有理标准形与模

有理形与约当形

有理标准形与约当标准形是同一台机器的两种输出,区别只在于用哪种货币结算。RCF 由不变因子和友矩阵块搭成,在任意域上都行;JCF 由初等因子搭成,只活在使特征多项式完全分解的域上(代数闭域,或至少分裂域)。

顺着模的图景走一遍。结构定理给 V 两种描述:不变因子形式给出 RCF 的友矩阵块,而初等因子形式在分裂域上给出块 (x - lambda)^e。每个这样的块就是特征值 lambda 处一个 e 阶约当块。所以初等因子与约当块字面上是同一份数据;一旦特征值存在,JCF 就是围绕它们重组的 RCF。

实际权衡:当你有特征值时 JCF 更透明——你直接读出诸 lambda,而矩阵的幂、指数、函数在近对角块上都好算。RCF 更稳健——它从不离开基域,从不需要开根,因而是 Q、有限域或任何你拒绝扩域时的正确工具。

一个干净的把握方式:在 C 上两种形式携带完全相同的信息,可以自由互换。在 R 或 Q 上,JCF 可能根本不存在(想想没有实特征值的旋转),而 RCF 总存在。当实矩阵有复特征值时,它的 RCF 用一个二次友矩阵块,而 JCF 本会需要一个复的 2x2 约当块。

rotation by 90 deg: RCF = [0, -1; 1, 0] over R; JCF = diag(i, -i) only over C

实的 90 度旋转没有实特征值:在 R 上 RCF 是一个 2x2 友矩阵块,而对角的约当形只有扩到 C 后才存在。

助记:RCF 说多项式(不变因子),JCF 说特征值(初等因子)。同一条定理,两种方言——后者只在谱分裂后才可用。

又称
RCF vs JCFcomparing canonical forms