于说它们有相同的各级不变因子.必要性已由定理1.2.1给出.充分性显然.事实上,若λ-矩阵()A λ与B λ()有相同的不变因子,则()A λ与B λ()和同一个标准型等价,因而()A λ与B λ()等价.证毕.定义6 矩阵()A λ的所有非常数不变因子的首项系数为1的不可约因式方幂的全体称为()A λ的初等因子.定理7 矩阵()A λ与B λ()等价的充要条件是它们有相同的初等因子,并且秩相等.例题3 求矩阵B 的初等因子,其中11a b b a a b B b a a b b a -⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪- ⎪- ⎪⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭=解:11a b b a a bI B b a a b b a λλλλλλλ-⎛⎫ ⎪-- ⎪ ⎪-- ⎪-- ⎪⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭=由于有两个5阶子式222311[()](),011abbba aa b a b a babba aaa bλλλλλλλλλλλ-----=---=≠--------是互素的,所以5=1D λ()从而14D D λλ()==()=1而又2236[(a)b ]D I B λλλ-=--()=所以B 的不变因子为331566()()1,()(a b)(a b),d d d D λλλλλλ=====---+()所以B 的初等因子为33(a b),(a b).λλ---+3 Jordan 标准型与矩阵可对角化在掌握了λ-矩阵的基本概念:行列式因子、不变因子、初等因子基础上我们将进入Jordan 标准型与矩阵可对角化理论的核心.3.1 对角化的定义及判定定理定义7 如果方阵A 相似于对角阵,即存在可逆矩阵P 和对角阵D ,使得1A PDP -=,则称A 可对角化.定理 [3]8 (对角化定理) n 阶矩阵A 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.事实上,1A PDP -=,D 为对角阵的充分必要条件是P 的列向量是A 的n 个线性无关的特征向量.此时,D 的对角线上的元素分别是A 的对应于P 中的特征向量的特征值.换句话说,A 可对角化的充分必要条件是有n 个线性无关的特征向量形成n的基,我们称这样的向量为特征向量基. 证 首先看到,若P 是列为12,,,n ννν的任一n 阶矩阵,D 是对角线元素为12,,,n λλλ的对角阵,那么[][]1212,,,,,,n n AP A A A A νννννν== (1)而[]121122,,,n n n A PD P λλλνλνλνλ⎛⎫⎪⎪== ⎪ ⎪⎝⎭(2)现在假设A 可对角化且1A PDP -=,用P 右乘等式两边,则有AP PD =.此时由(1)和(2)得[][]121122,,,,,,n n n A A A νννλνλνλν= (3)由列相等,有111222=,=,,=n n n A AA νλννλννλν (4)因为P 可逆,故P 的列12,,,n ννν必定线性无关.同样,因为这些12,,,nννν非零,(4)表示12,,,n λλλ是特征值,12,,,n ννν是相应的特征向量.这就证明了定理中第一,第二和随后的第三个命题的必要性.最后,给定任意n 个特征向量12,,,n ννν,用它们作为矩阵P 的列,并用相应的特征值来构造矩阵D ,由(1)~(3),等式AP PD =成立而不需要特征向量有任何条件.若特征向量是线性无关的,则P 是可逆的,由AP PD =可推出1A PDP -=.证毕.例题4 可能的话,将下面的矩阵A 对角化:243463331A ⎛⎫ ⎪=--- ⎪ ⎪⎝⎭解 由A 的特征多项式:3220det()4(1)(2)A I λλλλλ=-=--+=--+得特征值是1λ=和2λ=.但当我们找特征向量时对于1λ=的特征向量:1111ν⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦对于2λ=的特征向量:2110ν-⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦没有有其他特征向量了,A 的每个特征向量都是1ν或2ν的倍数,因此不能利用A 的特征向量构造出3的基.由定理3.1.1,A 不能对角化.3.2 Jordan 标准型与对角化的关系定义8 形如1212()()()k n n n k J J J J λλλ⎛⎫⎪⎪=⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,(12++=k n n n n +)的块对角阵为Jordan 型矩阵,并称方阵1(),(1,2,,)1i i iiin i i n nJ i k λλλλ⨯⎛⎫⎪⎪≡= ⎪ ⎪⎝⎭为i n 阶Jordan 块.注意 当()i n i J λ都是一阶Jordan 块时,即()()()121122(),(),,()k n n n k k J J J λλλλλλ===,有J 为对角阵,由此看出对角阵其实只是Jordan 阵的特例.性质 1 矩阵J 可对角化,当且仅当k n =.性质2 Jordan 块的个数k (相同的子块计重复出现的次数)是J 的.线性无关特征值向量的个数.定理9 两个数字方阵相似的充要条件是它们的特征矩阵等价.定义9 称n 阶数字矩阵A 的特征矩阵E A λ-的行列式因子、不变因子和初等因子为矩阵A 的行列式因子、不变因子和初等因子.定理10 两个数字方阵相似的充要条件是它们有相同的行列式因子(或不变因子).定理11 复数域上两个数字方阵相似的充要条件是它们有相同的初等因子.注意 其实,结合上定理,不难发现初等因子()ma λ-与m 阶Jordan 块m m11a a a ⨯⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭存在一一对应关系.因此可利用特征矩阵的初等因子求矩阵的Jordan 标准型,即有如下定理:定理12(Jordan 标准型定理) 复数域上任何一个数字方阵A 都与一个Jordan 型矩阵相似,这个Jordan 型矩阵除去其中Jordan 块排序外是被A 唯一确定的,称它为A 的Jordan 标准型.证明: 设n 阶复矩阵A 的初等因子为12m m m 12(),(),,()s s λλλλλλ--- 其中12,,,s λλλ可能有相同的,指数12s m m m 也可能有相同的.每一个初等因子m ()ii λλ-对应于一个Jordan 块,1(),(1,2,,)1i i ii in i i n nJ i s λλλλ⨯⎛⎫⎪⎪≡= ⎪ ⎪⎝⎭.这些Jordan 块构成一个Jordan 型矩阵,12s J J J J ⎛⎫⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭易知, J 的初等因子就是12m m m 12(),(),,()s s λλλλλλ---..由于J 与A 有相同的初等因子,所以它们相似.假设有另一个Jordan 型矩阵K 与A 相似,那么与A 有相同的初等因子,因此,K 与J 除了其中Jordan 块排序外是相同的,唯一性得证.证毕.例题5(1)在例2.2.1中求出的B λ()的初等因子的基础上,求出B 的Jordan 标准型.(2)求出例3.1.1的Jordan 标准型. 解(1)由于B λ()的初等因子为:()()33,a b a b λλ---+所以B 的Jordan 标准型为1111a b a b a b a b a b a b +⎛⎫⎪+ ⎪⎪+ ⎪- ⎪⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭(2)由224314631331(1)(2)I A λλλλλλ---⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪-=+≅ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪----+⎝⎭⎝⎭知A 的Jordan 标准型为1212⎛⎫⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭. 4 Jordan 标准型的性质及应用Jordan 标准化的应用是广泛的,下面将利用其给出Hamilton Cayley-定理的证明,并说明其在矩阵分解及在求解线性微分方程组中的应用.4.1 Jordan 标准型在证明Hamilton Cayley -定理中的应用定理 [4]13(Hamilton Cayley -定理)设A 是复数域C 上任意n 阶方阵,A 的特征多项式为()I A ϕλλ=-||,则()0A ϕ=,其中I 为n 阶单位矩阵.证明:存在秩为n 的n 阶复方阵P ,使1P AP J -=,其中J 是A 的Jordan 标准型,可以写成12n J λδλδλ⎛⎫⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 其中δ代表1或0,因为12,,,n λλλ是A 的特征值,故12()=---n I A ϕλλλλλλλλ=-||()()().从而12()---n A A I A I A I ϕλλλ=()()()11111212---(---n n PJP I PJP I PJP I P J I J I J I P λλλλλλ----=()()()=)()()12121211200n nn n P P λλλλδλλδδλλδλλδλλδ---⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪--⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭= 1210000000n nP P λλδλλδ--⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪**⎝⎭⎝⎭===0利用Hamilton Cayley -定理可以简化矩阵计算.