Построение жорданова базиса, жордановой и трансформирующей матриц. Жорданова нормальная форма матрицы

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Ноября 2011 в 17:31, курсовая работа

Описание работы

Целью курсовой работы является ознакомление с понятием жордановой формы матрицы, способами получения, построения жорданова базиса и жордановой матрицы и приведение жордановой матрицы к нормальной форме.

Файлы: 1 файл

Жорданова матрица.doc

— 1.43 Мб (Скачать файл)

                             .                          (49)

     Если  матрица  окажется матрицей нулевой степени от , то она сразу дает матрицу T.

           Запись  -матрицы в виде многочлена от не представляет затруднений. Например,

                  .

           Примечание. Вместо пунктов 2 и 3 можно проделать следующее. Выбрать по порядку все проведенные элементарные преобразования над строками, заменить их элементарными матрицами вида (45) и составить матрицу , равную произведению этих элементарных матриц справа налево в том порядке, в каком они использовались. Матрицу записать в виде

                            ,                            (50)

и подсчитать матрицу

                      .                        (51)

     3.4. Приведение матрицы к жордановой нормальной форме

     Если  матрица H с элементами из поля P приводится к жордановой нормальной форме, т.е. подобна жордановой матрице, то, как следует из доказанной выше теоремы, жорданова нормальная форма определяется для матрицы H однозначно с точностью до расположения жордановых клеток на главной диагонали. Условие для того, чтобы матрица H допускала такое приведение, указывается в следующей теореме, доказательство которой дает одновременно практический способ для разыскания жордановой матрицы, подобной матрице H, если такая жорданова матрица существует. При этом заметим, что приводимость в поле P означает, что все элементы трансформирующей матрицы содержатся в поле P.

     ТЕОРЕМА 4. Матрица H с элементами из поля P тогда и только тогда приводится в поле P к жордановой нормальной форме, если характеристические корни матрицы H лежат в самом основном поле P.

     Доказательство. В самом деле, если матрица H подобна жордановой матрице J, то эти две матрицы обладают одними и теми же характеристическими корнями. Характеристические корни матрицы J находятся, однако, без всяких затруднений: так как определитель матрицы равен произведению ее элементов, стоящих на главной диагонали, то многочлен разлагается над полем P на линейные множители и его корнями служат числа, стоящие на главной диагонали матрицы J, и только они.

     Обратно, пусть все характеристические корни  матрицы H лежат в самом поле P. Если отличные от 1 инвариантные множители матрицы будут

                                           ,                             (52)

то

                                    .

     Действительно, определители матрицы  и ее канонической матрицы могут отличаться друг от друга лишь постоянными множителем, который на самом деле равен , так как именно таков старший коэффициент характеристического многочлена . Таким образом, среди многочленов (52) нет равных нулю, сумма степеней этих многочленов равна n и все они разлагаются над полем P на линейные множители – последнее ввиду того, что, по условию, многочлен обладает таким разложением.

     Пусть (23) будут разложения многочленов (52) в произведения степеней линейных множителей. Назовем элементарными делителями многочлена , , отличные от единицы степени различных линейных двучленов, входящие в его разложение (23), т.е.

                                        .

     Элементарные  делители всех многочленов (52) назовем элементарными делителями матрицы H и выпишем их в виде таблицы (22).

     Возьмем теперь жорданову матрицу  J порядка n, составленную из жордановых клеток, определяемых следующим образом: каждому элементарному делителю матрицы H ставим в соответствие жорданову клетку порядка , относительными множителями матрицы, относящуюся к числу . Очевидно, что отличными от 1 инвариантными множителями матрицы будут многочлены (52) и только они. Поэтому матрицы и эквивалентны и, следовательно, матрица H подобна жордановой матрице J.

     На  основании предшествующих результатов  может быть доказано, наконец, следующее  необходимое и достаточное условие  приводимости матрицы к диагональному  виду, условие, из которого немедленно вытекает достаточный критерий приводимости к диагональному виду.

