主要内容

高等代数教学辅导

7.10 Frobenius标准型和广义Jordan标准型

建设中!

练习 练习

基础题.

1.
\(\mathbb{Q}\)上的\(10\)阶方阵\(A\)的不变因子为
\begin{equation*} 1,1,\cdots ,1,(\lambda-2)^2(\lambda^2+2),(\lambda-2)^2(\lambda^2+2)^2, \end{equation*}
写出\(A\)的Frobenius标准形。
解答.
\(A\)的Frobenius标准形为
\begin{equation*} \begin{array}{cl} &\begin{pmatrix} F\left((\lambda-2)^2(\lambda^2+2)\right)&0\\ 0&F\left((\lambda-2)^2(\lambda^2+2)^2\right) \end{pmatrix}\\ =&\begin{pmatrix} F\left(\lambda^4-4\lambda^3+6\lambda^2-8\lambda+8\right)&0\\ 0&F\left(\lambda^6-4\lambda^5+8\lambda^4-16\lambda^3+20\lambda^2-16\lambda+16\right) \end{pmatrix}, \end{array} \end{equation*}
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&0&0&-8&0&0&0&0&0&0\\ 1&0&0&8&0&0&0&0&0&0\\ 0&1&0&-6&0&0&0&0&0&0\\ 0&0&1&4&0&0&0&0&0&0\\ 0&0&0&0&0&0&0&0&0&-16\\ 0&0&0&0&1&0&0&0&0&16\\ 0&0&0&0&0&1&0&0&0&-20\\ 0&0&0&0&0&0&1&0&0&16\\ 0&0&0&0&0&0&0&1&0&-8\\ 0&0&0&0&0&0&0&0&1&4 \end{pmatrix}. \end{equation*}
2.
写出下列矩阵\(A\)在Frobenius标准形。
(1)\(\begin{pmatrix} 3&2&-5\\2&6&-10\\1&2&-3 \end{pmatrix}\);(2) \(\begin{pmatrix} 1&1&0&0&0\\ 0&1&0&0&0\\ 0&0&3&2&-5\\ 0&0&2&6&-10\\ 0&0&1&2&-3 \end{pmatrix}\)
解答.
(1)由 练习 7.7.4的第3小题知: \(A\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=1,g_2(\lambda)=\lambda-2,g_3(\lambda)=(\lambda-2)^2, \end{equation*}
所以\(A\)的Frobenius标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} F(\lambda-2)&0\\ 0&F\left((\lambda-2)^2\right) \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 2&0&0\\ 0&0&-4\\ 0&1&4 \end{pmatrix}. \end{equation*}
(2)设\(B=\begin{pmatrix} 1&1\\ 0&1 \end{pmatrix},C=\begin{pmatrix} 3&2&-5\\ 2&6&-10\\ 1&2&-3 \end{pmatrix}\),则\(A=\begin{pmatrix} B&0\\ 0&C \end{pmatrix}\)。计算可得
\begin{equation*} \lambda E-B\simeq \begin{pmatrix} 1&0\\ 0&(\lambda-1)^2 \end{pmatrix},\quad \lambda E-C\simeq \begin{pmatrix} 1&0&0\\ 0&\lambda-2&0\\ 0&0&(\lambda-2)^2 \end{pmatrix}, \end{equation*}
所以
\begin{equation*} \lambda E-A\simeq \begin{pmatrix} 1&0&0&0&0\\ 0&(\lambda-1)^2&0&0&\\ 0&0&1&0&0\\ 0&0&0&\lambda-2&0\\ 0&0&0&0&(\lambda-2)^2 \end{pmatrix}. \end{equation*}
\(A\)的行列式因子为
\begin{equation*} D_1(\lambda)=D_2(\lambda)=D_3(\lambda)=1,D_4(\lambda)=\lambda-2,D_5(\lambda)=(\lambda-1)^2(\lambda-2)^3. \end{equation*}
相应地,\(A\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=g_2(\lambda)=g_3(\lambda)=1,g_4(\lambda)=\lambda-2,g_5(\lambda)=(\lambda-1)^2(\lambda-2)^2. \end{equation*}
因此\(A\)的Frobenius标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} F(\lambda-2)&0\\ 0&F\left((\lambda-1)^2(\lambda-2)^2\right) \end{pmatrix}, \end{equation*}
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 2&0&0&0&0\\ 0&0&0&0&-4\\ 0&1&0&0&12\\ 0&0&1&0&-13\\ 0&0&0&1&6 \end{pmatrix}. \end{equation*}
3.
\(A\)的不变因子组为\(1,\dots ,1,(\lambda-1)(\lambda^2+1),(\lambda-1)^3(\lambda^2-2)(\lambda^2+1)^2\),分别在\(\mathbb{Q}\)上和\(\mathbb{C}\)上写出\(A\)的广义Jordan标准形。
解答.
\(A\)\(\mathbb{Q}\)上的初等因子组为
\begin{equation*} \lambda-1, (\lambda-1)^3, \lambda^2+1, (\lambda^2+1)^2 , \lambda^2-2, \end{equation*}
所以\(A\)\(\mathbb{Q}\)上的广义Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & -1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 2\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}. \end{equation*}
\(A\)\(\mathbb{C}\)上的初等因子组为
\begin{equation*} \lambda-1, (\lambda-1)^3, \lambda+i,\lambda-i, (\lambda+i)^2 , (\lambda-i)^2 , \lambda+\sqrt{2}, \lambda-\sqrt{2}, \end{equation*}
所以\(A\)\(\mathbb{C}\)上的广义Jordan标准形为
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & -i & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & i & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -i & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -i & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & i & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & i & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -\sqrt{2} & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \sqrt{2} \end{pmatrix}. \end{equation*}

