约当标准形
借约当形求矩阵幂
直接计算大的 A^n 是没希望的,但有了约当形它就是一个逐块的公式。由 A = P J P^-1 得 A^n = P J^n P^-1,而 J 分块对角,所以你只需把每个约当块取 n 次幂——而单个块有干净的闭式。
用 f(x) = x^n 套“约当块的函数”公式。对块 J_k(lambda) = lambda*I + N,二项展开 (lambda*I + N)^n = sum_{j=0}^{k-1} C(n,j) lambda^{n-j} N^j 在 j = k-1 处终止,因为 N^k = 0。所以 J_k(lambda)^n 的各元是二项系数组合 C(n,j) lambda^{n-j},落在第 j 条超对角线上。
答案的形状才是重点:对亏损矩阵,A^n 像(n 的多项式)乘以 lambda^n 那样增长。大小为 k 的块贡献一个关于 n 的、次数至多 k-1 的多项式。这就是为何一个模为 1 的特征值若处于非平凡约当块中,会使幂多项式式地增长,而非保持有界。
它驱动着离散动力系统 x_{n+1} = A x_n、马尔可夫链、斐波那契型递推、以及 PageRank 式迭代的渐近行为。主特征值的模决定指数式的增长/衰减,而它的块大小决定多项式修正——两者都直接从约当形读出。
J_2(lambda)^n = [lambda^n n*lambda^{n-1}; 0 lambda^n]
大小为 2 的块的 n 次幂:n*lambda^{n-1} 这一项就是多项式乘 lambda^n 的增长。
A^n -> 0(谱半径条件)要求每个 |lambda| < 1;在单位圆上,块大小大于 1 会使 A^n 无界。
又称
另见