     Матрица H порядка n с элементами из поля P   тогда и только тогда приводится к диагональному виду, если все корни последнего инвариантного множителя ее характеристической матрицы лежат в поле P, причем среди этих корней нет кратных.

     В самом деле, приводимость матрицы  к диагональному виду равносильна  приводимости к такому жорданову  виду, все жордановы клетки которого имеют порядок 1. Иными словами, все  элементарные делители матрицы H должны быть многочленами первой степени. Так как, однако, все инвариантные множители матрицы являются делителями многочлена , то последнее условие равносильно тому, что все элементарные делители многочлена имеют степень 1.

                                                                                   Теорема доказана. 

     3.5. Решение задач

     Задача 1. Для матрицы

                                         

построить жорданову матрицу J и матрицу T, приводящую H к J в поле R.

           Решение. Будем считать, что в четырехмерном пространстве в некотором фиксированном базисе матрица H определяет линейный оператор h, и построим в пространстве жорданов базис этого оператора. Для этого сначала найдем характеристический многочлен

                                .

           Он имеет лишь один корень кратности . Следовательно, пространство  является корневым по .

     Составим  матрицу  и будем возводить ее в степени до тех пор, пока не получится равенство .

     При

      , .

     При

      , .

     При

      , .

     Следовательно, в пространстве жордановы цепочки имеют наибольшую длину .

     Найдем  подпространство  собственных векторов матрицы H по . Для этого рассмотрим систему , т.е. систему

                                          

     Одну  из фундаментальных систем решений  этой системы уравнений составляют векторы-решения , . Поэтому .

           Найдем далее пересечение , где - пространство столбцов матрицы . Пространство порождается вектором , так как ранг матрицы равен единице. Далее замечаем, что вектор . Поэтому . Положим . Это собственный вектор, с которого начинается жорданова цепочка длины . Присоединенные векторы , найдем из системы , т.е. из системы

                                      .

           Одним из решений  этой системы является , , , , , .

           Поэтому , . Жорданова цепочка векторов еще не дает базиса в корневом пространстве . Поэтому перейдем к рассмотрению подпространства

                           ,

где  - подпространство столбцов матрицы . Так как ранг матрицы равен двум, то порождается двумя его линейно независимыми столбцами, например, столбцами

                                       , .

           Таким образом, , , где , , , . Для отыскания базиса составим векторное равенство

                              

и перейдем от него к покоординатным равенствам. Тогда получим систему

                                   

           Одну из фундаментальных  систем решений этой системы уравнений  составляет, например, решение

      , , , .

     Поэтому  и  .

           Подпространство совпало с уже рассмотренным подпространством . Поэтому следует перейти к подпространству

                                 .

           Выберем в  базис, начинающийся с . Очевидно, что . Поэтому за следует принять .

                                                      Ответ. Жорданов базис

                                                 , , , .

                          В этом базисе матрица H имеет жорданову форму

                                                                                       ,

                     причем матрицей, приводящей H к J, является матрица

                                                                                    ,

                                      составленная из столбцов координат векторов

                                                             построенного жорданова базиса.

           Задача 2. Для матрицы

                                     

построить жорданову матрицу J.

           Решение. Характеристический многочлен

                            

имеет корень кратности и корень кратности .

           При имеем

      , ,

      , ,

      , .

           Следовательно, наибольший порядок жордановых клеток по равен и по формуле (4.26) находим

                             ,

                             .

           Поэтому в жордановой матрице J для матрицы H будет по всего лишь одна жорданова клетка

                                                   .

           При имеем

                               , ,

                           , .

           Поэтому в жордановой матрице J для матрицы H по будет всего жордановых клеток порядка 1.

           Из полученных жордановых клеток составляем жорданову матрицу 

                                                                          Ответ:     .

Информация о работе Построение жорданова базиса, жордановой и трансформирующей матриц. Жорданова нормальная форма матрицы