其实,该定理换成线性变换语言为: 定理14[5](关于线性变换的Hamilton Cayley -定理) 设V 为n 维复线性空间,:T V V →为给定的线性变换,设12m λλλ,,为T 的特征值.1()(()T m f λλλλλ=--)为T 的特征多项式.令g()T 表示将()T f λ中的λ用T 代替,k λ用k I λ代替之后所得到的常系数变换,即1g()((m T T I T I λλ=--)), 则g()T 是零算子,即g()T 将V 中每一个向量都映为零向量:g()()0,T x x V =∀∈.注意 每个特征值k λ都满足多项式方程()0T f λ=,Hamilton Cayley -定理则是说T 满足方程()0T f T =.4.2 Jordan 标准型在矩阵分解中的应用定理 15 复数域C 上任意n 阶方阵,都等于两个对称矩阵的乘积,并且其中之一是的非退化的.证明:设A 的Jordan 标准型为12S J J J J ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭则存在P , 使1PAP J -=令111i Q ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, i Q 与i J 阶数相同.令12S Q Q Q Q ⎛⎫⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 则有'1',Q Q Q J QJ Q -===.故11'11'''11'''()(())()A P JP P QJ QP P Q P A PQP P Q P A PQP ------====令11'''(),B P Q P C A PQP--==, 则A BC =其中,B 对称且非退化,C 为对角阵,这是因为'''''1''1''C PQ PA PQ PAP P PQ PAP P PQ JP --==== ''''''1'''()PQJQQP P J QP P J P PQP A PQP C -=====.定理 16[6]设A 是数域P 上的n 阶方阵,能分解成P 上一次因子之积,则A M N =+,其中M 是幂零阵,N 相似于对角阵,且MN NM =.证明(证法一) A M λ()能分解成P 上一次因子之积,说明A 的Jordan 标准型J 是一个n 阶方阵12S J J J J ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭令01010i ii i ii J B C λλλ⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪=+=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭i B 是幂零Jordan 块,i C 是对角阵.设i J 的阶为i r ,12max(,,,)n k r r r =.则1111()A P JP P B C P P BP P CP ----==+=+其中1122,S S B C B C B C B C ⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭. 令11,P BP M P CP N --==则1100k k M P B P P P --===,N 相似于对角阵C ,且111111MN P BPP CP P BCP P CBP P CPP BP NM ------=====证毕.证明(证法二)由定理12,存在可逆矩阵P , 使得1A P JP -=,其中11()()s m m s J J J λλ⎛⎫ ⎪=⎪ ⎪⎝⎭并且()(1,,)i m i J i s λ=是主对角线元为i λ的i m 阶Jordan 块.令01(),(1,,)10i i i ii m i i m m mN J I i s λλ⨯⎛⎫⎪⎪==== ⎪ ⎪⎝⎭,易知i N 是幂零矩阵, 因而11s N N P P N -⎛⎫⎪=⎪ ⎪⎝⎭也是幂零矩阵. 在令111s m s m I M P P I λλ-⎛⎫⎪=⎪ ⎪⎝⎭, 则M 相似于对角矩阵,并且,M N A MN NM +==注意 定理16等价于如下命题:设δ是数域P 上n 维线性空间V 的线性变换,则δϕτ=+.其中ϕ是数域P 上n 维线性空间V 的线性变换且是幂零变换,τ也是数域P 上n 维线性空间V 的线性变换且可对角化,并且ϕττϕ=.4.5 Jordan 标准型在求解线性微分方程组中的应用例题6 解线性微分方程组112212313432d dt d dt d dt ααααααααα⎧=-+⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+⎪⎩解 把微分方程组写成矩阵形式dxAx dt=, 其中112233110,,430102d dt d dx x A dt dt d dt αααααα⎡⎤⎢⎥-⎡⎤⎛⎫⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥===- ⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦对微分方程组实行一个非奇异线性变换X PY =, 其中123010021111P Y βββ⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥== ⎪⎢⎥ ⎪⎢⎥--⎝⎭⎣⎦,. 于是得111200,011001dy dx P P AX P APY JY J dt dt ---⎛⎫⎪===== ⎪ ⎪⎝⎭. 故11223332+d dt d dt d dt βββββββ⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩其一般解为21122333t t t t c e c e c te c e βββ⎧=⎪=+⎨⎪=⎩再由X PY =求得原微分方程组的一般解为123223231232(21)(1)t tt tt t t c e c te c e c t ec e c e c t e ααα⎧=+⎪=++⎨⎪=--+⎩ 其中123,,t t t 是任意常数.注意 解线性微分方程组可以用Jordan 标准型来考察.设P 是将A 化为Jordan 型的相似变换矩阵,若我们引进新变量z , 令y Pz =,则dzPAPz dt=, 亦即1dzP APz dt-=. 方程组的矩阵经过了一次相似变换,它现在是A 的Jordan 标准型.从例题6中可以看到,在解决具体问题中不仅要求出Jordan 标准型,而且需要求出变换矩阵P ,关于矩阵P 的求法可参看文献[6].结 束 语至此,我们透彻地解决了Jordan 标准型与矩阵可对角化的问题,也看到了Jordan 标准型在理解矩阵,多项式等方面的强大应用.但遗憾的是在数值应用方面,几乎没有用到Jordan 标准型——这限制了其在计算机方面的应用.这是因为一个矩阵的Jordan标准型未必是该矩阵的各元素的连续函数,这样,矩阵的各元的一个小的变化就会引起Jordan标准型的各元一个大的变化.这样就不能指望用稳定的方法计算Jordan标准型了.尽管有这样的局限性,Jordan标准型还是值得继续研究的,我们也将其更加深刻地认识到:在线性代数的理论体系下最深刻的概念之一矩阵的Jordan 标准型只不过是包含该矩阵的GL(n,C)-轨道的某一最简单的表示.这一更深刻的认识涉及到群表示理论.总之,在探寻Jordan标准型与矩阵可对角化的关系中,我们认识到了认识是无止境的这一哲学命题,我们也有理由相信还有更加美妙的结果在等待着我们去发现.参考文献[1] 北京大学数学系几何与代数教研室代数小组,高等代数(第二版)[M],北京,高等教育出版社,1998[2] 钱吉林,高等代数解题精粹(第二版)[M],北京,中央民族大学出版社,2002[3]David y,Linear Algebra and Its Applications (Third Edition)[M],Beijing,Pearson Education Asia Limited and China Machine Press,2005[4] Jordan标准型矩阵的性质及其应用[J],德州学院学报(自然科学版),第9卷第4期2003年8月21-23[5]Tom M.Apostol,Linear Algebra:a first course,with applications to differential equations[M],Beijing,Posts & Telecom Press,2010[6] 王卿文,线性代数核心思想及应用[M],北京,科学出版社,2012Jordan Canonical Form and Diagonalization of MatrixAuthor: Xu Zhucheng Supervisor: Wan JinlongAbstract This paper basing on the properties of λ-matrix and diagonalization as the main line,deduces the most profound conclusion ofLinear Algebra -- Jordan canonical form theorem. Then,it uses the Jordancanonical form theorem to solve the problems of the proof of H-CaylayTheory, the matrix decomposition, linear differential equations and so on.Keywords diagonalization of matrixλ-matrix Smith canonical form Jordan canonical form Hamilton-Caylay Theory毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

