第三章 矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型課件

教學(xué)目的理解

矩陣的定義及不變因子掌握用初等變換的方法化

矩陣為Smith標(biāo)準(zhǔn)形理解行列因子、初等因子及相關(guān)理論掌握求矩陣的Jordan標(biāo)準(zhǔn)形的方法了解Cayley-Hamilton定理

第三章

矩陣與矩陣的Jordan標(biāo)準(zhǔn)形（

-matrixandJordanCanonicalForm）第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

標(biāo)準(zhǔn)型的理論源自矩陣的相似性，因?yàn)橄嗨凭仃囉性S多相似不變量：特征多項(xiàng)式、特征值（包括代數(shù)重?cái)?shù)和幾何重?cái)?shù)）、行列式、跡及秩等，并且特征向量也可以借助于可逆的相似變換矩陣互相求出。這自然導(dǎo)出了尋找相似矩陣集合中的“代表矩陣”的問(wèn)題?！按砭仃嚒碑?dāng)然越簡(jiǎn)單越好。對(duì)于可對(duì)角化矩陣，“代表矩陣”就是特征值組成的對(duì)角矩陣。但是令人非常遺憾的是：一般矩陣未必與對(duì)角矩陣相似?。?！第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型預(yù)備知識(shí)：若存在多項(xiàng)式h(

)，使得f(

)

=d(

)

h(

)，稱(chēng)d(

)整除f(

)，用d(

)|f(

)表示；設(shè)f(

)

與g(

)

為數(shù)域P上的兩個(gè)一元多項(xiàng)式，若存在d(

)滿(mǎn)足d(

)|f(

)，d(

)|g(

)，稱(chēng)d(

)為f(

)與g(

)的公因式；若f(

)與g(

)的任一公因式都是d(

)的因式；稱(chēng)d(

)為f(

)與g(

)的最大公因式，并用（f(

)，g(

)）表示f(

)與g(

)的首項(xiàng)系數(shù)為1的最大公因式.第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型§2

矩陣及其在相抵下的標(biāo)準(zhǔn)型由于一般矩陣與對(duì)角矩陣不相似，因此我們“退而求其次”，尋找“幾乎對(duì)角的”矩陣。這就引出了矩陣在相似下的各種標(biāo)準(zhǔn)型問(wèn)題，其中Jordan標(biāo)準(zhǔn)型是最接近對(duì)角的矩陣，只在第1條對(duì)角線(xiàn)上取1或0。弄清楚了矩陣相似的本質(zhì)，理論上、計(jì)算上以及應(yīng)用上的許多問(wèn)題就容易處理了，當(dāng)然花費(fèi)也大了。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型定義1

元素為

的多項(xiàng)式的矩陣稱(chēng)為

-矩陣，記為A(

)。即A(

)=(aij(

))m

n(i=1,2,…m;j=1,2,..n),其中aij(

)是數(shù)域P上的多項(xiàng)式。多項(xiàng)式aij(

)的最高次數(shù)稱(chēng)為A(

)的次數(shù)，數(shù)域P上全體m

n的

-矩陣記為P[

]m

n.注：數(shù)字矩陣是

-矩陣的特例。數(shù)字矩陣A的特征矩陣

I-A是1次

-矩陣。1.

矩陣的基本概念第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

矩陣的加法、減法、乘法和數(shù)乘運(yùn)算同數(shù)字矩陣的對(duì)應(yīng)運(yùn)算有相同的運(yùn)算定律。數(shù)字矩陣行列式的定義也可應(yīng)用到

矩陣，且性質(zhì)相同。

n階

矩陣的行列式是

的多項(xiàng)式，且滿(mǎn)足

|A(

)B(

)|=|A(

)||B(

)|

第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型定義2設(shè)A(

)

P[

]m

n，如果A(

)中有一個(gè)r階子式不為零，而所有r+1階子式全為零，稱(chēng)A(

)的秩為r，記為rank(A(

))=r數(shù)字矩陣A的特征矩陣

I-A是

的n次行列式，所以是滿(mǎn)秩的。

矩陣的秩第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

定義3設(shè)A(

)

P[

]m

n，如果存在一個(gè)n階

矩陣B(

)使得A(

)B(

)

=B(

)

A(

)=I

則稱(chēng)A(

)可逆，B(

)為A(

)的逆矩陣記作A(

)-1。定理1

設(shè)A(

)

