主要内容

高等代数教学辅导

7.8 初等因子组与Jordan标准型

建设中!

子节 7.8.1 基础知识回顾

练习 7.8.2 练习

基础题.

1.
已知\(6\)\(\lambda\)-矩阵\(A(\lambda)\)的秩为\(4\),初等因子组为
\begin{equation*} \lambda ,\lambda,\lambda^3,\lambda+1,(\lambda+1)^3,\lambda-2,(\lambda-2)^2, \end{equation*}
\(A(\lambda)\)的行列式因子和不变因子。
解答.
\(A(\lambda)\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=1,g_2(\lambda)=\lambda,g_3(\lambda)=\lambda(\lambda+1)(\lambda-2),g_4(\lambda)=\lambda^3(\lambda+1)^3(\lambda-2)^2. \end{equation*}
\(A(\lambda)\)的行列式因子为
\begin{equation*} D_1(\lambda)=1,D_2(\lambda)=\lambda,D_3(\lambda)=\lambda^2(\lambda+1)(\lambda-2),D_4(\lambda)=\lambda^5(\lambda+1)^4(\lambda-2)^3. \end{equation*}
2.
已知矩阵\(A\)\(\mathbb{R}\)上的初等因子组为\(\lambda,\lambda^3,(\lambda-\sqrt{2})^2,(\lambda +\sqrt{2})^2,(\lambda^2+1)^3,\)\(A\)的行列式因子和不变因子。
解答.
\(A\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=\cdots=g_{12}(\lambda)=1,g_{13}(\lambda)=\lambda,g_{14}(\lambda)=\lambda^3(\lambda^2-2)^2(\lambda^2+1)^3. \end{equation*}
\(A\)的行列式因子为
\begin{equation*} D_1(\lambda)=\cdots=D_{12}(\lambda)=1,D_{13}(\lambda)=\lambda,D_{14}(\lambda)=\lambda^4(\lambda^2-2)^2(\lambda^2+1)^3. \end{equation*}
3.
求下列矩阵的初等因子组。
(1)\(\begin{pmatrix} \lambda&1&0\\0&\lambda&1\\0&0&\lambda \end{pmatrix}\);(2)\(\begin{pmatrix} \lambda^2-\lambda&0&0\\0&\lambda-1&0\\0&0&\lambda^3 \end{pmatrix}\)
解答.
(1)\(\lambda^3\);(2)\(\lambda,\lambda^3,\lambda-1,\lambda-1\)
4.
\(A\)的初等因子组为\(\lambda^2,\lambda+1,(\lambda+1)^3\),求\(A\)的Jordan标准形。
解答.
\(A\)的Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&0&&&&\\ 1&0&&&&\\ &&-1&&&\\ &&&-1&&\\ &&&1&-1&\\ &&&&1&-1 \end{pmatrix}. \end{equation*}
5.
\(n\)阶方阵\(A\)是幂零矩阵,即有大于\(1\)的整数\(k\),使得\(A^k=0,A^{k-1}\neq 0\)。求\(A\)的最后一个不变因子。
解答.
因为\(A^k=0\),所以\(\lambda^k\)\(A\)的一个零化多项式。由\(m_(A)\)整除\(A\)的零化多项式知:存在\(0<l\leq k\),使得\(m_A(\lambda)=\lambda^l\)。注意到\(A^{k-1}\neq 0\),所以\(m_A(\lambda)=\lambda^k\)。故\(A\)的最后一个不变因子\(g_n(\lambda)=\lambda^k\)
6.
\(A\)是数域\(\mathbb{F}\)上的\(n\)阶方阵,\(A\)的行列式因子是\(1,\dots,1,f(\lambda)\),证明:\(\chi_A(\lambda)=m_A(\lambda)\)
解答.
