Жорданова матрица

Жорданова матрица — квадратная блочно-диагональная матрица над полем ${\displaystyle \mathbb {K} }$, с блоками вида

${\displaystyle J_{\lambda }={\begin{pmatrix}\lambda &1&0&\cdots &0&0\\0&\lambda &1&\cdots &0&0\\0&0&\lambda &\ddots &0&0\\\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\ddots &\vdots \\0&0&0&\ddots &\lambda &1\\0&0&0&\cdots &0&\lambda \\\end{pmatrix}}.}$

Каждый блок ${\displaystyle J_{\lambda }}$ называется жордановой клеткой с собственным значением ${\displaystyle \lambda }$ (собственные значения в различных блоках, вообще говоря, могут совпадать).

Согласно теореме о жордановой нормальной форме, для произвольной квадратной матрицы ${\displaystyle A}$ над алгебраически замкнутым полем ${\displaystyle \mathbb {K} }$ (например, полем комплексных чисел ${\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {C} }$) существует квадратная невырожденная (то есть обратимая, с отличным от нуля определителем) матрица ${\displaystyle C}$ над ${\displaystyle \mathbb {K} }$, такая, что

${\displaystyle J=C^{-1}A\,C}$

является жордановой матрицей. При этом ${\displaystyle J}$ называется жордановой формой (или жордановой нормальной формой) матрицы ${\displaystyle A}$. В этом случае также говорят, что жорданова матрица ${\displaystyle J}$ в поле ${\displaystyle \mathbb {K} }$ подобна (или сопряжена) данной матрице ${\displaystyle A}$. И наоборот, в силу эквивалентного соотношения

${\displaystyle A=CJC^{-1}}$

матрица ${\displaystyle A}$ подобна в поле ${\displaystyle \mathbb {K} }$ матрице ${\displaystyle J}$. Нетрудно показать, что введённое таким образом отношение подобия является отношением эквивалентности и разбивает множество всех квадратных матриц заданного порядка над данным полем на непересекающиеся классы эквивалентности. Жорданова форма матрицы определена не однозначно, а с точностью до порядка жордановых клеток. Точнее, две жордановы матрицы подобны над ${\displaystyle \mathbb {K} }$ в том и только в том случае, когда они составлены из одних и тех же жордановых клеток и отличаются друг от друга лишь расположением этих клеток на главной диагонали.

Свойства

• Количество жордановых клеток порядка ${\displaystyle n}$ с собственным значением ${\displaystyle \lambda }$ в жордановой форме матрицы ${\displaystyle A}$ можно вычислить по формуле

  ${\displaystyle c_{n}(\lambda )=\operatorname {rank} (A-\lambda I)^{n-1}-2\operatorname {rank} (A-\lambda I)^{n}+\operatorname {rank} (A-\lambda I)^{n+1},}$

где ${\displaystyle I}$ — единичная матрица того же порядка что и ${\displaystyle A}$, символ ${\displaystyle \operatorname {rank} }$ обозначает ранг матрицы, а ${\displaystyle \operatorname {rank} (A-\lambda I)^{0}}$, по определению, равен порядку ${\displaystyle A}$. Вышеприведённая формула следует из равенства

${\displaystyle \operatorname {rank} (A-\lambda I)=\operatorname {rank} (J-\lambda I).}$

• В случае если поле ${\displaystyle \mathbb {K} }$ не является алгебраически замкнутым, для того чтобы матрица ${\displaystyle A}$ была подобна над ${\displaystyle \mathbb {K} }$ некоторой жордановой матрице, необходимо и достаточно, чтобы поле ${\displaystyle \mathbb {K} }$ содержало все корни характеристического многочлена матрицы ${\displaystyle A}$.
• У эрмитовой матрицы все жордановы клетки имеют размер 1.
• Является матрицей линейного оператора в каноническом базисе.
• Жордановы формы двух подобных матриц совпадают с точностью до порядка клеток.

