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史密斯标准形与结构定理

核心机房。仅用行列变换把矩阵 xI - A 在 F[x] 上对角化——其对角元就是把 V 完全分解的不变因子。

表现矩阵 xI - A

选定一组基,把 T 写成矩阵 A。把 V 定义为 F[x]-模的那些关系,由表现矩阵 xI - A 刻画,其元素皆为多项式。这正是你为求特征多项式而计算其行列式的那个 xI - A——只不过现在我们保留整个矩阵,而不仅是它的行列式。

史密斯标准形

在 PID F[x] 上,我们可以对行列同时做消元,其中“主元”是多项式,并可用单位(非零标量)去乘行或列。以此方式把 xI - A 化为对角矩阵,便得到它的史密斯标准形:一串首一多项式 d1 | d2 | ... | dn,每个整除下一个。

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 ).
用多项式行列变换把 xI - A 化为史密斯标准形。

读出结构

对角线上非常数的元素就是 V 的不变因子PID 上有限生成模的结构定理于是断言:V 分解为循环模 F[x]/(d_i) 的直和,每个不变因子对应一个。(常数 1 给出平凡的直和项,予以舍弃。)

分解有两种风味。按不变因子 d1 | d2 | ... 归组,得到不变因子形式;而把每个 d_i 分解为素幂并加以收集,则得到初等因子。两者编码的是同一个模,只是打包方式不同。