\(A\)的行列式因子是\(1,\cdots ,1,f(\lambda)\),所以\(A\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=1,g_2(\lambda)=\frac{D_(\lambda)}{D_1(\lambda)}=1,\cdots , \end{equation*}
\begin{equation*} g_{n-1}(\lambda)=\frac{D_{n-1}(\lambda)}{D_{n-2}(\lambda)}=1,g_{n}(\lambda)=\frac{D_{n}(\lambda)}{D_{n-1}(\lambda)}=f(\lambda). \end{equation*}
\(m_A(\lambda)=g_n(\lambda)=f(\lambda)\)。注意到\(A\)的最后一个行列式因子等于\(\chi_A(\lambda)\),所以\(\chi_A(\lambda)=f(\lambda)\)。因此\(\chi_A(\lambda)=m_A(\lambda)=f(\lambda)\)

提高题.

7.
\(n\)阶复方阵\(A\)不可逆且不是幂零矩阵,证明:\(A\)相似于矩阵
\begin{equation*} \begin{pmatrix} B&0\\ 0&C \end{pmatrix}, \end{equation*}
其中\(B\)是幂零矩阵,\(C\)是可逆矩阵。
解答.
\(A\)的Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} J(\lambda_1,e_1)&&&\\ &J(\lambda_2,e_2)&&\\ &&\ddots&\\ &&&J(\lambda_k,e_k) \end{pmatrix}. \end{equation*}
因为\(A\)不可逆,所以存在若干个\(\lambda_i\)等于\(0\)。又因为\(A\)不是幂零矩阵,所以存在若干个\(\lambda_j\)不等于\(0\)。不妨设\(\lambda_1=\cdots=\lambda_s=0\),但\(\lambda_{s+1},\cdots,\lambda_k\neq 0\),则\(J(\lambda_i,e_i)\)为幂零矩阵\((1\leq i\leq s)\)\(J(\lambda_j,e_j)\)为可逆矩阵\((s+1\leq j\leq k)\)。令
\begin{equation*} B=\begin{pmatrix} J(\lambda_1,e_1)&&\\ &\ddots&\\ &&J(\lambda_s,e_s) \end{pmatrix}, C=\begin{pmatrix} J(\lambda_{s+1},e_{s+1})&&\\ &\ddots&\\ &&J(\lambda_k,e_k) \end{pmatrix}, \end{equation*}
\(B\)是幂零矩阵,\(C\)是可逆矩阵,且\(A\)相似于矩阵\(\begin{pmatrix} B&0\\ 0&C \end{pmatrix}\)
8.
\(\mathbb{C}\)上三阶方阵\(A=\begin{pmatrix} 2&0&0\\a&2&0\\b&c&1 \end{pmatrix}\)
  1. 求出\(A\)所有可能的Jordan标准形;
  2. 给出\(A\)可对角化的充分必要条件。
解答.
  1. \(f_A(\lambda)=(\lambda-2)^2(\lambda-1)\),所以\(m_A(\lambda)=(\lambda-2)(\lambda-1)\)\((\lambda-2)^2(\lambda-1)\)
    • \(m_A(\lambda)=(\lambda-2)(\lambda-1)\)时,\(A\)的不变因子为\(1,\lambda-2,(\lambda-2)(\lambda-1)\),则\(A\)的初等因子组为\(\lambda-2,\lambda-2,\lambda-1\)。此时,\(A\)的Jordan标准形为
      \begin{equation*} \begin{pmatrix} 2&0&0\\0&2&0\\0&0&1 \end{pmatrix}. \end{equation*}
    • \(m_A(\lambda)=(\lambda-2)^2(\lambda-1)\)时,\(A\)的不变因子为\(1,1,(\lambda-2)^2(\lambda-1)\),则\(A\)的初等因子组为\((\lambda-2)^2,\lambda-1\)。此时,\(A\)的Jordan标准形为
      \begin{equation*} \begin{pmatrix} 2&0&0\\1&2&0\\0&0&1 \end{pmatrix}. \end{equation*}
  2. 由(a)知,\(A\)可对角化的充分必要条件是\(m_A(\lambda)=(\lambda-2)(\lambda-1)\),即
    \begin{equation*} (A-2E)(A-E)=0\Leftrightarrow \begin{pmatrix} 0&0&0\\a&0&0\\ac&0&0 \end{pmatrix}=0\Leftrightarrow a=0, \end{equation*}
    因此,\(A\)可对角化的充分必要条件是\(a=0\)
9.
