矩阵的标准型.ppt

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1、教学目的理解矩阵的定义及不变因子掌握用初等变换的方法化矩阵为Smith标准形理解行列因子、初等因子及相关理论掌握求矩阵的Jordan标准形的方法了解Cayley-Hamilton定理,第三章 矩阵与矩阵的Jordan标准形（-matrix and Jordan Canonical Form）,标准型的理论源自矩阵的相似性，因为相似矩阵有许多相似不变量：特征多项式、特征值（包括代数重数和几何重数）、行列式、迹及秩等，并且特征向量也可以借助于可逆的相似变换矩阵互相求出。这自然导出了寻找相似矩阵集合中的“代表矩阵”的问题。“代表矩阵”当然越简单越好。对于可对角化矩阵，“代表矩阵”就是特征值组成的对角

2、矩阵。但是令人非常遗憾的是：一般矩阵未必与对角矩阵相似！,预备知识：若存在多项式h()，使得f()=d()h()，称d()整除f()，用d()|f()表示；设f()与g()为数域P上的两个一元多项式，若存在d()满足d()|f()，d()|g()，称d()为f()与g()的公因式；若f()与g()的任一公因式都是d()的因式；称d()为f()与g()的最大公因式，并用（f()，g()）表示f()与g()的首项系数为1的最大公因式.,2 矩阵及其在相抵下的标准型,由于一般矩阵与对角矩阵不相似，因此我们“退而求其次”，寻找“几乎对角的”矩阵。这就引出了矩阵在相似下的各种标准型问题，其中Jordan

3、标准型是最接近对角的矩阵，只在第1条对角线上取1或0。弄清楚了矩阵相似的本质，理论上、计算上以及应用上的许多问题就容易处理了，当然花费也大了。,定义1 元素为的多项式的矩阵称为-矩阵，记为A()。即A()=(aij()mn(i=1,2,m;j=1,2,.n),其中aij()是数域P上的多项式。多项式aij()的最高次数称为A()的次数，数域P上全体mn的-矩阵记为P mn.注：数字矩阵是-矩阵的特例。数字矩阵A的特征矩阵I-A是1次-矩阵。,1.矩阵的基本概念,矩阵的加法、减法、乘法和数乘运算同数字矩阵的对应运算有相同的运算定律。数字矩阵行列式的定义也可应用到矩阵，且性质相同。n阶矩阵的行列式

4、是的多项式，且满足|A()B()|=|A()|B()|,定义2 设A()P mn，如果A()中有一个r阶子式不为零，而所有r+1阶子式全为零，称A()的秩为r，记为rank(A()=r数字矩阵A的特征矩阵I-A是的n次行列式，所以是满秩的。,矩阵的秩,定义3 设A()P mn，如果存在一个n阶矩阵B()使得 A()B()=B()A()=I 则称A()可逆，B()为A()的逆矩阵记作A()-1。定理1 设A()P mn，A()可逆的充要条件是|A()|是非零常数。,矩阵的逆,矩阵的初等变换,定义4 初等变换,对应三种初等变换，有三种初等矩阵P(i,j).P(i(k),P(i,j()(1)做一次初

5、等行（列）变换，相当于左（右）乘相应的初等矩阵;(2)初等矩阵都是可逆的：P(i,j)-1=P(i,j).P(i(k)-1=P(i(k-1)，P(i,j()-1=P(i,j(-),相抵（等价）,定义5 设A(),B()P mn，若A()经有限次行、列初等变换化为B(),称A()与B()相抵（等价），记为A()B()定理2 设A(),B()P mn，A()与B()相抵的充要条件是存在m阶初等矩阵P1(),P2(),Pl(),与n阶初等矩阵 Q1(),Q2(),Qt(),，使得 A()=Pl()P1()B()Q1()Q2()Qt(),3.矩阵在相抵下的标准型,定义6 该标准型称为A()在相抵下的标

6、准型或Smith标准型；称smith标准型“主对角线”上非零元d1(),d2(),dr()为A()的不变因子,定理 对任意一个秩为r的mn 阶-阵A()，都相抵于一个标准型di()为首项系数为1的多项式，且di()|di+1(),例1 求矩阵的Smith标准形,解题思路：经过一系列初等行变换或初等列变换使得左上角的元素次数逐渐降低，最后降低到可以整除其余所有的元素。,解:,不变因子：,将其化成Smith标准形。,例2,解：,3 矩阵的行列式因子和初等因子,定义1 设A()P mn，且rank(A()=r，对于正整数k(1k r),A()中的全部k阶子式的最大公因式称为A()的k阶行列式因子，记

