Jordan标准形简介ppt课件

1、线性代数机动 目录 上页 下页 前往 终了 教学目的：通过本节的教学使学生更深刻理解方阵相似对角矩阵的内涵,了解不能相似于对角矩阵的方阵可相似于Jordan标准形. 教学要求：正确理解Jordan标准形的概念，掌握求一个方阵的初等因子组和化Jordan标准形的方法. 教学重点：求一个方阵的初等因子组和化教学重点：求一个方阵的初等因子组和化Jordan标准标准形的方法形的方法. 教学难点：化方阵为Jordan标准形. 教学时间：教学时间：2学时学时.机动 目录 上页 下页 前往 终了 *6 Jordan标准形简介标准形简介第五章 *6 Jordan标准形简介标准形简介 我们在讨论方阵的对角化时知

2、道,并不是所有的方阵都能化成对角阵,那末,在普遍意义上,矩阵在相似关系下的最简形是否存在?如果存在又取何种形式？Jordan标准形的相关结果就完美地回答了这一问题. Jordan标准形理论的建立需要较多的其它代数知识.限于需要和可能，我们仅从实用的角度介绍Jordan标准形理论的主要结果及Jordan标准形的具体求法. 6.1多项式矩阵及其初等变换多项式矩阵及其初等变换 定义6.1 如果矩阵中每个元素都是变量的多项式，则称该多项式为的多项式矩阵，简称-矩阵. 元素是数的矩阵称为数元矩阵，数元矩阵是特殊的多项式矩阵.第五章机动 目录 上页 下页 前往 终了 定义6.2 对多项式矩阵A()的如下三

3、种变换统称为初等变换. i用一个非零数k乘A()的某行列）； ii将A()中的某行(列)的g()倍加于另一行(列)(其中g()是的多项式)； iii互换A()的两行(列). 定义定义6.3 设设A()和和B()是两个同型的多项式矩阵，如果是两个同型的多项式矩阵，如果A()可以经过有限次初等变换化为可以经过有限次初等变换化为B()，则说，则说A() 与与B()等价，记作等价，记作A() B(). 对于n阶数元矩阵A，其特征矩阵E-A是一个特定的多项式矩阵.关于特征矩阵有如下的结论.机动 目录 上页 下页 前往 终了 定理定理6.1 对于对于n阶数元矩阵阶数元矩阵A ，总有，总有12( )( )(

4、 ),( )ngggEAG其中g1(), g2(), gn()都是首项系数为1的多项式.并且 |E-A|= g1() g2() gn(). （*） 由于E-A经过有限次的初等变换得到G()，根据初等变换对矩阵相应行列式的影响，可知|G()|与|E-A|最多相差非零常数倍.再注意到|G()|与|E-A|都是首项系数为1的多项式，便知（*）成立.机动 目录 上页 下页 前往 终了 定义定义6.4 对于对于n阶数元矩阵阶数元矩阵A ，设，设E-A经过初等变换经过初等变换化为对角矩阵化为对角矩阵G().将将g1(), g2(), gn()中的每个非常数中的每个非常数多项式做复数域上的标准分解，各分解式

5、中的每一个一次多项式做复数域上的标准分解，各分解式中的每一个一次因式方幂称为矩阵因式方幂称为矩阵A的一个初等因子，初等因子的全体成的一个初等因子，初等因子的全体成为为A的初等因子组的初等因子组. 例如，对于2阶数元矩阵A，若有211,(1)1(1)EA 则A的初等因子组为 ， -1， ，( -1)2. 机动 目录 上页 下页 前往 终了 由定义6.4 及（*）知： 1方阵A的所有初等因子的乘积就是A的特征多项式； 2每个初等因子都和矩阵A的某个特征值相应，即如果 是A的一个初等因子,则i一定是A的一个特征值；()imi 3n阶方阵A的所有初等因子幂次之和恰为n. 在此必须指出:方阵A与某一特征

6、值相应的初等因子未必只有一个.因此,一般不能从A的特征多项式的标准分解式1212( )() ()()tnnnt 直接得到初等因子组为 1212() ()() .tnnnt 为求给定方阵A的初等因子组，需要对特征矩阵E-A进行适当的初等变换将其化为对角矩阵.这样的对角矩阵并不惟一.由此会不会导致初等因子组的不同呢？可以证明，在不计各初等因子组相互次序的意义下，给定方阵A的初等因子组是惟一的，不会因为E-A所化成的对角矩阵不同而有所改变.机动 目录 上页 下页 前往 终了 例例6.1 求矩阵求矩阵110430005A 的初等因子组. 解解 对对E-A进行初等变换如下：进行初等变换如下：110430

7、005EA12110340005cc 12110(1)340005cc 121(3)2( 1)100,0(1)0005rrr 由此得A的初等因子为：(-1)2, -5.机动 目录 上页 下页 前往 终了 6.2 矩阵的矩阵的Jordan标准形标准形 定理定理6.2 在复数域上在复数域上,如果如果n阶矩阵阶矩阵A的全部初等因子的全部初等因子为为1212() ,(),() .smmms那么12,sJJAJJ其中11,121iiiiiimmi= , ,s.J 定理6.2中的分块对角矩阵J称为A的Jordan标准形,简称为Jordan形. Jordan形J中的各个小块J1,J2,Js称为Jordan块