矩阵Jordan形

矩阵Jordan形

特征根(按重数计Jordan 标准形定理 每个n 阶复数矩阵A 都与一个Jordan 形矩阵J 相似:121;00s J J P A P J J -⎛⎫ ⎪⎪== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭除了Jordan 块的排列次序可以改变外,Jordan 矩阵J 是唯一的, 称它为A 的Jordan 标准形.注意 A 的Jordan 标准形J 的主对角元就是A 的全部 例1 求矩阵2111213211011122 A ----⎛⎫ ⎪ ⎪=⎪ ⎪----⎝⎭的Jordan 标准形J .解 求出A 的特征多项式()31I A λλλ-=+,全体特征值为 0,1,1,1 ---.若A 与相似于Jordan 标准形J : A ∽J ,则它们有相同的特征值,从而有0111J ⎛⎫ ⎪-*⎪= ⎪-* ⎪-⎝⎭其中的*等于1或0.特别注意 若A 的特征值λ是单根,则必有1阶Jordan 块()λ. 由相似关系A I+∽1000J I ⎛⎫⎪*⎪+= ⎪* ⎪⎝⎭可得秩数1111232()()21111121 2 1 r J I r A I rank ----⎛⎫ ⎪ ⎪+=+== ⎪ ⎪----⎝⎭可知J I +中的2个*只有一个等于1,另一个为0,因此011101J ⎛⎫ ⎪-⎪= ⎪- ⎪-⎝⎭或010111J ⎛⎫ ⎪-⎪= ⎪- ⎪-⎝⎭这两个J 本质上是相同的(都含有3个Jordan 块),只是Jordan 块的排列次序不同. 注意 如果两个Jordan 矩阵只是Jordan 块的次序不同,则认为它们本质上相同. 在这个意义上,本题中的J 由A 唯一决定.可写A ∽01111 J ⎛⎫ ⎪-⎪= ⎪- ⎪-⎝⎭.另外,可找到一个可逆阵101131001010211P -⎛⎫ ⎪-⎪= ⎪- ⎪--⎝⎭使得01111AP P PJ ⎛⎫⎪-⎪== ⎪- ⎪-⎝⎭即1PA P J-=.例2 设 110430102A -⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭, (1)求Jordan 标准形J ,并判断A 可否对角化;(2)求相似变换阵P ,使1P AP J -=. 解 A 的特征多项式为:2||(2)(1)I A λλλ-=--,特征值为2,1,1 .所以A∽ 200011001J ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭. 注意, 若A 的特征值λ是单根,则必有1阶Jordan 块()λ. 由于J 含有2阶Jordan 块,可知A 不能对角化.令123(,,)P X X X =,(1,2,3)i X i =为列向量,则 AP=PJ ,即123123200(,,)(,,)011001A X X X X X X ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 即 1122322,,A X X A X X A X X X===+. 所以1X 为A 的关于2λ=的特征向量;2X 为A 的关于1λ=的特征向量;3X 是非齐次方程32()A I X X -=的解(广义特征向量).由1(2)0I A X -= 解出1(0,0,1)T X =, 由2()0I A X -= 解出2(1,2,1)T X =-,由32()A I X X -= 解出3(1,1,0)T X =--,或3(0,1,1)T X =- 令123011(,,)021110P X X X -⎛⎫⎪==- ⎪ ⎪-⎝⎭,或010021111P ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪--⎝⎭可知 200011 001AP P P J ⎛⎫⎪== ⎪ ⎪⎝⎭即 1P A P J-=. 例3 试证:每个Jordan 块k J 都相似于它的转置Tk J . 证 计算可知11001011111001001λλλλ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦. 注 由此例可知,每个Jordan 矩阵J 都相似于它的转置:J ∽T J (下三角矩阵).利用此例3与Jordan 标准形定理可得:推论3 每个方阵A 都相似于它的转置T A : A ∽T A . 例4 设k 为自然数,0kA =,试证:||1A I +=证 由0kA =知A 的特征值全为零, 从而Jordan 标准形J 的主对角线元素全为零.利用1A PJP-=,可知 11||||||||||1A I PJPI P J I P--+=+=+=.小结 两个看上去很不相同的矩阵可以相似,因此,一条确定两个矩阵是否相似的途径是,设想有某个具有指定简单形式的矩阵集合,然后看这两个已知矩阵是否可以通过相似化成这些简单形式中的一个.如果它们能做到,那么它们必定是相似的(因为相似关系是传递的和对称的),Jordan 标准形就是符合这个要求的简单形式. 本节的主要结果是,每个复矩阵都相似于一个实质上是唯一的Jordan 矩阵.Jordan 标准形定理可以说是矩阵相似理论的一个制高点. 有了Jordan 标准形许多问题就很清楚了.注 相应于每个单独的Jordan 块()m J λ,恰好有矩阵J 的一个特征向量:它是属于矩阵J 中每个()m J λ的第一个对角元素. 从而J 中Jordan 块的个数就是A 的线性无关特征向量个数.补充若干论断和应用利用参考书:R .Horn and C.Johnson. Matrix Analysis, 1985 . 我们不加证明给出下列补充结论.(1) 给定Jordan 标准形J ,可以得到如下几点结论: (2).每个Jordan 块()k J λ恰好对应着属于λ的一个特征向量;(3) 每个值λ,其对应Jordan 块()k J λ的个数等于它的几何重数:()n r A I λ--; (3).Jordan 块的总数(按重复计)等于J 的线性无关特征向量个数利用相似关系 A ∽J 对应的秩数公式: ()()k k rank A bI rank J bI -=-, 可建立以下差分格式,求出方阵A 的Jordan 标准形J. 给定特征值λ(1) 计算秩数 :()k r A I λ- 1, 2,k =规定 0r n = , 1()r r A I λ=-, 22()r r A I λ=-,(2) 计差:1k k k d r r +=-,0, 1, 2,k =01d n r =-, 112d r r =-, 223d r r =- ,(3) 计差:1k k k l d d -=-,1, 2,k =101l d d =-,212l d d =-,323l d d =-,则(1) J 中含有λ的Jordan 块共有 0()d n r A I λ=-- 个; (2) J 中含λ的k 阶Jordan 块恰有 k l 个,1, 2,k = . 注1 若A 的特征值λ是单根,则必有1阶Jordan 块()λ. 注2 可以证明:必有一个自然数k 使得,1()()kk r A I r A I λλ+-=-== 常数.从而有 10k k d d +=== .补充例子例5 用求秩法求以下矩阵的Jordan 标准形341145110032021A --⎛⎫ ⎪-- ⎪= ⎪- ⎪-⎝⎭. 解 特征多项式为:223432||(1)(1)4521I A λλλλλλλ---==+--+-+.计算秩数令1:λ=-()3r A I +=,2()2r A I +=,3()2r A I +=. 令 01234, 3, 2, 2r r r r ====,按差分格式,有12410311202l l ∙== 得知,1λ=-恰有1个2阶Jordan 块1101 -⎛⎫ ⎪-⎝⎭; 同理可知,含有1λ=的Jordan 块为1101 -⎛⎫ ⎪-⎝⎭, 从而可得A∽ 110001000011001J -⎛⎫ ⎪-⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭.习 题1. 如果A 与B 相似,C 与D 相似,试证: ⎪⎪⎭⎫⎝⎛C OO A 与 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛D O O B相似. 2. 若A 与B 都是方阵,证明 00 A B ⎛⎫ ⎪⎝⎭与00 B A ⎛⎫⎪⎝⎭相似.3. n 阶矩阵A 叫做幂零的,如果存在一个自然数m 使A m =0. 证明: (1) A 是幂零矩阵当且仅当它的特征多项式的根全是0;(2) 如果一个幂零矩阵A 可以对角化,那么A 一定是零矩阵; (3) 如果A 是幂零阵,且0A ≠,则A 不能对角化;(4) 如果A 是幂零阵,则 ||1A I +=.4. 证明: 每个阶数大于1的Jordan 块都不能对角化.5. 设0ε>,证明:下列两个矩阵A 与B 不能相似101011100b bA bb ⨯⎛⎫⎪ ⎪⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭10101110bbB bb ε⨯⎛⎫⎪⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭. 6. 求下列矩阵的Jordan 标准形J 及其相似变换阵P . (1) 301121103⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦(2) 170250109013-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦(3) 120020221⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦ (4) 460350361⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥--⎣⎦ (5) 211212112--⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦7. 用求秩方法求下列矩阵的Jordan 标准形. (1) 1231123123⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎪⎝⎭ (2)3131131331311313 --⎛⎫ ⎪--⎪ ⎪-- ⎪--⎝⎭ (3)341145110032021--⎛⎫⎪--⎪ ⎪- ⎪-⎝⎭(4) 111333222-⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥--⎣⎦ (5) 308316205⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦(6) 142034043⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦(7) 211221121-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦ (8) 131011001-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ (9) 126103114--⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦ . (10)400004003040034⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭(11)111011010024012-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪- ⎪-⎝⎭,(12) (0)n na a a a aa aA a a ⨯⎛⎫⎪⎪=≠ ⎪ ⎪⎝⎭8. 试写出两个矩阵,它们的Jordan 标准形都是20001101J ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 9. 设1221A --⎛⎫=⎪-⎝⎭,求00A B A ⎛⎫= ⎪⎝⎭与0AI C A ⎛⎫= ⎪⎝⎭的Jordan 标准形. 10. 利用Jordan 标准形证明: 每个方阵A 都相似于它的转置T A : A ∽T A . 11. 已知A 的Jordan 标准形J ,b 为复数. 证明:()()k k rank bI A rank bI J -=-. 12. 已知5阶方阵A 适合条件223, 2, ()4, ()3rankA rankA rank A I rank A I ==+=+=.求A 的Jordan 标准形J .13. 已知n 阶方阵A 满足10n n A A -=≠,求其Jordan 标准形为J .14. 利用方阵A 的Jordan 标准形证明:如果1()()k k rank A rank A r +==,则对任何自然 数l 必有 ()k l rank A r +=.15. 设b 是n 阶方阵A 的k 重特征值,证明:()k rank A bI n k -=-.16. 设n 阶上三角阵0A ≠,且主对角元都是0.则A 的Jordan 标准形不是对角阵.∽∽∽例 已知8阶方阵A 适合:23(2)4, (2)1, (2)0rank A I rank A I A I -=-=-=, 求A 的Jordan 标准形J .解 按差分格式, 有 1284143 2110l l ∙==2100021002210221022J ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 另外可知10000100012,0010000J I ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦20100000000(2)0000000J I ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦, 3(2)0J I -= 例 求以下矩阵的Jordan 标准形,并求变换阵P ,使1P AP J -=.111111201232011212202A ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪-=⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭解 特征多项式为5||(1)(2)I A λλλ-=-- 令2λ=1111110012300112012000A I -⎛⎫ ⎪ ⎪⎪--=⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,211103300012000()000000A I --⎛⎫ ⎪⎪⎪+=⎪⎪⎪⎪ ⎪⎝⎭3111021000000000()000000A I ---⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪+=⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭(2)4r A I -=, 2(2)2r A I -=, 3(2)1r A I -=,4(2)1r A I -= 令 012346, 4, 2, 1, 1r r r r r =====,按差分格式,有12362042 1 211101l l l ∙=== 得知2λ=共有2个Jordan 块(1个2阶块,1个3阶块): 2102⎛⎫ ⎪⎝⎭, 21002102⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭另外1λ=是单根,它对应1阶的Jordan 块为 1(1) J =,可知Jordan 标准形为 1210212212J ⎛⎫ ⎪⎪⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭. 另外可求得变换矩阵为1310400340100030330030000001020021P --⎛⎫ ⎪-- ⎪ ⎪=⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭,它满足A P JP =,即 1P A P J -=。