\(A\)\(3\)阶方阵,满足\(A^2=E\),试求\(A\)的所有可能的Jordan标准形。
解答.
由已知条件,\(\lambda^2- 1\)\(A\)的一个零化多项式,所以\(m_A(\lambda)\)无重根,\(A\)可对角化。因此,\(A\)的Jordan标准形为对角阵,对角元是\(A\)的全部特征值。由\(A^2=E\)不难验证\(A\)的特征值为\(-1\)\(1\)。故\(A\)的所有可能的Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 1&0&0\\0&1&0\\0&0&1 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 1&0&0\\0&1&0\\0&0&-1 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 1&0&0\\0&-1&0\\0&0&-1 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} -1&0&0\\0&-1&0\\0&0&-1 \end{pmatrix}. \end{equation*}
10.
\(A\)\(3\)阶幂零矩阵,即存在\(k\in\mathbb{Z}^+\)使得\(A^k=0\),试求\(A\)的所有可能的Jordan标准形。
解答.
由已知条件,\(\lambda^k\)\(A\)的一个零化多项式,所以\(m_A(\lambda)=\lambda^i\)
  1. \(m_A(\lambda)=\lambda\),则\(A=0\),其Jordan标准形为\(0\)
  2. \(m_A(\lambda)=\lambda^2\),则\(g_3(\lambda)=m_A(\lambda)=\lambda^2\)。注意到\(g_i(\lambda)|g_{i+1}(\lambda)\)\(\deg g_1(\lambda)g_2(\lambda)g_3(\lambda)=3\),所以\(A\)的不变因子为
    \begin{equation*} g_1(\lambda)=1,g_2(\lambda)=\lambda,g_3(\lambda)=\lambda^2, \end{equation*}
    \(A\)的初等因子组为\(\lambda,\lambda^2\)。此时,\(A\)的Jordan标准形为\(\begin{pmatrix} 0&&\\&0&0\\ &1&0 \end{pmatrix}\)
  3. \(m_A(\lambda)=\lambda^3\),则\(A\)的不变因子为\(1,1,\lambda^3\),初等因子组为\(\lambda^3\)。此时\(A\)的Jordan标准形为\(\begin{pmatrix} 0&0&0\\1&0&0\\ 0&1&0 \end{pmatrix}\)
综上,\(A\)的所有可能的Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&0&0\\0&0&0\\ 0&0&0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 0&0&0\\0&0&0\\ 0&1&0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix} 0&0&0\\1&0&0\\ 0&1&0 \end{pmatrix}. \end{equation*}
11.
\(A\)\(n\)阶幂等矩阵,且秩等于\(r\),试求\(A\)的Jordan标准形。
解答.
(方法一)由已知条件,\(\lambda^2- \lambda\)\(A\)的一个零化多项式,所以
\begin{equation*} m_A(\lambda)=\lambda\mbox{或}\lambda-1\mbox{或}\lambda(\lambda-1). \end{equation*}
\(A\)的初等因子组为\(\lambda-1,\cdots,\lambda-1,\lambda,\cdots, \lambda\),其中 \(\lambda-1\)\(k\)个。于是,\(A\)的Jordan标准形
\begin{equation*} \begin{pmatrix} E_k&0\\0&0 \end{pmatrix}. \end{equation*}
注意到\(r(A)=r\),所以\(A\)的Jordan标准形为\(\begin{pmatrix} E_r&0\\0&0 \end{pmatrix}\)
(方法二)由已知条件,\(\lambda^2- \lambda\)\(A\)的一个零化多项式,所以\(m_A(\lambda)\)无重根,\(A\)可对角化。因此,\(A\)的Jordan标准形为对角阵,对角元是\(A\)的全部特征值。由\(A^2=A\)不难验证\(A\)的特征值为\(0\)\(1\)。故\(A\)的所有可能的Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} E_k&0\\0&0 \end{pmatrix},\ \forall 0\leq k\leq n. \end{equation*}
于是,由\(r(A)=r\)可知\(A\)的Jordan标准形为\(\begin{pmatrix} E_r&0\\0&0 \end{pmatrix}\)
12.
