約當標準形

冪零算子的約當形

冪零算子 N 滿足 N^m = 0(對某個 m)。它唯一的特徵值是 0,所以它的約當形中每個塊的 lambda 都是 0:純移位塊,對角線為 0,超對角線為 1。這是最乾淨的情形,整個約當定理就建立在它之上。

n 維空間上冪零算子 N 的結構定理說:空間分解為若干循環子空間的直和,每個由一條鏈 v, Nv, N^2 v, ... 張成,N 在其上恰好作為單個冪零約當塊。塊的大小是 n 的一個分拆,由 N, N^2, ... 的核確定,正如秩跳躍公式那樣(此處 lambda = 0)。

為何它是核心情形:對一般矩陣 A,把視野限制到特徵值 lambda 的廣義特徵子空間上;在那裡 A - lambda*I 是冪零的。對 A - lambda*I 用冪零定理,再加回 lambda*I,就得到 lambda 的約當塊。對每個特徵值都這樣做並把結果堆疊起來,就證明了完整的約當標準形。所以「理解冪零算子」其實就是「理解一切」。

一個清晰的圖像:把冪零算子的鏈畫成一排排的點(每條鏈一行,最長的在頂上);N 把每個點朝其特徵向量方向移一步,並把最底行推到零。這個圖各列的高度就是韋爾特徵。

N = [0 1 0; 0 0 1; 0 0 0], N^2 = [0 0 1; 0 0 0; 0 0 0], N^3 = 0

一個大小為 3 的冪零約當單塊:每次冪把 1 進一步上移,直到 N^3 消失。

指標 m(使 N^m = 0 的最小冪次)等於最大塊的大小;對 n 階單塊,m = n。

又稱
nilpotent canonical form幂零矩阵的约当形冪零矩陣的約當形