P[

]m

n，A(

)可逆的充要條件是|A(

)

|是非零常數(shù)。

矩陣的逆第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

矩陣的初等變換定義4初等變換(1)對(duì)換兩行（列）；(2)某行（列）乘上非零的常數(shù)k；(3)

某一行(列)的

(

)倍加到另一行，其中

(

)是

的多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)三種初等變換，有三種初等矩陣P(i,j).P(i(k)),P(i,j(

))(1)做一次初等行（列）變換，相當(dāng)于左（右）乘相應(yīng)的初等矩陣;(2)初等矩陣都是可逆的：P(i,j)-1=P(i,j).P(i(k))-1=P(i(k-1))，P(i,j(

))-1=P(i,j(-

))第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型相抵（等價(jià)）定義5

設(shè)A(

),B(

)

P[

]m

n，若A(

)經(jīng)有限次行、列初等變換化為B(

),稱(chēng)A(

)與B(

)相抵（等價(jià)），記為A(

)

B(

)定理2

設(shè)A(

),B(

)

P[

]m

n，A(

)與B(

)相抵的充要條件是存在m階初等矩陣P1(

),P2(

),…Pl(

),與n階初等矩陣Q1(

),Q2(

),…Qt(

),，使得A(

)=Pl(

)…P1(

)B(

)Q1(

)Q2(

)…Qt(

)

第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型3.

矩陣在相抵下的標(biāo)準(zhǔn)型定義6

該標(biāo)準(zhǔn)型稱(chēng)為A(

)在相抵下的標(biāo)準(zhǔn)型或Smith標(biāo)準(zhǔn)型；稱(chēng)smith標(biāo)準(zhǔn)型“主對(duì)角線(xiàn)”上非零元d1(

),d2(

),dr(

)為A(

)的不變因子定理

對(duì)任意一個(gè)秩為r的m

n階

-陣A(

)，都相抵于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型di(

)為首項(xiàng)系數(shù)為1的多項(xiàng)式，且di(

)|di+1(

)第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型例1

求

矩陣的Smith標(biāo)準(zhǔn)形

解題思路：經(jīng)過(guò)一系列初等行變換或初等列變換使得左上角的元素次數(shù)逐漸降低，最后降低到可以整除其余所有的元素。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

解:第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

不變因子：第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型將其化成Smith標(biāo)準(zhǔn)形。例2第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型解：第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型§3

矩陣的行列式因子和初等因子定義1設(shè)A(

)

P[

]m

n，且rank(A(

))=r，對(duì)于正整數(shù)k

(1≤k≤r),A(

)中的全部k階子式的最大公因式稱(chēng)為A(

)的k階行列式因子，記為Dk(

).定理1

相抵的

矩陣有相同的秩和相同的各階行列式因子第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型例1

求

矩陣的各階行列式因子。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型解

由于((

+1)2,

)=1,所以D1(

)=1最后

D3(

)=det(A(

))=

2(

+1)3第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型行列式因子和不變因子的關(guān)系設(shè)

矩陣A(

)的Smith標(biāo)準(zhǔn)形為其中di(

)(i=1,2…r)是首項(xiàng)系數(shù)是1的不變因子，第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型則A(

)的各階行列式因子如下：于是Di(

)|Di+1(

)，(i=1,2,…r-1)di+1(

)=Di+1(

)/Di(

),(i=1,2,…r-1)定理2

矩陣A(

)的Smith標(biāo)準(zhǔn)型唯一。定理3

設(shè)A(

),B(

)

P[

]m

n，A(

)與B(

)相抵的充要條件是它們有相同的行列式因子，或它們有相同的不變因子。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型例2

求下列

矩陣的行列式因子和不變因子

一般來(lái)說(shuō)應(yīng)用行列式因子求不變因子較復(fù)雜，但對(duì)一些特殊的矩陣先求行列式因子再求不變因子反而簡(jiǎn)單。其中

i是數(shù)域P中的常數(shù)。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型解

由于A(

)的一個(gè)m-1階子式

故Dm-1(

)=1,根據(jù)行列式因子的依次整除性，有

D1(

)=D2(

)=…=Dm-2(

)=1

而Dm(

)=(

-

i)m，因此A(

)的不變因子為

d1(

)=d2(

)=…=dm-1(

)=1,dm(

)=(

-

i)m第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)

矩陣A(

)的不變因子為d1(

),d2(

),…dr(

)，在復(fù)數(shù)域內(nèi)將它們分解成一次因式的乘積其中，

1

…

s是互異的復(fù)數(shù)，eij是非負(fù)整數(shù)，滿(mǎn)足初等因子第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型定義2