jordan标准型中jordan块阶数与个数的确定

jordan标准型中jordan块阶数与个数的确定

Jordan标准型和Jordan块是线性代数中的重要概念,它们在矩阵理论和特征值分解中起着关键的作用。

在本文中,我们将讨论Jordan标准型中Jordan块的阶数和个数的确定方法。

1. Jordan标准型简介Jordan标准型是一个对角矩阵,它是一个矩阵相似于一个特定形式的矩阵,形式为分块对角,每个对角块都是Jordan块。

对于一个n阶矩阵A,如果存在一个n阶非奇异矩阵P,使得P^-1AP为Jordan标准形式,那么P的列向量就是A的一个Jordan基。

2. Jordan块的定义对于一个n阶矩阵A,如果存在一个n阶向量空间V和一个向量v∈V,使得A(v)=λv,A(v_i)=λv_i+v_i-1(i=2,..., n),v_1=v,那么由向量v_i组成的矩阵:\begin{bmatrix} λ & 1 & 0 & 0 & ... \\ 0 & λ & 1 & 0 & ... \\ 0 &0 & λ & 1 & ... \\ ... & ... & ... & ... & ... \\ 0 & 0 & 0 & 0 & λ\end{bmatrix}就是A的一个Jordan块。

3. Jordan块的阶数和个数的确定对于一个矩阵A的Jordan标准型,Jordan块的阶数和个数可以通过以下步骤确定:3.1 计算A的特征值和几何重数。

对于A的特征值λ,其几何重数为m,即A的特征值λ的重数。

3.2 确定每个特征值对应的Jordan块的个数和阶数。

对于每个特征值λ,其对应的Jordan块的个数和阶数可以通过以下步骤确定:- 计算A-λI的秩r。

- 判断r和m的大小关系:- 如果r=m,即A-λI的秩等于λ的几何重数,那么λ对应的Jordan 块的个数为1,阶数为r;- 如果r<m,即A-λI的秩小于λ的几何重数,那么λ对应的Jordan 块的个数为n-r,阶数为r;- 如果r=m-1,即A-λI的秩等于λ的几何重数减1,那么λ对应的Jordan块的个数为2,阶数为r。

《若当Jordan形矩阵》课件

《若当Jordan形矩阵》课件
块对角化
通过适当的线性变换,广义若当矩阵可以转化为块对角形式,使得各个块在主对 角线上。
若当矩阵的几何解释
线性流形
若当矩阵描述了线性流形上的变换,通过矩阵的乘法可以研究流形的变换性质。
特征空间与值域
若当矩阵的特征空间和值域是理解矩阵的重要几何工具,它们在矩阵的几何解释中起到关键作用。
若当矩阵在量子力学中的应用
量子态演化
在量子力学中,若当矩阵用于描述量子态的 演化,特别是在开放量子系统中的演化。
约旦形式与量子纠缠
约旦形式在处理量子纠缠问题中发挥了重要 作用,提供了理解和解决量子纠缠问题的新 视角。
THANKS
谢谢
稳定性分析
通过若当矩阵可以分析微分方程 的稳定性,若当矩阵的若当块的 大小和位置与系统的稳定性和动 态行为有关。
数值计算
在数值计算中,若当矩阵可以用 于离散化微分方程,提高数值计 算的精度和稳定性。
在控制论中的应用
线性时不变系统
若当矩阵可以用于描述线性时不变系统的状 态空间模型,通过若当矩阵可以分析系统的 动态行为和稳定性。
矩阵A可相似对角化
01
存在可逆矩阵P,使得$P^{-1}AP$为对角矩阵。
特征值和特征向量
02
矩阵A的特征值和特征向量是相似对角化的基础,特征值和特征
向量通过解线性方程组得到。
线性无关的特征向量
03
对于矩阵A的每一个特征值,存在一组线性无关的特征向量。
构造方法
寻找特征值和特征向量
首先需要找到矩阵A的特征值和特征向量。
控制系统设计
在控制系统设计中,若当矩阵可以用于分析和设计
通过若当矩阵可以设计状态观测器,对系统 的状态进行估计和补偿,提高系统的控制精 度和稳定性。

