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定理Theorem

不变因子与有理标准形

Rational canonical form · Frobenius normal form · Invariant factor form

不扩域求根,以 F[x] 不变因子完整分类相似矩阵,并用循环基与 AP=PR 给出可核验的换基证书。

形式陈述 ​

不知道特征值,仍能完整判断相似吗 ​

设 A∈Fn×n,n≥1。存在唯一一列首一、次数为正的多项式

f1∣f2∣⋯∣fr,∑ideg⁡fi=n,

使 A 经换基相似于

R=diag(C(f1),…,C(fr)),

其中 C(f) 是列约定的伴随矩阵。fi 称为不变因子,R 称为有理标准形。“有理”表示构造只需底域运算,并不要求 F=Q。

两个同阶矩阵在 F 上相似,当且仅当这列不变因子相同。若 P 的列是上述循环块基,则

AP=PR,det⁡P≠0

是可直接复核的完整证书。只列出 R 而没有给出可逆换基,并不等于已经验证某个具体输入的分类。

模结构怎样变成矩阵分类 ​

在 Fn 上令 x⋅v=Av,得到 F[x]-模 VA。标准向量空间基也生成这个模;极小多项式消去全部向量,所以它是有限生成挠模。应用PID 模结构定理,得到

VA≅⨁iF[x]/(fi).

每个商模的幂基成为一个伴随块,组合各块基便给出 P。没有自由 F[x] 部分,因为一个非零自由副本作为 F-向量空间是无限维的。

一个 F-线性同构 P:VR→VA 是模同构,恰好要求它与 x 的作用相容,即 AP=PR。因此模同构与矩阵相似完全对应,模结构定理的唯一性才真正成为相似类的唯一性。

各块的特征多项式为 fi,而消去全部块的最低首一多项式是它们的最小公倍式,故

χA=∏ifi,mA=fr.

首尾信息不能一般恢复中间分配,这正是必须保留整列不变因子的原因。

从输入矩阵怎样计算不变因子 ​

矩阵 xI−A 是 VA 的一个关系矩阵。具体地,把多项式列 g(x)=∑kxkvk 送到 ∑kAkvk;映射满射,并把 (xI−A)h 送到零。反过来,逐项使用 xv≡Av(mod(xI−A)F[x]n),每个 g 都等价于它的求值常向量,核因此恰为这组关系。

对 xI−A 计算Smith 形,删除单位对角元后,剩余首一因子就是 fi。这里的左右变换是多项式矩阵等价,不能把某一个 Smith 左因子直接当作常矩阵 P。恢复 P 要把商模生成元映回 VA,再展开各自的幂轨道;也可以直接提出循环向量后检查 AP=PR。

直觉

Jordan 形按根和链长编码;有理标准形按底域上的多项式关系编码。两者都保留完整相似类,但前者需要相应多项式在底域分裂,后者不用。

每个循环块内部是一条幂轨道。不变因子的整除顺序不是装饰:任意拼起的伴随块虽可描述同一算子,却未必已成为唯一标准形。例如互素的两块可以通过中国剩余结构合并为一块。

两条轨道对应二阶与三阶伴随块。图中每支箭头表示再作用一次 A,灰色框是已有向量的线性组合,不增加基维数。

例子与边界

五阶有理输入的完整证书 ​

取

A=(0−10111000−1000130011−100011).

令 u=e1、v=e1+e3。直接计算

Au=e2,A2u=−u;Av=e2+e4,A2v=e3+e4+e5,

以及

A3v=2v−Av+2A2v.

因此两条关系分别是 p=x2+1 和 q=x3−2x2+x−2=(x−2)p。把轨道排成列,得

P=[u,Au,v,Av,A2v]=(1010001010001010001100001).

P 上三角且 det⁡P=1,所以两条轨道独立并覆盖全空间。前述五个作用关系逐列给出

AP=Pdiag((0−110),(00210−1012)).

由于 p∣q,这已经是有理标准形,而非任意块分解。不变因子为 (p,q),χA=p2(x−2),mA=p(x−2)。xI−A 的 Smith 对角元则为 (1,1,1,p,q)。

可再独立核对 A2+I 的秩为 1,且 (A−2I)(A2+I)=0;这与二次主分量四维、特征值 2 的主分量一维一致。但这项低阶校验不能替代已经给出的换基证书。

相同的两个多项式为什么仍可能不够 ​

C(x2)⊕C(x2) 与 C(x)⊕C(x)⊕C(x2) 都有 χ=x4、m=x2,不变因子却分别为 (x2,x2) 与 (x,x,x2),所以不相似。这与Jordan 页的核维数反例是同一结构,换了一套不必分裂的语言。

推论与应用

A 有循环向量,当且仅当不变因子只有一个,也等价于 mA=χA:整除链中若有其他正次数因子,乘积的次数必大于最后一个。此判别是整个算子的性质,不能由某个未充分探索的起始向量判断。

有理标准形适合精确分类,浮点矩阵的小扰动会改变精确因式关系。需要数值全谱时复用Schur 分解;需要分类证明时则保留底域、首一约定、块次序及换基方向,不把小浮点残差当成精确相似关系。

参考资料
  • Alireza Salehi Golsefidy,Algebra: ring and field theory,§§40.1–40.4,Theorems 40.3.2、40.4.4:模结构到伴随块,及特征/极小多项式。
  • Matthew Kerr,Linear Algebra, VI.C,Theorem VI.C.17 及紧随其后的矩阵构造:从多项式关系恢复循环基。
关系图谱18 个相邻概念 · 2 类关系

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