约当标准形

幂零算子的约当形

幂零算子 N 满足 N^m = 0(对某个 m)。它唯一的特征值是 0,所以它的约当形中每个块的 lambda 都是 0:纯移位块,对角线为 0,超对角线为 1。这是最干净的情形,整个约当定理就建立在它之上。

n 维空间上幂零算子 N 的结构定理说:空间分解为若干循环子空间的直和,每个由一条链 v, Nv, N^2 v, ... 张成,N 在其上恰好作为单个幂零约当块。块的大小是 n 的一个分拆,由 N, N^2, ... 的核确定,正如秩跳跃公式那样(此处 lambda = 0)。

为何它是核心情形:对一般矩阵 A,把视野限制到特征值 lambda 的广义特征子空间上;在那里 A - lambda*I 是幂零的。对 A - lambda*I 用幂零定理,再加回 lambda*I,就得到 lambda 的约当块。对每个特征值都这样做并把结果堆叠起来,就证明了完整的约当标准形。所以“理解幂零算子”其实就是“理解一切”。

一个清晰的图像:把幂零算子的链画成一排排的点(每条链一行,最长的在顶上);N 把每个点朝其特征向量方向移一步,并把最底行推到零。这个图各列的高度就是韦尔特征。

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

一个大小为 3 的幂零约当单块:每次幂把 1 进一步上移,直到 N^3 消失。

指标 m(使 N^m = 0 的最小幂次)等于最大块的大小;对 n 阶单块,m = n。

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