7、为Dk().定理1 相抵的矩阵有相同的秩和相同的各阶行列式因子,例1 求矩阵的各阶行列式因子。,解 由于(+1)2,)=1,所以D1()=1,最后 D3()=det(A()=2(+1)3,行列式因子和不变因子的关系设矩阵A()的Smith标准形为,其中di()(i=1,2r)是首项系数是1的不变因子，,则A()的各阶行列式因子如下：,于是Di()|Di+1()，(i=1,2,r-1)di+1()=Di+1()/Di(),(i=1,2,r-1)定理2 矩阵A()的Smith标准型唯一。定理3 设A(),B()P mn，A()与B()相抵的充要条件是它们有相同的行列式因子，或它们有相同的不变因子。

8、,例2 求下列矩阵的行列式因子和不变因子,一般来说应用行列式因子求不变因子较复杂，但对一些特殊的矩阵先求行列式因子再求不变因子反而简单。,其中i是数域P中的常数。,解 由于A()的一个m-1阶子式 故Dm-1()=1,根据行列式因子的依次整除性，有 D1()=D2()=Dm-2()=1 而Dm()=(-i)m，因此A()的不变因子为 d1()=d2()=dm-1()=1,dm()=(-i)m,设矩阵A()的不变因子为d1(),d2(),dr()，在复数域内将它们分解成一次因式的乘积,其中，1 s是互异的复数，eij是非负整数，满足,初等因子,定义2 在不变因子的分解式中，所有指数大于0的因子,

9、称为矩阵A()的初等因子。注：在A()的秩已知的情况下，不变因子和初等因子相互确定,例3 如果矩阵A()的不变因子为,则A()的初等因子为,2,-1,(-1)2,(-1)3,(+1)2,(+1)3,-2,反过来，如果知道了A()的秩和初等因子，因为A()的秩确定了不变因子的个数，则同一个一次因式的方幂做成的初等因子中，方次最高的必在dr()的分解中，方次次高的必在dr-1()的分解中，如此顺推，可知属于同一一次因式的方幂的初等因子在不变因子的分解式中唯一确定。,例如 如果A()的秩为4，且其初等因子为,则A()的不变因子依次为,d4()=2(-1)3(-i)3(+i)3d3()=(-1)2,d

10、2()=(-1),d1()=1,2,-1,(-1)2,(-1)3,(-i)2,(+i)3,定理7 设矩阵为块对角形矩阵，则B()与C()的初等因子的全体是A()的全部初等因子。该定理可以推广到n个分块的情形,定理6 设A(),B()P mn，A()与B()相抵的充要条件是它们有相同的秩和相同的初等因子。,例4 求,的Smith标准型,解 记,那么,因为 A1()的初等因子为,+1;A2()的初等因子为,A3()的初等因子为,-1,+1；由上面的定理可知A()的初等因子为 所以A()的不变因子为,-1,+1,+1,d4()=(-1)(+1),d3()=(+1)d2()=,d1()=1,因此A()

11、的Smith标准形为,4 矩阵相似的条件,.,定理1 数字方阵A与B相似的充分必要条件是它们的特征矩阵E-A与E-B相抵。定义1 n阶数字方阵A的特征矩阵E-A的行列式因子，不变因子和初等因子分别称为矩阵A的行列式因子，不变因子和初等因子。,4 矩阵相似的条件,.,定理2 n阶数字方阵A与B相似的充分必要条件是他们满足如下条件之一：（1）它们有相同的行列式因子，（2）它们有相同的不变因子,（3）它们有相同的初等因子。,5 矩阵的Jordan标准型,定义1 称方阵,为 阶Jordan 块。由若干个Jordan 块组成的块对角矩阵称为Jordan 形矩阵。,ni 阶Jordan 块Ji的性质：（1

12、）Ji由有唯一的特征值i（2）特征值i的几何重数为1，代数重数为ni（3）Ji 有唯一的初等因子；,Jordan 块Ji的性质,对应于特征值,仅有一个线性无关的特征向量,（4）,Jordan 块Ji的性质,可使用归纳法证明,设Jordan形矩阵,其中，Ji=Ji(i)是ni阶Jordan块，则（1）J的初等因子为（2）J恰有s个线性无关的特征向量；注：Jordan形矩阵的全部初等因子由它的全部Jordan块的初等因子决定，因此Jordan形矩阵除去其中Jordan块的排列次序外被它的初等因子唯一决定。,定理1 设，则A可经过相似变换可化成唯一的 Jordan形矩阵(不计Jordan块的排列次序

