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初等因子与 Jordan 标准形推导

初等因子将不变因子在复数域上彻底分解,每个 (λλ0)k(\lambda - \lambda_0)^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)d_i(\lambda) 在复数域上分解为一次因式的幂:

di(λ)=(λλ1)ei1(λλ2)ei2(λλs)eisd_i(\lambda) = (\lambda - \lambda_1)^{e_{i1}} (\lambda - \lambda_2)^{e_{i2}} \cdots (\lambda - \lambda_s)^{e_{is}}

所有指数 eij1e_{ij} \geq 1 的因子 (λλj)eij(\lambda - \lambda_j)^{e_{ij}} 称为 A(λ)A(\lambda)初等因子

  • 同一个 (λλj)(\lambda - \lambda_j) 可能出现在多个不变因子中(不同的 ii
  • 初等因子中允许重复(当同一个 (λλj)e(\lambda - \lambda_j)^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\text{不变因子组} \quad \overset{\text{分解}}{\longrightarrow} \quad \text{初等因子组} \quad \overset{\text{按整除关系重组}}{\longleftarrow} \quad \text{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 nn 阶数字矩阵 AABB 相似,当且仅当它们的特征矩阵 λIA\lambda I - AλIB\lambda I - B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
(λλ0)1(\lambda - \lambda_0)^1J1(λ0)=(λ0)J_1(\lambda_0) = (\lambda_0)
(λλ0)2(\lambda - \lambda_0)^2J2(λ0)=(λ010λ0)J_2(\lambda_0) = \left(\begin{array}{cc} \lambda_0 & 1 \\ 0 & \lambda_0 \end{array}\right)
(λλ0)k(\lambda - \lambda_0)^kJk(λ0)J_k(\lambda_0)kk 阶 Jordan 块)

实例推导

A=(311020111)A = \left(\begin{array}{ccc} 3 & 1 & -1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \end{array}\right) 的 Jordan 标准形。

第一步:构造特征矩阵 λIA\lambda I - 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)=1d_1(\lambda) = 1d2(λ)=λ2d_2(\lambda) = \lambda - 2d3(λ)=(λ2)2d_3(\lambda) = (\lambda - 2)^2

第三步:求初等因子。

  • 不变因子:1,λ2,(λ2)21, \lambda-2, (\lambda-2)^2
  • 初等因子:(λ2),(λ2)2(\lambda-2), (\lambda-2)^2

第四步:由初等因子确定 Jordan 标准形。

  • (λ2)1(\lambda - 2)^1 → 1 阶 Jordan 块 (2)(2)
  • (λ2)2(\lambda - 2)^2 → 2 阶 Jordan 块 (2102)\left(\begin{array}{cc} 2 & 1 \\ 0 & 2 \end{array}\right)

因此:

J=(200021002)J = \left(\begin{array}{ccc} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{array}\right)

判定可对角化

AA 可对角化     \iff 所有初等因子都是一次的     \iff 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。