\(A,B\)是数域\(\mathbb{F}\)\(3\)阶方阵,证明:\(A\)相似于\(B\)的充分必要条件是\(m_A(\lambda)=m_B(\lambda)\)\(\chi_A(\lambda)=\chi_B(\lambda)\)。当\(A,B\)\(4\)阶方阵时,情况如何?
解答.
1、\(A,B\)均为\(3\)阶矩阵时,必要性显然。以下分情况讨论充分性。
  • \(\deg m_A(\lambda)=1\),因为\(m_A(\lambda)=m_B(\lambda)\),所以\(A\)\(B\)的不变因子均为\(g_1(\lambda)=g_2(\lambda)=g_3(\lambda)=m_A(\lambda)\),故\(A\)相似于\(B\)
  • \(\deg m_A(\lambda)=2\),则由\(m_A(\lambda)=m_B(\lambda),f_A(\lambda)=f_B(\lambda)\),可知\(A\)\(B\)的不变因子均为\(g_1(\lambda)=1,g_2(\lambda)=\frac{f_A(\lambda)}{m_A(\lambda)},g_3(\lambda)=m_A(\lambda)\),故\(A\)相似于\(B\)
  • \(\deg m_A(\lambda)=3\),即\(m_A(\lambda)=f_A(\lambda)\),则\(A\)\(B\)的不变因子均为\(g_1(\lambda)=g_2(\lambda)=1,g_3(\lambda)=m_A(\lambda)\),故\(A\)相似于\(B\)
2、若\(A,B\)均为\(4\)阶矩阵时,必要性依然成立,但充分性不成立。反例,当
\begin{equation*} A=\begin{pmatrix} 0&1&&\\0&0&&\\&&0&1\\&&0&0 \end{pmatrix},B=\begin{pmatrix} 0&0&&\\0&0&&\\&&0&1\\&&0&0 \end{pmatrix}, \end{equation*}
\(m_A(\lambda)=m_B(\lambda)=\lambda^2,f_A(\lambda)=f_B(\lambda)=\lambda^4\),但\(r(A)=2\neq 1=r(B)\),故\(A\)\(B\)不相似。
13.
  1. \(a\)是数域\(\mathbb{F}\)中的非零数,求\(J(a,n)^2\)的Jordan标准形;
  2. \(A\)\(n\)阶可逆复方阵,证明:存在\(n\)阶复矩阵\(B\),使得\(A=B^2\)
解答.