8、.显然,每个Jordan块Ji恰于A的一个初等因子 相对应.()imi 在例6.1中，矩阵A的初等因子组为(-1), -5,与之相应的两个Jordan块为1211,(5).1 JJ于是A的Jordan标准形为1211.15JJJ亦可以写成215.111JJJ机动 目录 上页 下页 前往 终了 例例6.2 求矩阵求矩阵111102111A的Jordan标准形. 解对解对A的特征矩阵的特征矩阵E-A进行初等变换化为对角矩阵，进行初等变换化为对角矩阵，11112111EA1311112111rr 1213(1)210011312c cc c 1213(1)210001302-r rr r 12( 1

9、)( 1)210001302rr 3222100013302rr 232321000133002- rr 2233(33)( 1)2100.01000(1)ccr 机动 目录 上页 下页 前往 终了 与两个初等因子相应的Jordan小块分别为 对所得的对角矩阵主对角元素的非常数多项式进行复数域上的标准分解，可得A的初等因子组为 ， (+1)2. 1211(0),1 JJ于是可得A的Jordan标准形120.111JJJ机动 目录 上页 下页 前往 终了 例例6.3 求矩阵求矩阵1000112000002021A的Jordan标准形. 解解 对的特征矩阵对的特征矩阵E-A进行初等变换化为对角矩阵

10、，进行初等变换化为对角矩阵，100011200002021EA机动 目录 上页 下页 前往 终了 12112010000002021rr 12142(1)211200(1)2(1)000002(1)21rrrr 12134222(1)2(1)10000(1)0(1)00002(1)21cc ccrr 1242( 1)10000(1)0000002(1)2(1)ccc 2422( 1)210000(1)00000002(1)rcc 44212( 2)10000(1)000000021rc 34210000(1)000011000rr 34210000(1)000011000(1)- rr 344

11、2(1)( 1)10000(1)00.0010000(1)ccr A的初等因子组为的初等因子组为 ，-1， (-1)2.于是得A的Jordan标准形01.111J 10 对于给定的方阵A，在不计各Jordan块排列次序的意义下，A的Jordan标准形是惟一的. 20 方阵A的Jordan标准形J是上三角形矩阵，其主对角线上的元素恰是A的特征值. 30 对角矩阵本身即是Jordan形，它的每一个对角元都是一个一阶的Jordan块.机动 目录 上页 下页 前往 终了 定理定理6.3 两个同阶方阵相似的充分必要条件是它们的两个同阶方阵相似的充分必要条件是它们的Jordan形一致这里形一致这里“一致一

12、致的含义是可以经过的含义是可以经过Jordan块排列块排列次序的调整而得到的相同的次序的调整而得到的相同的Jordan形）形）. 证明证明 必要性必要性.设设AB，则有可逆矩阵，则有可逆矩阵P使使P-1AP=B.于是于是P-1(E-A)P= P-1P- P-1AP= E-B.这说明E-A与E-B等价,它们可以经初等变换化为同一对角矩阵G().因此A与B的初等因子组一致，进而Jordan形一致. 充分性.不妨设A与B的Jordan形同为J，则A、B同于J类似，因而AB.机动 目录 上页 下页 前往 终了 定理定理6.4 矩阵矩阵A能与对角矩阵相似的充分必要条件是能与对角矩阵相似的充分必要条件是它

13、的初等因子全为一次式它的初等因子全为一次式. 证明证明 若若A相似于对角矩阵相似于对角矩阵12,n 那么已是A的Jordan标准形.可见A的初等因子组为-1， -2， -n .它们全为一次式. 反之,若A的初等因子全为一次式,则A的所有的Jordan块全为一阶，A的Jordan形显然为对角矩阵.它当然与A相似.机动 目录 上页 下页 前往 终了 例例6.4 证明证明:如果如果n阶矩阵阶矩阵A的全部特征值是的全部特征值是1, 2, ,n,则矩阵则矩阵Am的全部特征值恰是的全部特征值恰是1m, 2m, ,nm(这里这里1, 2, ,n中可以有一些相同的数中可以有一些相同的数 ). 证明证明 不妨设特征值不妨设特征值1, 2, ,n中相同的都顺序相邻中相同的都顺序相邻,并并设设A的的Jordan形为形为1122.sn*JJJJ 由AJ可知AmJm.利用上三角形矩阵幂运算的结果可知机动 目录 上页 下页 前往 终了 12.mmmmn*J Jm是上三角形矩阵是上三角形矩阵,它的全部特征值就是全部主对角元它的全部特征值就是全部主对角元1m, 2m, ,nm.这也就是这也就是A的全部特征值的全部特征值. 与例6.4类似,可得