jordan标准型行列式因子法

jordan标准型行列式因子法

jordan标准型行列式因子法在代数学中,行列式是一种非常重要的数学工具,它在线性代数、微积分、矩阵理论等领域中广泛应用。

行列式的计算方法有很多种,其中之一就是Jordan标准型行列式因子法。

本文将详细介绍Jordan标准型行列式因子法及其应用。

首先,让我们来了解一下Jordan标准型行列式因子法的基本概念。

Jordan标准型是一个矩阵的一种特殊形式,它由Jordan块组成。

Jordan块是一个上三角矩阵,它的对角线上有一个相同的特征值,而其上方恰好有一个非零元素。

Jordan标准型行列式因子法可以将一个矩阵通过相似变换转化为Jordan标准型,从而更方便地进行运算和分析。

接下来,我们将详细介绍Jordan标准型行列式因子法的计算步骤。

给定一个n阶方阵A,我们首先需要求出其特征多项式。

特征多项式是一个关于λ的多项式,它的根就是矩阵A的特征值。

求解特征多项式可以使用特征值和特征向量的性质,或者利用行列式恒等式来计算。

得到特征多项式后,我们可以通过因子分解的方法将其表示为一组不可约多项式的乘积形式。

每个不可约多项式对应一个特征值,且其阶数对应于该特征值的代数重数。

这些不可约多项式的形式正是Jordan标准型的特征多项式形式。

接下来,我们需要根据特征值找到对应的特征向量。

对于每个特征值λ,我们可以通过求解(A-λI)x=0来找到相应的特征向量。

特征向量的个数等于特征值的几何重数。

最后,我们要将特征向量和特征值的关系转化为矩阵的相似变换关系,从而得到Jordan标准型。

它的形式为J=S^(-1)AS,其中J是Jordan标准型矩阵,S是特征向量组成的矩阵,S^(-1)是矩阵S的逆矩阵。

通过Jordan标准型行列式因子法,我们可以更方便地对矩阵进行运算和分析。

例如,我们可以通过计算Jordan标准型的幂来快速求解高阶矩阵的幂,或者通过观察Jordan块的结构来研究线性系统的稳定性和解的性质。

总结起来,Jordan标准型行列式因子法是一种将矩阵通过相似变换转化为Jordan标准型的方法。

矩阵的Jordan标准型介绍

矩阵的Jordan标准型介绍

矩阵的Jordan 标准型介绍——Jordan 标准型是相似意义下零元素最多的矩阵吗?线性代数中的一个核心的结果(见[1,2])是Jordan 标准型定理:任何一个复数域上的方阵A 都相似于一个Jordan 矩阵1122()((),(),,())J A diag J J J σσλλλ=…,其中11()1i i i i i i J λλλλλ⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠,1,2,,i σ=…,i λ为矩阵A 的特征值。

(注意:对i ,可能有j j ≠i λλ=成立)对于Jrodan 块的置换来说,Jordan 标准型是唯一的(见[2])。

由线性代数中的内容已知,所有与A 相似的矩阵都有与A 置换意义下相同的Jordan 标准型。

那么所有与A 相似的矩阵(包括A )中,是不是含有0元素最多的矩阵呢?答案是否定的。

例如:取()J A 0201100001000010A −⎛⎞⎜⎟⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎝⎠,则,11000100()00110001J A −⎛⎞⎜⎟−⎜=⎜⎜⎟⎝⎠⎟⎟A 有11个0元素,却只有10个0元素。

()J A 通过观察我们还能发现,矩阵A 的主对角线元素都为0,而且去掉主对角元素以后A 含有7个0元素,而则仍含有10个0元素,那么我们就要问:所有与()J A A 相似的矩阵(包括A )中,是不是含有非主对角线0元素最多的矩阵呢?答案是肯定的。

文献[3]给出了证明。

()J A参考文献[1]. R.A. Brualdi, The Jordan canonical form: an old proof, Amer. Math. Monthly 94(1987) 257–267.[2].R.A. Horn, C.R. Johnson, Matrix Analysis, Cambridge University Press, 1985,121–127 and 150–153.[3].R. A. Brualdi, P. Pei, X. Zhan, An extremal sparsity property of the Jordancanonical form, Linear Algebra Appl. 429(2008) 2367-2372.。

矩阵函数的Jordan分解

矩阵函数的Jordan分解

矩阵函数的Jordan分解矩阵函数的Jordan分解是一种常用的矩阵分解方法,它可以帮助我们对复杂的矩阵函数进行简化和分析。

在数学和工程领域,矩阵函数的Jordan分解具有重要的应用价值和理论意义。

Jordan标准型在介绍矩阵函数的Jordan分解之前,我们首先要了解矩阵的Jordan标准型。

对于一个矩阵A,存在可逆矩阵P,使得P−1AP为Jordan标准型。

Jordan标准型的形式可以表示为:$$ J = \\begin{pmatrix} J_{n_1}(\\lambda_1) & & \\\\ & \\ddots & \\\\ & & J_{n_k}(\\lambda_k) \\end{pmatrix} $$其中$J_{n_i}(\\lambda_i)$是一个$n_i \\times n_i$的Jordan块,$\\lambda_i$是特征值,n i是特征值$\\lambda_i$的代数重数。

矩阵函数的Jordan分解对于一个矩阵函数f(A),其中f(x)是一个标量函数,我们可以将其Jordan分解为:f(A)=P−1f(J)P其中P是矩阵A的Jordan分解的可逆矩阵,J是A的Jordan标准型。

利用矩阵函数的Jordan分解,我们可以将原始矩阵函数f(A)转化为对角矩阵函数f(J),方便进行计算和分析。

应用领域矩阵函数的Jordan分解在控制论、信号处理、优化等领域具有重要的应用价值。

在控制系统设计中,矩阵函数的Jordan分解可以帮助我们分析系统的稳定性和性能,优化系统的控制策略。

在信号处理领域,矩阵函数的Jordan分解可以用于信号的变换和压缩,提高信号处理的效率和精度。

在优化问题中,矩阵函数的Jordan分解可以简化优化模型,加快优化算法的收敛速度。

总结矩阵函数的Jordan分解是一种重要的矩阵分解方法,可以帮助我们对复杂的矩阵函数进行简化和分析。

关于Jordan标准形的教学探讨

关于Jordan标准形的教学探讨

关于Jordan标准形的教学探讨Jordan标准形是数学中一个非常重要的概念,特别是在代数学和线性代数中经常会涉及到。

它的概念和性质在数学教学中有着非常重要的地位,因此本文将对Jordan标准形进行教学探讨,包括其基本概念、性质和相关的教学方法。

一、Jordan标准形的基本概念Jordan标准形是线性代数中对于方阵进行相似对角化的一种形式,它的基本定义是:如果一个矩阵A的特征多项式可分解成线性因子的乘积,即\[|A - \lambda I| = ( \lambda_1 - \lambda)^{m_1}( \lambda_2 -\lambda)^{m_2} ...( \lambda_k - \lambda)^{m_k},\]其中每个\( \lambda_i\)是A的不同特征根,而\(m_i\)是对应的特征根\( \lambda_i\)的重数。

那么A就可以相似对角化成Jordan标准形。

具体来说,一个n阶方阵A相似对角化成Jordan标准形的表示为:\[P^{-1}AP = J,\]其中P是可逆矩阵,J是Jordan标准形,它的形式为:\[J = \begin{pmatrix}J_1 & 0 & \cdots & 0 \\0 & J_2 & \cdots & 0 \\\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\0 & 0 & \cdots & J_k\end{pmatrix},\]其中每个J_i是形如下面的Jordan块:\[J_i = \begin{pmatrix}\lambda_i & 1 & 0 & \cdots & 0 \\0 & \lambda_i & 1 & \cdots & 0 \\0 & 0 & \lambda_i & \cdots & 0 \\\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\0 & 0 & 0 & \cdots & \lambda_i\end{pmatrix},\]特别地,如果\(m_i = 1\),那么对应的Jordan块就是一个\(1 \times 1\)的矩阵,即只有一个特征值。