  1. \(J=J(0,n)\),因
    \begin{equation*} J(a,n)^2=(aE_n+J)^2=a^2E_n+2aJ+J^2= \begin{pmatrix} a^2&&&&\\ 2a&a^2&&&\\ 1&\ddots&\ddots&&\\ &\ddots&\ddots&\ddots&\\ &&1&2a&a^2 \end{pmatrix}, \end{equation*}
    所以\(J(a,n)^2\)的特征值全为\(a^2\)。注意到当\(a\neq 0\)时,
    \begin{equation*} r\left(a^2E_n-J(a,n)^2\right)=n-1, \end{equation*}
    故特征值为\(a^2\)的Jordan块个数为
    \begin{equation*} n-r\left(a^2E_n-J(a,n)^2\right)=1. \end{equation*}
    从而\(J(a,n)^2\)的Jordan标准形为\(J(a^2,n)\)
  2. 因为\(A\)\(n\)阶可逆复矩阵,所以存在\(n\) 阶可逆矩阵\(P\),使得
    \begin{equation*} A=P^{-1}\begin{pmatrix} J(\lambda_1,e_1)&&&\\ &J(\lambda_2,e_2)&&\\ &&\ddots&\\ &&&J(\lambda_k,e_k) \end{pmatrix}P, \end{equation*}
    其中\(\lambda_1,\lambda_2,\cdots ,\lambda_k\in\mathbb{C}\)均非零。\(\forall 1\leq i\leq k\),取定\(\lambda_i\)的某个\(2\)次方根\(\mu_i\),即\(\mu_i^2=\lambda_i\),则\(\mu_i\neq 0\)。由\((1)\)\(J(\mu_i,e_i)^2\)相似于\(J(\mu_i^2,e_i)\),即\(J(\mu_i,e_i)^2\)相似于\(J(\lambda_i,e_i)\),所以存在\(e_i\)阶可逆矩阵\(Q_i\),使得\(J(\lambda_i,e_i)=Q_i^{-1}J(\mu_i,e_i)^2Q_i\),则
    \begin{equation*} \begin{array}{cl} A&=P^{-1}\begin{pmatrix} Q_1^{-1}J(\mu_1,e_1)^2Q_1&&&\\ &Q_2^{-1}J(\mu_2,e_2)^2Q_2&&\\ &&\ddots&\\ &&&Q_k^{-1}J(\mu_k,e_k)^2Q_k \end{pmatrix}P\\ &=R^{-1}\begin{pmatrix} J(\mu_1,e_1)^2&&&\\ &J(\mu_2,e_2)^2&&\\ &&\ddots&\\ &&&J(\mu_k,e_k)^2 \end{pmatrix}R, \end{array} \end{equation*}
    其中\(R=\begin{pmatrix} Q_1&&&\\ &Q_2&&\\ &&\ddots&\\ &&&Q_k \end{pmatrix}P\)\(n\)阶可逆矩阵。
    \begin{equation*} B=R^{-1}\begin{pmatrix} J(\mu_1,e_1)&&&\\ &J(\mu_2,e_2)&&\\ &&\ddots&\\ &&&J(\mu_k,e_k) \end{pmatrix}R, \end{equation*}
    \(B\)\(n\)阶复方阵,且\(A=B^2\)
14.
\(A\)\(10\)阶方阵,满足\(A^2(A-2E)^2(A-E)=0\),且\(r(A)=6\)\(r(A-2E)=9\)\(r(A-E)=8\),求\(A\)的Jordan标准形。
解答.
因为\(A^2(A-2E)^2(A-E)=0\),所以\(A\)的特征值满足
\begin{equation*} \lambda^2(\lambda-2)^2(\lambda-1)=0, \end{equation*}
\(A\)的特征值只能是\(0\)\(2\)\(1\)。因为属于特征值\(\lambda_i\)的Jordan块个数等于\(\lambda_i\)的几何重数,所以属于\(0\)的Jordan块个数为
\begin{equation*} 10-r(A)=4, \end{equation*}
属于\(2\)的Jordan块个数为
\begin{equation*} 10-r(A-2E)=1, \end{equation*}
属于\(1\)的Jordan块个数为
\begin{equation*} 10-r(A-E)=2. \end{equation*}
注意到\(m_A(\lambda)|\lambda^2(\lambda-2)^2(\lambda-1)\),所以属于\(1\)的Jordan块最大阶为\(1\),属于\(0\)的Jordan块最大阶不超过\(2\),属于\(2\)的Jordan块最大阶不超过\(2\)
  • 若属于\(2\)的Jordan块阶数为\(1\),则\(A\)的Jordan标准形为
    \begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&&&&&&&&&\\ &0&&&&&&&&\\ &1&0&&&&&&&\\ &&&0&&&&&&\\ &&&1&0&&&&&\\ &&&&&0&&&&\\ &&&&&1&0&&&\\ &&&&&&&2&&\\ &&&&&&&&1&\\ &&&&&&&&&1 \end{pmatrix}; \end{equation*}
  • 若属于\(2\)的Jordan块阶数为\(2\),则\(A\)的Jordan标准形为
    \begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&&&&&&&&&\\ &0&&&&&&&&\\ &&0&&&&&&&\\ &&1&0&&&&&&\\ &&&&0&&&&&\\ &&&&1&0&&&&\\ &&&&&&2&&&\\ &&&&&&1&2&&\\ &&&&&&&&1&\\ &&&&&&&&&1 \end{pmatrix}. \end{equation*}

挑战题.