13、)，称该Jordan形矩阵,为A的Jordan标准型.Ji(i)为A的对应初等因子-i的Jordan块,求方阵,的Jordan标准形。,例1,解：首先用初等变换法求其Jordan标准形：,故 A 的初等因子为-1,(-1)2,从而A的Jordan标准形为,或,初等因子法的缺点是不能求出相似变换矩阵。,定理2 设T是复数域上n维线性空间V的线性变换，则在V中存在一组基使得T在这组基下的矩阵是 Jordan形矩阵。定理3 设ACnn，则A于一个对角阵相似的充要条件是A的初等因子都是一次的。,求相似变换矩阵的步骤,由定理1知道，方阵与标准型J 是相似的，即存在可逆矩阵P，使得：A=PJP-1，即AP

14、=PJ,求法如下：,设,即,所以：,解方程并选择适当的 即得。,求方阵,的相似变换矩阵。,例2,解：由例1知，矩阵的Jordan标准型为,求相似变换矩阵：,设所求矩阵为P，则AP=PJ，对于P 按列分块记为,从而：,整理后得三个方程组为：,前面的两个方程为同解方程组，可以求出它们的一个基础解系：,这是因为如果p2 选取不当会使得第三个非齐次线性方程组无解。令：p2=k11+k2 2将 其代入第三个方程，选取适当的k1，k2,使(I-A)p3=-(k11+k2 2)有解。,可以取p1=1,但不能简单取p2=2.,根据非齐次方程有解的条件：系数矩阵与增广矩阵有相同的秩，容易计算出其系数矩阵的秩为1

15、，从而应该使得增广矩阵的秩为1,令k1=k2=1，由此得,那么所求相似变换矩阵为,三、Jordan标准形的某些应用,对于方阵A，求An,若A=P-1JP,An=P-1JnP,应用：1）一阶差分方程Uk+1=AUk=AkU0,例如：Fibonacci数列Fk+2=Fk+1+Fk,写成Uk+1=AUk形式,三、Jordan标准形的某些应用,这是一个动态问题，特征值决定增长速度，是无限增长还是趋于稳定An0，称A是稳定的，如果所有的特征值1,且A有n个线性无关的特征向量，则A是稳定的。,三、Jordan标准形的某些应用,例3 对于方阵,求A10,解：由例1知，矩阵的Jordan标准型为,由例2知，矩

16、阵的相似变换矩阵为,从而,6 Cayley-Hamilton定理与最小多项式,定义1 任给数域 P 上一个n 级矩阵 A，若存在数域 P 上一个多项式 f(x)，使 f(A)=0，则称 f(x)是以 A 为根的多项式.（或称为A的化零多项式）定理1 Cayley-Hamilton定理,设 A 是数域 P 上一个 n n 矩阵，,f()=|E-A|,是 A 的特征多项式，则,f(A)=An-(a11+a22+ann)An-1+(-1)n|A|E=0,最小多项式,定义3 首项系数为 1、次数最低的以 A 为根的多项式称为 A 的最小多项式.,注意：1.矩阵A的特征多项式就是A的化零多项式；2.化零

17、多项式不唯一3.矩阵A的特征多项式未必是最小多项式,最小多项式,定理2 设 A 是数域 P 上一个 n 阶矩阵，设 m()是A的最小多项式，()是 A 的任一化零多项式,则,1.A的最小多项式唯一；2.m()能整除()，特别地，m()能整除A的特征多项式f();3.0是A的特征值的充要条件是m(0)=0;,事实上，如果矩阵 A 与 B 相似：B=T-1AT，那么对任一多项式 f(x)，f(B)=T-1f(A)T.因此，,f(B)=0,f(A)=0,这说明相似矩阵有相同的最小多项式.,反之不然；即，最小多项式相同的矩阵不一定是相似；,定理3 相似矩阵有相同的最小多项式.,求矩阵A的最小多项式的步

18、骤：,步骤1 写出矩阵 A的特征多项式,f(x)=|xE-A|;,步骤2 找出f(x)的所有因式；,步骤3 得出矩阵 A的最小多项式.,例1 设,求 A 的最小多项式.,解,因为 A 的特征多项式为,|xE-A|=(x-1)3.,所以 A 的最小多项式为(x-1)3 的因式.,因此 A 的最小多项式为(x-1)2.,又,定理4 设 A 是一个准对角矩阵,并设 Ai 的最小多项式为 gi(x)，i=1,2,s，那么 A 的最小多项式为 g1(x)gs(x)的最小公倍式 g1(x)，gs(x).,定理5 n 阶复矩阵A的最小多项式就是A的最后一个不变因子dn()。,定理6 n 阶复矩阵A与对角矩阵相似的充分必要条件是 A 的最小多项式没有重根。,例2 设n级复矩阵A满足：A2=A,称A为幂等矩阵证明：A必与对角阵相似.证：A的化零多项式()=2-，由定理2，A的最小多项式m()整除()，()没有重根，所以m()=0 也没有重根，由定理6，A相似于对角阵。,