История

Одним из первых такую форму матрицы рассматривал Жордан.

Вариации и обобщения

• Над полем вещественных чисел собственные значения матрицы (то есть корни характеристического многочлена) могут быть как вещественными, так и комплексными, причем комплексные собственные значения, если они есть, присутствуют парами вместе со своими комплексно сопряжёнными: ${\displaystyle \lambda _{1,2}=\alpha \pm i\beta }$, где ${\displaystyle \alpha }$ и ${\displaystyle \beta }$ — вещественные числа, ${\displaystyle \beta \neq 0}$. В вещественном пространстве такой паре комплексных собственных значений отвечает блок ${\displaystyle J_{\lambda _{1,2}}}$, и к указанному выше виду жордановых матриц добавляются матрицы, содержащие также блоки вида ${\displaystyle J_{\lambda _{1,2}}}$, отвечающие парам комплексных собственных значений:^[1][2]

${\displaystyle J_{\lambda _{1,2}}=\left({\begin{array}{ccccccccccc}\alpha &\beta &1&0&0&0&\cdots &0&0&0&0\\-\beta &\alpha &0&1&0&0&\cdots &0&0&0&0\\0&0&\alpha &\beta &1&0&\cdots &0&0&0&0\\0&0&-\beta &\alpha &0&1&\ddots &0&0&0&0\\\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &\vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &\vdots &\vdots &\vdots \\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &\vdots &\vdots \\0&0&0&0&0&0&\cdots &\alpha &\beta &1&0\\0&0&0&0&0&0&\cdots &-\beta &\alpha &0&1\\0&0&0&0&0&0&\cdots &0&0&\alpha &\beta \\0&0&0&0&0&0&\cdots &0&0&-\beta &\alpha \\\end{array}}\right).}$

• Теорема о жордановой нормальной форме является частным случаем теоремы о структуре конечнопорожденных модулей над областями главных идеалов. Действительно, классификация матриц соответствует классификации линейных операторов, а векторные пространства над полем ${\displaystyle \mathbb {K} }$ с фиксированным линейным оператором биективно соответствуют модулям над кольцом многочленов ${\displaystyle \mathbb {K} [x]}$ (умножение вектора на ${\displaystyle x}$ задаётся как применение линейного оператора).

• Помимо жордановой нормальной формы, рассматривают ряд других типов нормальных форм матрицы (например, фробениусова нормальная форма). К их рассмотрению прибегают, в частности, когда основное поле не содержит всех корней характеристического многочлена данной матрицы.

См. также

• Каноническая форма Вейра

Примечания

1. Фаддеев Д. К. Лекции по алгебре. М.: Наука, 1984.
2. Хорн Р. (Roger A. Horn), Джонсон Ч. (Charles C. Johnson) Матричный анализ. — М.: Мир, 1989 (ISBN 5-03-001042-4).

Литература

• Халмош П. Конечномерные векторные пространства. — М.: Физматгиз, 1963. — 264 с.
• Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. — М.: Наука, 1966. — 576 с.
• Хорн Р. (Roger A. Horn), Джонсон Ч. (Charles C. Johnson). Матричный анализ. — М.: Мир, 1989, 655 с., ил. (ISBN 5-03-001042-4).
• Гельфанд И. М. Лекции по линейной алгебре М.: Наука, 1971.
• Фаддеев Д. К. Лекции по алгебре. М.: Наука, 1984.
• Шафаревич И. Р., Ремизов А. О. Линейная алгебра и геометрия, — Физматлит, Москва, 2009.
• Ким, Г. Д. Линейная алгебра и аналитическая геометрия, Москва, 2005.
• В. В. Колыбасова, Н. Ч. Крутицкая, А. В. Овчинников. Жорданова форма матрицы оператора
• P. Aluffi. Algebra: Chapter 0 (Graduate Studies in Mathematics). — American Mathematical Society, 2009 — ISBN 0-8218-4781-3.