15.
\(A=\begin{pmatrix} 3&2&-5\\2&6&-10\\1&2&-3 \end{pmatrix}\),求\(A\)的Jordan标准形\(J\),并求可逆矩阵\(P\),使得\(P^{-1}AP=J\)
16.
证明:与\(J(\lambda_0,n)\)可交换的矩阵一定可表示为\(J(\lambda_0,n)\)的多项式。
解答.
\(A\)\(J(\lambda_0,n)\)可交换,即
\begin{equation*} A\cdot\left(\lambda_0E_n+J(0,n)\right)=\left(\lambda_0E_n+J(0,n)\right)\cdot A, \end{equation*}
\begin{equation*} AJ(0,n)=J(0,n)A. \end{equation*}
由于
\begin{equation*} AJ(0,n)=\begin{pmatrix} a_{12}&a_{13}&\cdots&a_{1n}&0\\ a_{22}&a_{23}&\cdots&a_{2n}&0\\ \vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ a_{n-1,2}&a_{n-1,3}&\cdots&a_{n-1,n}&0\\ a_{n2}&a_{n3}&\cdots&a_{nn}&0 \end{pmatrix}, \end{equation*}
\begin{equation*} J(0,n)A=\begin{pmatrix} 0&0&\cdots&0&0\\ a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1,n-1}&a_{1n}\\ a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2,n-1}&a_{2n}\\ \vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ a_{n-1,1}&a_{n-1,2}&\cdots&a_{n-1,n-1}&a_{n-1,n}\\ \end{pmatrix}, \end{equation*}
比较系数得\(a_{ij}=0,\forall 1\leq i<j\leq n\),且
\begin{equation*} \begin{array}{c} a_{11}=a_{22}=a_{33}=a_{44}=\cdots=a_{nn},\\ a_{21}=a_{32}=a_{43}=\cdots=a_{n,n-1},\\ a_{31}=a_{42}=\cdots=a_{n,n-2},\\ \vdots \\ a_{n-1,1}=a_{n2} \end{array} \end{equation*}
\begin{equation*} A=\begin{pmatrix} a_{1}&0&0&\cdots&0&0&0\\ a_2&a_1&0&\cdots&0&0&0\\ a_3&a_2&a_1&\cdots&0&0&0\\ a_4&a_3&a_2&\ddots&\vdots&\vdots&\vdots\\ a_5&a_4&\ddots&\ddots&a_1&0&0\\ \vdots&\ddots&\ddots&a_3&a_2&a_1&0\\ a_n&\cdots&a_5&a_4&a_3&a_2&a_1 \end{pmatrix}, \end{equation*}
所以
\begin{equation*} \begin{array}{ccl} A&=&a_1E_n+a_2J(0,n)+a_3J(0,n)^2+\cdots+a_nJ(0,n)^{n-1}\\ &=&a_1E_n+a_2\left(J(\lambda_0,n)-\lambda_0E_n\right)+a_3\left(J(\lambda_0,n)-\lambda_0E_n\right)^2\\ &&+\cdots+a_n\left(J(\lambda_0,n)-\lambda_0E_n\right)^{n-1}. \end{array} \end{equation*}
\begin{equation*} f(\lambda)=a_1+a_2(\lambda-\lambda_0)+a_3(\lambda-\lambda_0)^2+\cdots+a_n(\lambda-\lambda_0)^{n-1}, \end{equation*}
\(A\)可表示为\(J(\lambda_0,n)\)的多项式\(f\left(J(\lambda_0,n)\right)\)
17.