提高题.

4.
\(A\)是数域\(\mathbb{F}\)上的\(n\)阶方阵,证明:若\(\deg m_A(\lambda)=n\),则\(A\)的Frobenius标准形是一个Frobenius块。
解答.
因为\(g_n(\lambda)=m_A(\lambda)\),所以\(\deg g_n(\lambda)=\deg m_A(\lambda)=n\)。注意到\(\deg\left(\prod\limits_{i=1}^n g_i(\lambda)\right)=n\),故\(A\)的不变因子为
\begin{equation*} g_1(\lambda)=\cdots =g_{n-1}(\lambda)=1,g_n(\lambda)=m_A(\lambda). \end{equation*}
因此\(A\)的Frobenius标准形\(F(m_A(\lambda))\)是一个Frobenius块。
5.
\begin{equation*} A= \begin{pmatrix} F((\lambda+1)^2(\lambda^2+\lambda+1))&0\\0&F((\lambda+1)(\lambda^2+\lambda+1)^2) \end{pmatrix}, \end{equation*}
\begin{equation*} B=\begin{pmatrix} F((\lambda+1)^2)&0&0&0\\ 0&F(\lambda^2+\lambda+1)&0&0\\ 0&0&F(\lambda+1)&0\\ 0&0&0&F((\lambda^2+\lambda+1)^2) \end{pmatrix}, \end{equation*}
证明:\(A\)相似于\(B\)
解答.
\(F((\lambda+1)^2(\lambda^2+\lambda+1)),F((\lambda+1)(\lambda^2+\lambda+1)^2)\)的不变因子分别为
\begin{equation*} 1,1,1,(\lambda+1)^2(\lambda^2+\lambda+1)\ \ \mbox{和}\ \ 1,1,1,1,(\lambda+1)(\lambda^2+\lambda+1)^2, \end{equation*}
所以\(\lambda E-A\simeq \begin{pmatrix} 1&&&&&&&&\\ &1&&&&&&&\\ &&1&&&&&&\\ &&&(\lambda+1)^2(\lambda^2+\lambda+1)&&&&&\\ &&&&1&&&&\\ &&&&&1&&&\\ &&&&&&1&&\\ &&&&&&&1&\\ &&&&&&&&(\lambda+1)(\lambda^2+\lambda+1)^2 \end{pmatrix}.\)\(A\)\(\mathbb{R}\)上的初等因子组为\(\lambda+1,(\lambda+1)^2,\lambda^2+\lambda+1,(\lambda^2+\lambda+1)^2\)
同理,\(B\)\(\mathbb{R}\)上的初等因子组也为\(\lambda+1,(\lambda+1)^2,\lambda^2+\lambda+1,(\lambda^2+\lambda+1)^2\)
因此,\(A\)相似于\(B\)

挑战题.