在不變因子的分解式中，所有指數(shù)大于0的因子稱(chēng)為矩陣A(

)的初等因子。注：在A(

)的秩已知的情況下，不變因子和初等因子相互確定第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型例3

如果

矩陣A(

)的不變因子為則A(

)的初等因子為

,

,

2,

-1,(

-1)2,(

-1)3,(

+1)2,(

+1)3,

-2第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型

反過(guò)來(lái)，如果知道了A(

)的秩和初等因子，因?yàn)锳(

)的秩確定了不變因子的個(gè)數(shù)，則同一個(gè)一次因式的方冪做成的初等因子中，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，如此順推，可知屬于同一一次因式的方冪的初等因子在不變因子的分解式中唯一確定。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型例如如果A(

)的秩為4，且其初等因子為則A(

)的不變因子依次為d4(

)=

2(

-1)3(

-i)3(

+i)3d3(

)=

(

-1)2,d2(

)=

(

-1),d1(

)=1

,

,

2,

-1,(

-1)2,(

-1)3,(

-i)2,(

+i)3第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型定理7

設(shè)

矩陣為塊對(duì)角形矩陣，則B(

)與C(

)的初等因子的全體是A(

)的全部初等因子。該定理可以推廣到n個(gè)分塊的情形定理6設(shè)A(

),B(

)

P[

]m

n，A(

)與B(

)相抵的充要條件是它們有相同的秩和相同的初等因子。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型例4

求的Smith標(biāo)準(zhǔn)型第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型解

記那么第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型因?yàn)锳1(

)的初等因子為

,+1;

A2(

)的初等因子為

,

A3(

)的初等因子為

,-1,+1；由上面的定理可知A(

)的初等因子為

所以A(

)的不變因子為

,

,

,

-1,

+1,

+1d4(

)=

(

-1)(

+1),d3(

)=

(

+1)d2(

)=

,d1(

)=1第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型因此A(

)的Smith標(biāo)準(zhǔn)形為第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型§4矩陣相似的條件.定理1

數(shù)字方陣A與B相似的充分必要條件是它們的特征矩陣

E-A與

E-B相抵。定義1

n階數(shù)字方陣A的特征矩陣

E-A的行列式因子，不變因子和初等因子分別稱(chēng)為矩陣A的行列式因子，不變因子和初等因子。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型§4矩陣相似的條件.定理2

n階數(shù)字方陣A與B相似的充分必要條件是他們滿(mǎn)足如下條件之一：（1）它們有相同的行列式因子，（2）它們有相同的不變因子,（3）它們有相同的初等因子。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型§5矩陣的Jordan標(biāo)準(zhǔn)型定義1

稱(chēng)方陣為階Jordan塊。由若干個(gè)Jordan塊組成的塊對(duì)角矩陣稱(chēng)為Jordan形矩陣。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型ni

階Jordan塊Ji的性質(zhì)：（1）Ji由有唯一的特征值

i（2）特征值

i的幾何重?cái)?shù)為1，代數(shù)重?cái)?shù)為ni

（3）

Ji

有唯一的初等因子；Jordan

塊Ji的性質(zhì)對(duì)應(yīng)于特征值

僅有一個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的特征向量第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型（4）Jordan塊Ji的性質(zhì)可使用歸納法證明第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)Jordan形矩陣其中，Ji=

Ji(

i)是ni階Jordan塊，則（1）J的初等因子為（2）J恰有s個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的特征向量；注：

Jordan形矩陣的全部初等因子由它的全部Jordan塊的初等因子決定，因此Jordan形矩陣除去其中Jordan塊的排列次序外被它的初等因子唯一決定。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型定理1

設(shè)，則A可經(jīng)過(guò)相似變換可化成唯一的

Jordan形矩陣(不計(jì)Jordan塊的排列次序)，稱(chēng)該Jordan形矩陣為A的Jordan標(biāo)準(zhǔn)型.Ji(

i)為A的對(duì)應(yīng)初等因子

-

i的Jordan塊第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型求方陣的Jordan標(biāo)準(zhǔn)形。例1第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型解：首先用初等變換法求其Jordan標(biāo)準(zhǔn)形：故A

的初等因子為-1,(-1)2從而A的Jordan標(biāo)準(zhǔn)形為或初等因子法的缺點(diǎn)是不能求出相似變換矩陣。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型定理2