\(A\)\(n\)阶复方阵,且\(\chi_A(\lambda) = m_A⁡(\lambda)\)。证明:若\(AB=BA\),则存在多项式\(f(\lambda)\),使得\(B=f(A)\)
解答.
\(\chi_A(\lambda) = m_A⁡(\lambda)\),所以\(A\)的不变因子组为
\begin{equation*} 1,\dots,1,m_A(\lambda). \end{equation*}
\(m_A(\lambda)=(\lambda-\lambda_1)^{e_1}\dots(\lambda-\lambda_k)^{e_k}\),其中\(\lambda_1,\dots,\lambda_k\)两两不同,则\(A\)的初等因子组为\((\lambda-\lambda_1)^{e_1} ,\dots ,(\lambda-\lambda_k)^{e_k}\), 于是存在可逆矩阵\(P\),使得
\begin{equation*} P^{-1}AP=\begin{pmatrix} J(\lambda_1,e_1) & &\\ & \ddots & \\ & & J(\lambda_k,e_k) \end{pmatrix}. \end{equation*}
\(C=P^{-1}BP\),由\(AB=BA\)
\begin{equation*} \begin{pmatrix} J(\lambda_1,e_1) & &\\ & \ddots & \\ & & J(\lambda_k,e_k) \end{pmatrix}C=C\begin{pmatrix} J(\lambda_1,e_1) & &\\ & \ddots & \\ & & J(\lambda_k,e_k) \end{pmatrix}, \end{equation*}
\(J(\lambda_i,e_i)C_{ij}=C_{ij}J(\lambda_j,e_j)\)。当\(i\neq j\)时,\(J(\lambda_i,e_i),J(\lambda_j,e_j)\)无公共特征值,由练习 7.5.9\(C_{ij}=0\),因此
\begin{equation*} C=\begin{pmatrix} C_{11} & &\\ & \ddots & \\ & & C_{kk} \end{pmatrix}, \end{equation*}
其中\(C_{ii}\)\(e_i\)阶方阵,且\(J(\lambda_i,e_i)C_{ii}=C_{ii}J(\lambda_i,e_i)\)。根据练习 7.8.2.16,存在多项式\(f_i(\lambda)\),使得
\begin{equation*} C_{ii}=f_i(J(\lambda_i,e_i)). \end{equation*}
由于\((\lambda-\lambda_1)^{e_1} ,\dots ,(\lambda-\lambda_k)^{e_k}\)两两互素,根据孙子定理,存在多项式\(f(\lambda)\),使得对任意\(i=1,\dots,k\),有
\begin{equation*} f(\lambda)=(\lambda-\lambda_i)^{e_i}q_i(\lambda)+f_i(\lambda). \end{equation*}
\(\lambda\)\(J(\lambda_i,e_i)\)代入,注意到\((\lambda-\lambda_i)^{e_i}\)\(J(\lambda_i,e_i)\)的特征多项式,故由Cayley-Hamilton定理得
\begin{equation*} f(J(\lambda_i,e_i))=f_i(J(\lambda_i,e_i))=C_{ii}, \end{equation*}
由此推出
\begin{equation*} f(A)=P\begin{pmatrix} f(J(\lambda_1,e_1)) & &\\ & \ddots & \\ & & f(J(\lambda_k,e_k)) \end{pmatrix}P^{-1}=PCP^{-1}=B. \end{equation*}
18.
\(A\)\(2n\)阶实方阵,且\(A^2+E=0\),证明:\(A\)相似于\(\begin{pmatrix} 0&-E_n\\ E_n&0 \end{pmatrix}\)
解答.