矩阵jordan标准型例题

矩阵jordan标准型例题

矩阵jordan标准型例题英文回答:To understand the Jordan canonical form of a matrix,let's start by defining what it is. The Jordan canonical form, also known as the Jordan normal form, is a way to represent a square matrix in a specific form that provides useful information about its properties. It is named after the mathematician Camille Jordan who introduced it.The Jordan canonical form is a block diagonal matrix, where each block represents a Jordan block. A Jordan block is a square matrix with a specific structure. It has a diagonal with the same eigenvalue repeated along it, and ones on the superdiagonal (the diagonal just above the main diagonal). The size of the Jordan block is equal to the number of ones on the superdiagonal.For example, consider the matrix A = [[2, 1], [0, 2]]. To find its Jordan canonical form, we first need to findits eigenvalues. The eigenvalues of A are both 2. Next, we find the eigenvectors corresponding to each eigenvalue. In this case, the eigenvector for eigenvalue 2 is [1, 0]. Now, we can construct the Jordan canonical form.Since we have one eigenvalue with multiplicity 2, we will have one Jordan block of size 2. The Jordan block for eigenvalue 2 is [[2, 1], [0, 2]]. Therefore, the Jordan canonical form of A is [[2, 1], [0, 2]].中文回答:要理解矩阵的Jordan标准型,让我们从定义开始。

拉普拉斯矩阵的约当形式

拉普拉斯矩阵的约当形式

拉普拉斯矩阵的约当形式拉普拉斯矩阵的约当形式拉普拉斯矩阵(Laplacian Matrix)是图论中的一个重要概念,它描述了无向图的拓扑结构和节点之间的关系。

在图的分析和网络科学中,拉普拉斯矩阵被广泛应用于图的划分、聚类、嵌入等问题。

本文将着重讨论拉普拉斯矩阵的约当形式,并介绍其应用。

1. 拉普拉斯矩阵简介在无向图中,拉普拉斯矩阵定义为:$L = D - A $其中,D是度数矩阵(Degree Matrix),A是邻接矩阵(Adjacency Matrix)。

度数矩阵是一个对角矩阵,其每个元素都表示该节点的度数。

邻接矩阵则记录了图中节点之间的连接关系。

拉普拉斯矩阵描述了节点之间的距离和相互作用,因此可以看作是图的一种特殊表示。

对于一个无向图G=(V,E),其中V是节点集,E是边集,拉普拉斯矩阵的大小为|V|×|V|。

其中,对角线元素为每个节点的度数,非对角线元素则表示节点之间的连接关系。

具体来说,如果节点i和节点j相邻,则$L_{i,j}=-1$;否则,$L_{i,j}=0$。

同时,拉普拉斯矩阵是一个对称半正定矩阵。

2. 拉普拉斯矩阵的性质与应用拉普拉斯矩阵有以下性质:(1) 对于任意的向量f,都有$f^T L f\ge 0$。

(2) $L_{i,j}$表示节点i和节点j之间的“相似度”,当$i=j$时,$L_{i,j}$表示该节点与其他节点的“不相似度”。

(3) 对于无向图G,它的拉普拉斯矩阵的特征值和特征向量都非负。

(4) 图的连通性与拉普拉斯矩阵的特征值有关。

具体来说,图G的拉普拉斯矩阵$L$的特征值为$\lambda_1=0<\lambda_2\le\lambda_3\le\cdots\le\lamb da_{n-1}\le\lambda_n$,其中$n$为图的节点数。

当且仅当图G连通时,$\lambda_2>0$,此时$\lambda_2$即为图G 的代数连通度。

求矩阵jordan标准型

求矩阵jordan标准型

求矩阵jordan标准型矩阵Jordan标准型是线性代数中一个非常重要的概念,它可以帮助我们更好地理解和分析线性变换。

在这篇文档中,我们将详细介绍求解矩阵Jordan标准型的方法,希望能够帮助到正在学习线性代数的同学们。

首先,我们来了解一下什么是矩阵Jordan标准型。

矩阵Jordan标准型是指,对于任意一个n阶方阵A,都存在一个可逆矩阵P,使得P^-1AP是一个特殊形式的矩阵,这个特殊形式就是Jordan标准型。

具体来说,Jordan标准型是一个分块对角矩阵,每个对角块都是一个Jordan块,而Jordan块是一个形如λI+N的矩阵,其中λ是A的特征值,N是一个特殊的矩阵,称为Jordan块。

接下来,我们来介绍如何求解矩阵Jordan标准型。

首先,我们需要求出矩阵A的特征值和特征向量。

假设矩阵A有n个互不相同的特征值λ1,λ2,...,λn,对应的特征向量分别为v1,v2,...,vn。

然后,我们将这些特征向量按照特征值进行分组,得到线性无关的特征向量组成的矩阵P。

接下来,我们可以利用P^-1AP的形式化简出Jordan标准型。

具体来说,我们可以按照以下步骤来求解矩阵Jordan标准型:1. 求出矩阵A的特征值和特征向量。

2. 将特征向量按照特征值进行分组,组成矩阵P。

3. 计算P^-1AP,得到矩阵的Jordan标准型。

需要注意的是,当矩阵A的特征值重复时,我们需要使用Jordan块的形式来表示特征向量。

具体来说,假设特征值λ的代数重数为k,几何重数为r,那么对应于λ的Jordan块的大小为r×r,且其上对角线元素全为λ,下对角线元素全为1。

通过这种方式,我们可以得到矩阵A的Jordan标准型。

最后,我们来举一个具体的例子来说明如何求解矩阵Jordan标准型。

假设我们有一个3阶方阵A,其特征值为λ1,λ2,λ3,对应的特征向量为v1,v2,v3。

我们按照特征值进行分组,得到矩阵P=[v1,v2,v3],然后计算P^-1AP,就可以得到矩阵A 的Jordan标准型。

数学专业英语词汇(J-K)_数学物理英语词汇

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jacobi bracket 雅可比括号jacobi canonical form 雅可比标准型jacobi criterion 雅可比准则jacobi identity 雅可比恒等式jacobi method 雅可比法jacobi polynomial 雅可比多项式jacobian 函数行列式jacobian curve 雅可比曲线jacobian matrix 函数矩阵jacobian method of eigenvalue problem 特盏问题的雅可比法jacobian variety 雅可比簇jacobson radical 雅讣森根基jet 导网join 并集joint distribution 联合分布jordan algebra 约当代数jordan automorphism 约当自同构jordan canonical form theorem 约当标准型定理jordan curve 约当曲线jordan dedekind chain condition 约当绰金链条件jordan domain 约当域jordan homomorphism 约当同态jordan matrix 约当矩阵jordan measurable 约当可测的jordan measure 约当测度jordan module 约当模jordan normal form 约当标准型jordan ring 约当环joukowski function 儒可夫斯基函数judgment 判断jump 跳跃jump function 跳跃函数jump instruction 转移指令jump point 跳跃点juxtaposition 并列k connected graph k连通图k isomorphism k同构k rational point k有理点k samples problem k样本问题k statistic k统计量k th moment k阶矩k theory k理论k vertex connected graph k连通图k3 surface k3曲面kaplansky density theorem 卡普兰斯基稠密性定理kappa curve 曲线karnaugh map 卡诺图kelvin transformation 凯尔文变换kepler equation 开普勒方程kepler laws 开普勒定律kernel 核kernel function 核kernel of an integral equation 积分方程的核kernel of integral operator 积分算子核kernel of linear mapping 线性映射的核kernel preserving functor 核保存函子key 链keyboard 盘killing form 基林形式kilogram 公斤kinematic potential 动势kinematics 运动学kinetic energy 动能kinetics 动力学kirchhoff law 克希霍夫定律klein bottle 克莱茵瓶klein coordinates 克莱茵坐标klein geometry 克莱茵几何klein model 克莱茵模型kleinian function 克莱茵函数kleinian group 克莱茵群knot 纽结knot complement 结点余空间knot theory 纽结理论known 己知known number 已知数kolmogorov criterion 柯尔莫哥洛夫准则kolmogorov smirnov test 柯尔莫哥洛夫斯米尔诺夫检验kolmogorov test 柯尔莫哥洛夫检验krein milman property 克莱因米尔曼性质kronecker delta 克罗内克符号kronecker existence theorem 克罗内克存在性定理kronecker index 克罗内克指数kronecker product 克罗内克积kronecker symbol 克罗内克符号kuhn tucker theorem 库二克定理kummer surface 库默尔曲面kummer test 库默尔判据kurtosis 峰态。

