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史密斯標準形與結構定理

核心機房。僅用行列變換把矩陣 xI - A 在 F[x] 上對角化——其對角元就是把 V 完全分解的不變因子。

表現矩陣 xI - A

選定一組基,把 T 寫成矩陣 A。把 V 定義為 F[x]-模的那些關係,由表現矩陣 xI - A 刻畫,其元素皆為多項式。這正是你為求特徵多項式而計算其行列式的那個 xI - A——只不過現在我們保留整個矩陣,而不僅是它的行列式。

史密斯標準形

在 PID F[x] 上,我們可以對行列同時做消元,其中「主元」是多項式,並可用單位(非零純量)去乘行或列。以此方式把 xI - A 化為對角矩陣,便得到它的史密斯標準形:一串首一多項式 d1 | d2 | ... | dn,每個整除下一個。

A = [ 2  -1 ]    Build xI - A over Q[x]:
    [ 1   0 ]

   xI - A = [ x-2    1   ]
            [ -1    x  ]

Row/column ops over Q[x] (swap, add poly multiples, scale by units):

  swap rows ->  [ -1     x   ]
                [ x-2    1   ]
  clear col 1 ->[ -1     x        ]
                [ 0    1 + x(x-2) ]
  normalize ->  [ 1    0       ]
                [ 0    x^2-2x+1 ]

Smith normal form:  diag( 1 ,  x^2 - 2x + 1 ) = diag( 1, (x-1)^2 ).
用多項式行列變換把 xI - A 化為史密斯標準形。

讀出結構

對角線上非常數的元素就是 V 的不變因子PID 上有限生成模的結構定理於是斷言:V 分解為循環模 F[x]/(d_i) 的直和,每個不變因子對應一個。(常數 1 給出平凡的直和項,予以捨棄。)

分解有兩種風味。按不變因子 d1 | d2 | ... 歸組,得到不變因子形式;而把每個 d_i 分解為質冪並加以收集,則得到初等因子。兩者編碼的是同一個模,只是打包方式不同。