6.
不使用定理 7.8.1,直接证明Frobenius块矩阵
\begin{equation*} \begin{pmatrix} 0&0&\cdots&0&-a_0\\ 1&0&\cdots&0&-a_1\\ 0&1&\ddots&\vdots&\vdots\\ \vdots&\ddots&\ddots&0& -a_{r-2} \\ 0&\cdots& 0 &1&-a_{r-1}\\ \end{pmatrix} \end{equation*}
的特征多项式和极小多项式都是
\begin{equation*} f(\lambda)=\lambda^r+a_{r-1}\lambda^{r-1}+\cdots +a_1\lambda+a_0. \end{equation*}
解答.
直接计算得
\begin{equation*} \begin{array}{ll} \chi_{F(f(\lambda))} & =\begin{vmatrix} \lambda&0&\cdots&0&a_0\\ -1&\lambda&\cdots&0&a_1\\ 0&-1&\ddots&\vdots&\vdots\\ \vdots&\ddots&\ddots&\lambda& a_{r-2} \\ 0&\cdots& 0 &-1&\lambda+a_{r-1}\\ \end{vmatrix}\\ & =\lambda^r+a_{r-1}\lambda^{r-1}+\cdots +a_1\lambda+a_0\\ & =f(\lambda),\end{array} \end{equation*}
\(m_{F(f(\lambda))}(\lambda)\mid f(\lambda)\)。假设\(m_{F(f(\lambda))}(\lambda)\neq f(\lambda)\),则
\begin{equation*} m_{F(f(\lambda))}(\lambda)=\lambda^s + b_{s-1}\lambda^{s-1} + \dots + b_1\lambda + b_0, \end{equation*}
其中\(s < r\)。由于\(m_{F(f(\lambda))}(F(f(\lambda)))={\bf 0}\),两边同时右乘 \(\varepsilon_1\)
\begin{equation*} F(f(\lambda))^s\varepsilon_1 + b_{s-1}F(f(\lambda))^{s-1}\varepsilon_1 + \dots + b_1F(f(\lambda))\varepsilon_1 + b_0\varepsilon_1 = {\bf 0}. \end{equation*}
注意到\(F(f(\lambda))\varepsilon_1=\varepsilon_2, F(f(\lambda))^2\varepsilon_1=\varepsilon_3, \dots , F(f(\lambda))^s\varepsilon_1=\varepsilon_{s+1}\),所以
\begin{equation*} \varepsilon_{s+1} + b_{s-1}\varepsilon_{s} + \dots + b_1\varepsilon_ + b_0\varepsilon_1={\bf 0}, \end{equation*}
\((b_0,\dots,b_{s-1},1,0,\dots,0)^T={\bf 0}\),矛盾。因此\(m_{F(f(\lambda))}(\lambda) = f(\lambda)\)
7.
\(A\)是数域\(\F\)\(n\)阶方阵,且\(\chi_A(\lambda) = m_A⁡(\lambda)\)。用Frobenius标准形证明:若\(AB=BA\),则存在数域\(\F\)上多项式\(f(\lambda)\),使得\(B=f(A)\)
解答.
\(\chi_A(\lambda) = m_A⁡(\lambda)\)\(A\)的不变因子组为
\begin{equation*} 1,\dots,1,m_A⁡(\lambda)=\lambda^n+a_{n-1}\lambda^{n-1}+\dots+a_0, \end{equation*}
所以存在可逆矩阵\(P\),使得
\begin{equation*} P^{-1}AP=F(m_A(\lambda))=\begin{pmatrix} 0 & & & -a_0\\ 1 & 0 & & -a_1\\ & \ddots & \ddots & \vdots\\ & & 1 & -a_{n-1} \end{pmatrix}. \end{equation*}
\(C=P^{-1}BP\),由题设\(AB=BA\)\(F(m_A(\lambda))C=CF(m_A(\lambda))\),故对任意正整数\(j\),有
\begin{equation*} F(m_A(\lambda))^jC=CF(m_A(\lambda))^j. \end{equation*}
\(C\varepsilon_1=c_0\varepsilon_1+c_1\varepsilon_2+\dots+c_{n-1}\varepsilon_n\),则
\begin{equation*} C\varepsilon_1=(c_0E_n+c_1F(m_A(\lambda))+\dots+c_{n-1}F(m_A(\lambda))^{n-1})\varepsilon_1. \end{equation*}
于是,对任意\(k=1, \dots ,n\),有
\begin{equation*} \begin{array}{ll} C\varepsilon_k & = C(F(m_A(\lambda))^{k-1}\varepsilon_1)\\ & = F(m_A(\lambda))^{k-1}(C\varepsilon_1)\\ & = (c_0E_n+c_1F(m_A(\lambda))+\dots+c_{n-1}F(m_A(\lambda))^{n-1})F(m_A(\lambda))^{k-1}\varepsilon_1\\ & = (c_0E_n+c_1F(m_A(\lambda))+\dots+c_{n-1}F(m_A(\lambda))^{n-1})\varepsilon_k, \end{array} \end{equation*}
由此可知
\begin{equation*} C=c_0E_n+c_1F(m_A(\lambda))+\dots+c_{n-1}F(m_A(\lambda))^{n-1}, \end{equation*}
因此
\begin{equation*} B=PCP^{-1}=\sum\limits_{i=0}^{n-1}c_{i}PF(m_A(\lambda))^{i}P^{-1}=\sum\limits_{i=0}^{n-1}c_{i}A^i. \end{equation*}
\(f(\lambda)=\sum\limits_{i=0}^{n-1}c_{i}\lambda^i\),则\(B=f(A)\)