数学专业英语词汇(J

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Jordan矩阵介绍

Jordan矩阵介绍

p2
3.求相似变换矩阵 P 和 A 的 Jordan 标准形
{p1 }是 A 的对应于特征值 λ1 = 1 的长度为 1 的广义特征向量组, 由上面易知,
{p2 , p3 } 是 A 的对应于特征值 λ1 = 1 的长度为 2 的广义特征向量组, {p4 }是 A 的
对应于特征值 λ1 = 2 的长度为 1 的广义特征向量组。
3 i 1 0 0 i 1 0 0 i
⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ 0 1⎟ ⎟ 0 0⎠
是 8 阶 Jordan 矩阵,它是由 4 个 Jordan 块 J 2 (3) , J 1 (3) , J 3 (i) , J 2 (0) 组成。 因为一阶 Jordan 块为一阶方阵,所以对角矩阵也是 Jordan 矩阵。 若矩阵 A 相似于一个 Jordan 矩阵 J ,则称 J 为矩阵 A 的 Jordan 标准形。
⎞ ⎛ J m1 (λ1 ) ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ J m2 ( λ 2 ) ⎟ ⎜ J= ⎟ ⎜ O ⎟ ⎜ ⎜ J ms ( λ s ) ⎟ ⎠ ⎝
当 m1 + m2 + L + m s = n 时,称 J 是 n 阶 Jordan 矩阵。 例3 矩阵
⎛3 1 ⎜ ⎜0 3 ⎜ ⎜ ⎜ J =⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝
( A − λE ) m −1 p ≠ 0 ,

( A − λE ) m p = 0
则称向量 p 是矩阵 A 的对应于特征值 λ 的一个 m 阶广义特征向量。 由定义可知,A 的对应于特征值 λ 的一个 1 阶广义特征向量就是 A 的对应于
3
特征值 λ 的特征向量。 显然,若 ( A − λE ) m −1 p ≠ 0 ,则 ( A − λE ) k p ≠ 0 ( k = 0 , 1 , 2 , L , m − 1) 。设 p 是矩阵 A 的对应于特征值 λ 的 m 阶广义特征向量,定义 {p1 , p 2 ,L, p m } 如下: pm = p , p m −1 = ( A − λE ) p ,

jordan块的定义

jordan块的定义

jordan块的定义Jordan块是指在矩阵理论中,由Jordan矩阵的特征值所决定的一种特殊的矩阵块结构。

Jordan块在线性代数和矩阵分析中具有重要的应用价值,对于理解和解决特征值和特征向量的问题具有重要意义。

在矩阵理论中,Jordan块是一种形式上类似于对角矩阵的特殊矩阵结构。

对于一个n阶矩阵A,如果它的特征值λ存在重复根,那么A一定可以相似于一个由若干个Jordan块组成的矩阵,每个Jordan 块都与该特征值对应。

一个Jordan块由一个特征值λ和一个Jordan链组成。

Jordan链是由若干个Jordan向量组成的向量序列,每个Jordan向量都与特征值λ相对应。

一个Jordan向量是一个非零向量,它满足以下条件:(1)它是矩阵A-λI的零空间的向量,其中I是单位矩阵;(2)它不属于矩阵A-λI的零空间的任何一个真子空间。

Jordan块的形式可以用一个上三角矩阵来表示,其中主对角线上都是特征值λ,而主对角线上方的第一条次对角线上都是1,其余元素都是0。

Jordan块的大小取决于特征值λ在矩阵A中的重复次数。

Jordan块在矩阵的特征值和特征向量问题中起到了重要的作用。

通过将矩阵A相似对角化为Jordan块形式,我们可以更加清晰地理解特征值和特征向量之间的关系,从而进一步推导出矩阵A的幂、指数函数等的计算公式。

Jordan块的性质和应用也被广泛研究和应用于其他领域。

在控制理论中,Jordan块被用来描述线性时不变系统的模态分析和系统稳定性。

在数值计算和计算机图形学中,Jordan块可以用来简化矩阵运算和计算特征值的过程,提高计算效率。

在量子力学和量子信息领域,Jordan块的概念也被引入到量子态的描述和演化过程中。

Jordan块是矩阵理论中的一个重要概念,具有广泛的应用价值。

通过研究和理解Jordan块的定义和性质,我们可以更好地理解和解决特征值和特征向量的问题,以及其他相关领域中的数学和物理问题。

矩阵的jordan分解 算法

矩阵的jordan分解 算法

矩阵的jordan分解算法矩阵的Jordan分解是一种重要的矩阵分解方法,它将原始矩阵分解成若干个Jordan块的形式,可用来求解线性常微分方程、矩阵特征值和特征向量等问题。

本文将对Jordan分解算法进行详细介绍,涵盖其基本概念、计算方法及其应用。

一、基本概念1. 矩阵的Jordan块一个矩阵A是Jordan块,如果其形式为:$$A=\begin{pmatrix}\lambda & 1 &0 &\cdots &0\\0 &\lambda &1 &\cdots &0\\\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\vdots \\\vdots &\vdots & &\ddots &1\\0 &0 &\cdots &0 & \lambda\end{pmatrix}$$其中$\lambda$是矩阵A的特征值,且矩阵A中只有两种取值:$\lambda$和1。

对于一个$n\times n$的Jordan块,其特征值为$\lambda$,其代数重数为n。

2. Jordan分解一个$n\times n$矩阵A可以分解成如下形式:$$A=PJP^{-1}$$其中P是$n\times n$可逆矩阵,J是如下形式的矩阵:$$J=\begin{pmatrix}J_1 & 0 &\cdots &0\\0 &J_2 &\cdots &0\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\0 &0 &\cdots & J_k\end{pmatrix}$$其中$J_1,J_2,\cdots ,J_k$是各自是Jordan块,且$J_1+J_2+\cdots +J_k=A$。

