極小多項式與特徵多項式

冪零指數

若算子 N 的某個冪為零,則稱 N 冪零。冪零指數是使 N^k = 0 成立(而 N^(k-1) 仍非零)的最小正整數 k。它度量你必須施加 N 多少次才能把一切壓垮為零——冪零的深度。

指數與極小多項式直接相連。對冪零算子,唯一的特徵值是 0,極小多項式恰為 x^k,其次數 k 即指數。所以「求指數」與「求冪零算子的極小多項式」是同一項任務。對一般算子,特徵值 lambda 的指數是使 (T - lambda I)^k 在廣義特徵子空間上為零的最小 k——即極小多項式中 (x - lambda) 的指數。

幾何上指數是該特徵值的最大約當塊的大小。由大小為 4, 2, 1 的約當塊構成的冪零算子,其指數為 4:最長的鏈需要施加四次才消亡。這正是為何極小多項式記錄最大塊的大小、而特徵多項式記錄總大小——指數是代數與塊幾何之間的橋樑。

實用上指數控制著許多事。它限定了計算廣義特徵子空間時你必須走多高(到指數為止即停),它等於最長約當鏈的長度,且它恰是核 ker(T - lambda I)^j 停止增長的閾值。知道它就告訴你算子在 lambda 處最壞情形的「剪切深度」。

N = [0, 1, 0; 0, 0, 1; 0, 0, 0] (single Jordan block, size 3) N^2 = [0, 0, 1; 0, 0, 0; 0, 0, 0] != 0, N^3 = 0 index = 3, min poly = x^3

一個大小為 3 的冪零塊指數為 3:要施加三次才到達零,極小多項式為 x^3。

指數至多等於代數重數(最大塊 <= 總大小),且至多為 dim V。算子在 lambda 處可對角化當且僅當那裡的指數為 1——lambda 處每個約當塊的大小都是一。

又稱
nilpotency indexindex of an eigenvalue幂零次数