因为\(A^2+E=0\),所以
\begin{equation*} g(\lambda)=\lambda^2+1 \end{equation*}
\(A\)的一个零化多项式。注意到\(m_A(\lambda)\mid g(\lambda)\)\(g(\lambda)\)\(\mathbb{R}\)上不可约,所以
\begin{equation*} m_A(\lambda)=g(\lambda)=\lambda^2+1. \end{equation*}
因此\(A\)的最后一个不变因子
\begin{equation*} g_{2n}(\lambda)=m_A(\lambda)=\lambda^2+1. \end{equation*}
注意到对任意\(1\leq k\leq n-1\)\(g_{k}(\lambda)\mid g_{2n}(\lambda)\),且\(g_{2n}(\lambda)\)\(\mathbb{R}\)上不可约,所以\(g_k(\lambda)=1\)\(\lambda^2+1\)。又
\begin{equation*} \chi_A(\lambda)=g_1(\lambda)g_2(\lambda)\cdots g_{2n}(\lambda) \end{equation*}
\(2n\)次多项式,所以\(A\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=\cdots=g_{n}(\lambda)=1,g_{n+1}(\lambda)=\cdots =g_{2n}(\lambda)=\lambda^2+1. \end{equation*}
\(B=\begin{pmatrix} 0&-E_n\\ E_n&0 \end{pmatrix}\),不难验证\(\lambda E_{2n}-B\simeq \begin{pmatrix} E_n&0\\ 0&(\lambda^2+1)E_n \end{pmatrix}\),所以\(B\)的不变因子也是
\begin{equation*} g_1(\lambda)=\cdots=g_{n}(\lambda)=1,g_{n+1}(\lambda)=\cdots =g_{2n}(\lambda)=\lambda^2+1. \end{equation*}
\(A\)\(B\)有相同的不变因子,因此\(A\)相似于\(B\)
19.
\(A\)\(\mathbb{C}\)上非零且不可逆的\(n\)阶复方阵,若\(r(A)=r(A^2)\),证明:\(A\)相似于矩阵
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&0\\ 0&C \end{pmatrix}, \end{equation*}
其中\(C\)\(r(A)\)阶可逆矩阵。
解答.
由上题知,\(A\)相似于矩阵
\begin{equation*} J=\begin{pmatrix} B&0\\ 0&C \end{pmatrix}, \end{equation*}
其中\(B=diag(J(0,e_1),\cdots ,J(0,e_s))\)为幂零矩阵,\(C\)为可逆矩阵,则
\begin{equation*} r(A)=r(J)=\sum\limits_{i=1}^s r\left(J(0,e_i)\right)+r(C), \end{equation*}
\begin{equation*} r(A^2)=r(J^2)=r(B^2)+r(C^2)=\sum\limits_{i=1}^s r\left(J(0,e_i)^2\right)+r(C^2). \end{equation*}
因为\(C\)可逆,\(C^2\)也可逆,所以\(r(C)=r(C^2)\)。于是,由\(r(A)=r(A^2)\)可知
\begin{gather} \sum\limits_{i=1}^s r\left(J(0,e_i)\right)=\sum\limits_{i=1}^s r\left(J(0,e_i)^2\right).\tag{7.8.1} \end{gather}
注意到
\begin{equation*} r\left(J(0,e_i)\right)=e_i-1, \end{equation*}
\begin{equation*} r\left(J(0,e_i)^2\right)=\left\{\begin{array}{cl} e_i-2,&\mbox{当}e_i\geq 2,\\ 0,&\mbox{当}e_i=1, \end{array}\right. \end{equation*}
所以 (7.8.1)成立当且仅当\(e_1=\cdots=e_s=1\),即\(B=0\)。因此,\(A\)相似于矩阵
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&0\\ 0&C \end{pmatrix}, \end{equation*}
其中\(C\)\(r(A)\)阶可逆矩阵。