初等因子将不变因子在复数域上彻底分解,每个 (λ−λ0)k 对应一个 Jordan 块。这是整个 Jordan 标准形理论的完整推导链。
初等因子的定义
将每个不变因子 di(λ) 在复数域上分解为一次因式的幂:
di(λ)=(λ−λ1)ei1(λ−λ2)ei2⋯(λ−λs)eis
所有指数 eij≥1 的因子 (λ−λj)eij 称为 A(λ) 的初等因子。
- 同一个 (λ−λj) 可能出现在多个不变因子中(不同的 i)
- 初等因子中允许重复(当同一个 (λ−λj)e 出现在多个不变因子中时)
初等因子与不变因子的关系
不变因子组⟶分解初等因子组⟵按整除关系重组不变因子组
两者是等价的——知道初等因子可以还原出不变因子(按整除关系重新排列即可)。
初等因子与矩阵相似
核心结论:两个 n 阶数字矩阵 A 与 B 相似,当且仅当它们的特征矩阵 λI−A 与 λI−B 有相同的初等因子组。
初等因子是矩阵相似的完全不变量。
Jordan 标准形的推导链条
λ-矩阵 A(λ)
↓ 初等变换
Smith 标准形
↓ 对角元
不变因子 d_1(λ), ..., d_n(λ)
↓ 复数域分解
初等因子组 {(λ-λ_j)^{e_j}}
↓ 一一对应
Jordan 块 {J_{e_j}(λ_j)}
↓ 合并
Jordan 标准形 J
对应规则
| 初等因子 | Jordan 块 |
|---|
| (λ−λ0)1 | J1(λ0)=(λ0) |
| (λ−λ0)2 | J2(λ0)=(λ001λ0) |
| (λ−λ0)k | Jk(λ0)(k 阶 Jordan 块) |
实例推导
求 A=301121−101 的 Jordan 标准形。
第一步:构造特征矩阵 λI−A。
第二步:通过初等变换求 Smith 标准形的不变因子(过程略)。
得不变因子:d1(λ)=1,d2(λ)=λ−2,d3(λ)=(λ−2)2。
第三步:求初等因子。
- 不变因子:1,λ−2,(λ−2)2
- 初等因子:(λ−2),(λ−2)2
第四步:由初等因子确定 Jordan 标准形。
- (λ−2)1 → 1 阶 Jordan 块 (2)
- (λ−2)2 → 2 阶 Jordan 块 (2012)
因此:
J=200020012
判定可对角化
A 可对角化 ⟺ 所有初等因子都是一次的 ⟺ 最小多项式无重根。
这与之前 Jordan 标准形和最小多项式给出的判定完全一致,体现了理论的完美统一。