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[摘要]对矩阵的对角化求其可逆矩阵,一般用求特征根所对应的特征向量的方法,但对于矩阵若当化可逆矩阵就很复杂,本文就此改进了这一方法,使其计算更加简洁
[关键词]特征根 若当链 矩阵方程组
我们知道[1],若λi是n×n矩阵A的ki重特征根,则有齐次线性方程组
(A-λiI)=0
所决定的线性无关特征向量的个数ri.一般将小于或等于特征根λi的重数ki.那么,当ri=ki时,矩阵A所对应的若尔当标准型将呈现对角阵;当ri<ki时,由线性代数知识,此时也可以求出ki个线性无关的特征向量,通常称为广义特征向量.这些特征向量作为可逆矩阵 的列向量,可将矩阵A化成若尔当标准型.
一、引理[2]
设T=(T1,T2,...,Tki),λi是n×n矩阵A的ki重特征根,则有
(A-λiI)T1=T2,(A-λiI)T2=T3,...,(A-λiI)Tki-1=Tki,(A-λiI)Tki=0
满足上式的T1,T2,...,Tki称为λi所对应的一个若当链.
显然,求出这样的所有若当链,就可以得变换方阵T,使T-1AT为若当型;若矩阵A有k个特征根,那么矩阵A就有k个若当链.
二、定理
若λi是n×n矩阵A的ki重特征根,则λi所对应的若当链满足矩阵方程组
所确定.取遍所有的λi(i=1,2,...k),则得到可逆矩阵T.
证明 由引理可知 所对应的若当链满足
(A-λiI)T1=T2,(A-λiI)T2=T3,...,(A-λiI)Tki-1=Tki,(A-λiI)Tki=0
把上式从右端开始,第二式代入第一式,得
(A-λiI)2Tki-1=0
再把第三式代入由第二式代入第一式所得的结果中,得
(A-λiI)3Tki-2=0
依次代入下去,即可得出矩阵方程组
对于每个λi可得到ki个列向量,取遍所有的λi,可得到 个列向量,即为可逆矩阵T的列向量.
注: 1、对λi所对应的若当链T=(T1,T2,...,Tki)的顺序问题,由矩阵方程(A-λiI)kiT=0解得的向量T中所对应的向量应为T的第一个列向量,(A-λiI)的指数顺序与若当链 的列向量顺序相反.
2、对于任意一个n阶方阵A是满秩的,即ki=1(i=1,2,...k)时,则A可以对角化;若A为非满秩的,那么存在可逆矩阵T,可使矩阵A若当化,而可逆矩阵T使由矩阵A所有特征根所对应的若当链组成.
[参考文献]
[1]东北师范大学微分方程教研室.常微分方程[M](第二版).北京:高等教育出版社,2007.
[2]张贤科,许甫华.高等代数学.北京:清华大学出版社.2004.
(作者单位:湖南凤凰县两林学区 湖南凤凰)
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
[关键词]特征根 若当链 矩阵方程组
我们知道[1],若λi是n×n矩阵A的ki重特征根,则有齐次线性方程组
(A-λiI)=0
所决定的线性无关特征向量的个数ri.一般将小于或等于特征根λi的重数ki.那么,当ri=ki时,矩阵A所对应的若尔当标准型将呈现对角阵;当ri<ki时,由线性代数知识,此时也可以求出ki个线性无关的特征向量,通常称为广义特征向量.这些特征向量作为可逆矩阵 的列向量,可将矩阵A化成若尔当标准型.
一、引理[2]
设T=(T1,T2,...,Tki),λi是n×n矩阵A的ki重特征根,则有
(A-λiI)T1=T2,(A-λiI)T2=T3,...,(A-λiI)Tki-1=Tki,(A-λiI)Tki=0
满足上式的T1,T2,...,Tki称为λi所对应的一个若当链.
显然,求出这样的所有若当链,就可以得变换方阵T,使T-1AT为若当型;若矩阵A有k个特征根,那么矩阵A就有k个若当链.
二、定理
若λi是n×n矩阵A的ki重特征根,则λi所对应的若当链满足矩阵方程组
所确定.取遍所有的λi(i=1,2,...k),则得到可逆矩阵T.
证明 由引理可知 所对应的若当链满足
(A-λiI)T1=T2,(A-λiI)T2=T3,...,(A-λiI)Tki-1=Tki,(A-λiI)Tki=0
把上式从右端开始,第二式代入第一式,得
(A-λiI)2Tki-1=0
再把第三式代入由第二式代入第一式所得的结果中,得
(A-λiI)3Tki-2=0
依次代入下去,即可得出矩阵方程组
对于每个λi可得到ki个列向量,取遍所有的λi,可得到 个列向量,即为可逆矩阵T的列向量.
注: 1、对λi所对应的若当链T=(T1,T2,...,Tki)的顺序问题,由矩阵方程(A-λiI)kiT=0解得的向量T中所对应的向量应为T的第一个列向量,(A-λiI)的指数顺序与若当链 的列向量顺序相反.
2、对于任意一个n阶方阵A是满秩的,即ki=1(i=1,2,...k)时,则A可以对角化;若A为非满秩的,那么存在可逆矩阵T,可使矩阵A若当化,而可逆矩阵T使由矩阵A所有特征根所对应的若当链组成.
[参考文献]
[1]东北师范大学微分方程教研室.常微分方程[M](第二版).北京:高等教育出版社,2007.
[2]张贤科,许甫华.高等代数学.北京:清华大学出版社.2004.
(作者单位:湖南凤凰县两林学区 湖南凤凰)
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