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Jordan matrix:Observation:(1) If 1i n =for each i, then J is a diagonal matrix.(2) If 1i n >for some i, then J is not diagonal(3) If 1i n >for some i, then J is not diagonable.Theorem 3.1.5: Let n A M ∈be a strictly upper triangular matrix. Then there is a nonsingular matrix n S M ∈ and integers 12,,,k n n n with 121k n n n ≥≥≥≥ and 1k i i nn ==∑ such that11(0)00(0)n nk J A S S J -⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦Theorem 3.1.11: Let n A M ∈. Then there is a nonsingular matrix n S M ∈such that1111()00()n nk k J A S S SJS J λλ--⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦, where 1k i i n n ==∑and 12(){,,,}k A σλλλ= . Furthermore, J is unique up to permutation of the diagonal Jordan blocks.Jordan Canonical Forms: Every matrix n A M ∈is similar to one and only one Jordan matrix.11()0~0()n nk k J A J λλ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(1) The number of Jordan blocks in J is the number of linearly independent eigenvectors belonging to J(2) J is diagonableiff k n =(3) The number of Jordan blocks associated with λ(number of Jordan blocks ()l J λ for some l ) is the generic multiplicity of λ; that is, the dimension of the eigenspace corresponding to λ. The sum of the sizes of the Jordan blocks corresponding to λ is the algebraic multiplicity of λ.(4) The size of Jordan blocks in J can be determined by using the function ()()m m r rank J I λλ=- for 1,2,m =Set 0()r n λ=. From the proof of theorem 3.1.11, 1()()m m r r λλ+-is the number of Jordan blocks ()k J λ with size k m ≥.Polynomials and matricesBy the Cayley-Hamilton theorem, n A M ∈ satisfies ()A P λ; that is, ()A P A is the zero matrix.Are there often polynomials that are satisfied by n A M ∈?Observation: If n A M ∈satisfies ()p t , then n A M ∈ satisfies ()cp t for c ∈ .Definition: A polynomial ()p t is called monic if the leading coefficient is 1.Theorem 3.3.1: Let n A M ∈. A satisfies a unique monic polynomial ()A q t of minimum degree. The degree of this monic polynomial is at most n. if ()p t is any polynomial such that ()0p A =, then ()|()A q t p t .Definition: The unique minimum degree monic polynomial satisfied by n A M ∈is called the minimal polynomial of A and denoted ()A q t .Corollary 3.3.3: If n A M ∈and n B M ∈are similar, then ()()A B q t q t =.Corollary 3.3.4: Let n A M ∈. Then ()0A q λ=iff ()A λσ∈.Hence ()A q λ and ()A p λ have the same roots.Let 12(){,,,}m A σλλλ= . 1()()m ri A i i p t t λ==-∏where ri is the multiplicity of i λ. Then 1()()m si A ii q t t λ==-∏ where 1i i s r ≤≤ for each i.Theorem 3.3.6: Let n A M ∈and 12(){,,,}m A σλλλ= . Then 1()()m si A i i q t t λ==-∏ where i s is the size of thelargest Jordan block of A associated with i λ. Hermitian matrix:Definition: n A M ∈is Hermitian if *A A =.n A M ∈is skew-Hermitian if *A A =-Observations:,n A B M ∈(1) *,*,*A A AA A A +areHermitian. (*)***A A A A A A +=+=+(2) If A is Hermitian, then k A is Hermitian.()*(*)k k k A A A ==. Also 1A - is Hermitian.(3) If A and B are Hermitian, then aA bB + is Hermitianfor ,a b ∈.()***aA bB aA bB aA bB +=+=+(4)(*)*A A -is skew-Hermitian. (*)**(*)A A A A A A -=-=--.(5) If A is Hermitian, then iA is skew-Hermitian. ()**iA iA iA ==-Theorem 4.1.2: Each n A M ∈ can be written uniquely as A S iT =+ where S and T are both Hermitian. Theorem 4.1.4: Let n A M ∈. Then A is Hermitian if and only if the following hold.(1) *x Ax is real for x ∈(2) A is normal and all eigenvalue of A are real.(3) *S AS isHermitian for all n S M ∈.Theorem 4.1.5: A is Hermitian if and only if there is a unitary matrix n U M ∈ and a real diagonal matrix n M Λ∈ such that *A U U =Λ. A is real and Hermitianiff there is a real matrix n P M ∈ and a real diagonal matrix n M Λ∈ such that T A P P =Λ.Definition: A Hermitian matrix n A M ∈ is called positive definite if *0x Ax > for all nonzero x ∈ If *0x Ax ≥ then n A M ∈ is called positive semidefinite.n A M ∈isHermitian if and only if *x Ax is real for all x ∈Observation:(1) Any principal submatrix of a positive definite matrix is positive definite.Definition: Let n A M ∈ and let S be a subset subsetof {1,2,,}n . Then ()A S is the matrix obtained from A by deleting the rows and columns corresponding to the elements in S. ()A S -principal submatrix of A.(2) Any nonnegative linear combination of positive semidefinite matrices is positive semidefinite. Let A and B be positive semidefinite and let 0a ≥and 0b ≥. Then*()**(*)(*0x aA bB x x aAx x bBx a x Ax b x Bx +=+=+≥)Hence aA bB + is positive semidefinite.(3) Each eigenvalue of a positive definite matrix is a positive real number.Let ()A λσ∈ and let Ax x λ= for x ∈ . Then **(*)x Ax x x x x λλ== and so **x Ax x xλ=which is positive and real. (4) The trace, determinant and principal minors of a positive definite matrix are positive. Theorem 7.2.1: Let A be a Hermitian matrix.n A M ∈is positive definite if and only if 0λ>for all ()A λσ∈.n A M ∈is positive semidefinite if and only if 0λ≥ for all ()A λσ∈.Theorem 7.2.5: Let n A M ∈be Hermitian. Then A is positive definite if and only if det()0i A >for 1,,i n = . Definition: (1,,)i A A i n =+ for 1,,i n = . 1[]n A a =Theorem 7.3.5 (The SVD theorem):Let ,m n A M ∈. Then A has a singular value decomposition. Observations: *A U V =∑1. The singular values of ,m n A M ∈ are unique since the eigenvalues of *A A are unique. However, U and V are not unique.Singular values of 12{,,}n A σσσ= , 12(*){,,}n A A σλλλ=, i σ=i .2. For 12[,,]n V v v v = ; j v is an eigenvector of *A A belonging to j λ. This is because V diagonalizes *A A .3. We have that j j j Av u σ= for 1,2,,j n = since AV U =∑,1j j j u Av σ=⇒this is used for all the nonzero singular values4. If A has rank r, (i) 12,,r u u u form an orthonormal basis for the column space of A. (ii) 1,r n u u + is an orthonormal basis for (*)N A .5. The rank of A is equal to the number of nonzero singular values of A.Theorem A: Let ,*m n A U V M =∑∈. If X M ∈ such that min F F X M A x A x ∈-=-, then 12221()k n F A x σσ+-=++ In particular, if '''*A U V =∑ where '∑=1200000k σσσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦then 'X A = *A U V =∑, 111222***n n n A u v u v u v σσσ=+++If A has rank n, then 1211111110'***00n n n n A U V u v u v σσσσσ----⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥==++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦is the matrix of rank n-1 closest to A w.r.t. the Frobenius norm.If A has rank r, then 111111110'***000r r r r A U V u v u v σσσσ----⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥==++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦is the matrix of rank r-1 closest to A w.r.t. the Frobenius norm. (0r n <<).Observations:(1) If n A M ∈ is nonsingular, then 'A is singular.'n F A A σ-= (This n σ can be a measure of how close A s to being singular)(2) Find the SVD for 2212-⎡⎤⎢⎥⎣⎦. Find the matrix of rank 1 that is closest to 2212-⎡⎤⎢⎥⎣⎦ w.r.t the Frobenius normLU factorization: If n A M ∈ can be reduced to a strict upper triangular matrix using only row operation 3, thenA can be written as a product of a lower triangular matrix and an upper triangular matrix. QR factorization: If ,m n A M ∈and ()rank A n =, then A can be written as the product QR and ,m n Q M ∈ has orthonormal columns and n R M ∈ is upper triangular with positive diagonal entries. Gram-Schmidt process:Let 1{,,}n x x be a basis for V. Let 1111u x x = and define 1111()k k k k ku x p x p +++=-- for 1,,1k n =- where 11111111,,()()T T k k k k k k k k k p x u u x u u u x u u x u ++++=<>++<>=++Then 1{,,}n u u is an orthonormal basis for V.。

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