設(shè)T是復(fù)數(shù)域上n維線(xiàn)性空間V的線(xiàn)性變換，則在V中存在一組基使得T在這組基下的矩陣是

Jordan形矩陣。定理3

設(shè)A

Cn

n，則A于一個(gè)對(duì)角陣相似的充要條件是A的初等因子都是一次的。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型求相似變換矩陣的步驟

由定理1知道，方陣與標(biāo)準(zhǔn)型J是相似的，即存在可逆矩陣P，使得：A=PJP-1，即AP=PJ,求法如下：設(shè)即第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型所以：解方程并選擇適當(dāng)?shù)募吹?。第三章矩陣的?biāo)準(zhǔn)型求方陣的相似變換矩陣。例2第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型解：由例1知，矩陣的Jordan標(biāo)準(zhǔn)型為求相似變換矩陣：設(shè)所求矩陣為P，則AP=PJ

，對(duì)于P

按列分塊記為第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型從而：第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型整理后得三個(gè)方程組為：前面的兩個(gè)方程為同解方程組，可以求出它們的一個(gè)基礎(chǔ)解系：第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型這是因?yàn)槿绻鹥2選取不當(dāng)會(huì)使得第三個(gè)非齊次線(xiàn)性方程組無(wú)解。令：p2=k1

1+k2

2將其代入第三個(gè)方程，選取適當(dāng)?shù)膋1，k2使(I-A)p3=-(k1

1+k2

2)有解?？梢匀1=

1,但不能簡(jiǎn)單取p2=

2.第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型根據(jù)非齊次方程有解的條件：系數(shù)矩陣與增廣矩陣有相同的秩，容易計(jì)算出其系數(shù)矩陣的秩為1，從而應(yīng)該使得增廣矩陣的秩為1令k1

=k2

=1，由此得第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型那么所求相似變換矩陣為第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型三、

Jordan標(biāo)準(zhǔn)形的某些應(yīng)用對(duì)于方陣A，求An,若A=P-1JP,An=P-1JnP應(yīng)用：1）一階差分方程Uk+1=AUk=AkU0,例如：Fibonacci數(shù)列Fk+2=Fk+1+Fk,寫(xiě)成Uk+1=AUk形式第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型三、

Jordan標(biāo)準(zhǔn)形的某些應(yīng)用這是一個(gè)動(dòng)態(tài)問(wèn)題，特征值決定增長(zhǎng)速度，是無(wú)限增長(zhǎng)還是趨于穩(wěn)定An

0，稱(chēng)A是穩(wěn)定的，如果所有的特征值<1,且A有n個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的特征向量，則A是穩(wěn)定的。第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型三、

Jordan標(biāo)準(zhǔn)形的某些應(yīng)用例3

對(duì)于方陣求A10解：由例1知，矩陣的Jordan標(biāo)準(zhǔn)型為第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型由例2知，矩陣的相似變換矩陣為第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型從而第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型§6Cayley-Hamilton定理與最小多項(xiàng)式定義1

任給數(shù)域P

上一個(gè)n級(jí)矩陣A，若存在數(shù)域

P

上一個(gè)多項(xiàng)式

f(x)，使

f(A)=0，則稱(chēng)f(x)是以A

為根的多項(xiàng)式.（或稱(chēng)為A的化零多項(xiàng)式）定理1

Cayley-Hamilton定理設(shè)

A

是數(shù)域

P

上一個(gè)

n

n

矩陣，f(

)=|E-A|是A

的特征多項(xiàng)式，則f(A)=An-(a11+a22+…+ann)An-1+…+(-1)n|A|E=0第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型最小多項(xiàng)式定義3首項(xiàng)系數(shù)為1、次數(shù)最低的以

A為根的多項(xiàng)式稱(chēng)為A的最小多項(xiàng)式.注意：1.矩陣A的特征多項(xiàng)式就是A的化零多項(xiàng)式；2.化零多項(xiàng)式不唯一3.矩陣A的特征多項(xiàng)式未必是最小多項(xiàng)式第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型最小多項(xiàng)式定理2設(shè)

A

是數(shù)域

P

上一個(gè)

n

階矩陣，設(shè)m(

)

是A的最小多項(xiàng)式，

(

)

是A的任一化零多項(xiàng)式,則1.A的最小多項(xiàng)式唯一；2.m(

)

能整除

(

)，特別地，m(

)能整除A的特征多項(xiàng)式f(

);3.

0是A的特征值的充要條件是m(

0)=0;第三章矩陣的標(biāo)準(zhǔn)型事實(shí)上，如果矩陣

A

與

B

相似：B=T-1AT，那么對(duì)任一多項(xiàng)式

f(x)，f