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具有幂条件的矩阵类的研究与 Jordan 标准形. 杨忠鹏 陈梅香. 一、问题的来源. 1. 教学 2. 学生毕业论文选题 3. 考研试题. 二、问题的内容. 近年来, J.koliha [ 1 ] 和 Y.Tian [ 2,3 ] 等一批学者对幂等矩阵的性质进行了深刻的研究,他们探讨了两个幂等矩阵的和、差、乘积、换算子、线性组合的等一系列的秩等式关系,并得到了在约束条件 下幂等矩阵的线性组合的可逆性与组合系数 a,b 选择无关的结果。. 1. 若 A 2 =A ,则称 A 为幂等矩阵。. 2. 若 A 3 =A ,称 A 为三幂等矩阵。. - PowerPoint PPT Presentation
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具有幂条件的矩阵类的研究与 Jordan标准形杨忠鹏 陈梅香
一、问题的来源 1. 教学 2. 学生毕业论文选题 3. 考研试题
二、问题的内容 近年来, J.koliha[1] 和 Y.Tian[2,3] 等一批学者对幂等矩阵的
性质进行了深刻的研究,他们探讨了两个幂等矩阵的和、差、乘积、换算子、线性组合的等一系列的秩等式关系,并得到了在约束条件
下幂等矩阵的线性组合的可逆性与组合系数 a,b 选择无关的结果。
= {(a, b): ab(a+b) 0}
1. 若 A2=A ,则称 A 为幂等矩阵。
文献 [5] 研究了幂等矩阵与三幂等矩阵线性组合的幂等性 .
文献 [6] 利用秩的恒等式来判定矩阵的幂等、 3 幂等或 m 幂等性 .
文献 [7] 讨论了三个两两可交换的三幂等矩阵的线性组合的可 逆性 .
2. 若 A3=A ,称 A 为三幂等矩阵。
例 1 设 1 01 1
Pæ ö÷ç= ÷ç ÷÷ç -è ø,则
3P P= ,P是三幂等的。
但 3 2kP P+ = ,k NÎ ,那么 P是3 2k+ 幂等的?
[5]指出3幂等矩阵的重要且常用的性质: 3A=A BC=- , 2B B= , 2CC= , 0BCCB= =,(1) 在(1)中当 0C=或 0B=时,A分别是幂等和由1-确定的数量幂等的(见[2])。当,BC都非零时,[1]称A为本质3幂等的.
这样将从 2A A= “得的 3A A= ” 与 3A A= 而 2A A¹ 的情况区
别开来.由此知,例 1中, 1 0 0 01 0 0 1
Pæ ö æ ö÷ ÷ç ç= -÷ ÷ç ç÷ ÷÷ ÷ç çè ø è ø为本质 3幂等的.
3.若正整数m NÎ 使 mA A= ,称 n nA F ´Î 为m幂等的.
m 幂等矩阵的研究引起很多人的关注:文献 [8-10]讨论了 m 幂等矩阵的线性组合的幂等性 ,
[ 11, 12]研究了 m 幂等矩阵的一些代数性质 .
4. 若 2A E= ,则称A为对合矩阵。 若 ,n n mA C A E´Î = ,称A为m对合矩阵。
5. 2008年武汉大学硕士研究生入学试题: 设A是一个非零方阵, 23A A= ,问是否一定有 2A A= ?为什么?
由上可以看出,具有幂条件的矩阵形式多样,可否有一个统一的形式?
三 问题的解决定义 1 设 n nA F ´Î ,若有最小正整数m使 ( )m l N> Î
且 m lA A= 成立, 称A为本质( ),m l 幂等矩阵。
特别地,当 1l = 时,本质 ( ),1m 幂等矩阵就是周知的m幂等矩阵.
当 0l = 时,本质 ( ),0m 幂等矩阵就是m对合矩阵.
幂零矩阵也包含在其中,若 1 0, =0,l lA A- ¹ 则 1= ( 0)l lA A+ = ,幂零矩阵为本质( )1,l l+ 幂等矩阵
定义 1 与 [13]的 (m,l) 幂等矩阵的规定相同, [13] 还研究了 (m,l) 幂等矩阵性质与判定,如:
命题 1 设 n nA F ´Î ,则 A为本质 ( ),m l 幂等矩阵
Û 0 1 1 1, , , , , , ,l l l mA E A A A A A- + -= 是 互 不 相 同 的 且m lA A= , 这里l是由m唯一确定的.
注:虽然定义 1只强调了m的最小性,但本质( ),m l 幂等矩阵
的 ,m l都是唯一确定的.
命题 3(见[13,定理 7])设 n nA F ´Î ,则 A为本质( ),m l 幂等的Û ( ) m l
Am x x x- .
命题 2 (见[13,定理 6])设 n nA F ´Î 的最小多项式 ( )Am x 1 2
1 2 1u u u
u ux b x b x b x b- --= + + + + + , (2)
( )
1 2 3 1
0 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 0
Am x
u u u u
C
b b b b b- - -
é ùê úê úê úê ú=ê úê úê úê ú- - - - -ë û
, 1 1( , , , )u ub b ba -= - - - , (3)
( )Am xC 称为最小多项式 ( )Am x相伴矩阵; 设 le是第 l分量为 1其余分量都是零的行向量,
则A为本质( ),m l 幂等矩阵Û m u³ 且 ( )( )
1
,A
A
l um xm u
m xl
C l uC
e l u
aa
--
+
ìï ³ï=íï <ïî当 时, (4)
, 当 时, (5) .
例 2设 1
2
00J
AJ
æ ö÷ç= ÷ç ÷÷çè ø, 1 2
0 0 1 0,
1 0 0 1J J
æ ö æ ö-÷ ÷ç ç= =÷ ÷ç ç÷ ÷÷ ÷ç ç -è ø è ø,则
4 22(0, )A diag EA = = , A为本质(4,2)幂等的; 2( ) ( 1)Am x x x= + ,
如果应用命题 3的充分性和 7 5( ) |Am x x x- ,则应得到A为本质(7,5)幂等的结论, 这个矛盾说明命题 3一般不成立;
由A为本质(4,2)幂等的和 ( )Am x 次数 3u= ,知, 2( ) ( 1)Am x x x= + 的相伴矩阵
( )
0 1 00 0 10 0 1
Am xCæ ö÷ç ÷ç ÷ç= ÷ç ÷ç ÷ç ÷÷ç -è ø
且 2( )
0 0 10 0 10 0 1
Am xC Qæ ö÷ç ÷ç ÷ç= - =÷ç ÷ç ÷ç ÷÷çè ø
, (0,0, 1)a = -
3( )Am xC Q=- , 进而可用归纳法证明 ( ) ( 1)
A
d dm xC Q= - , ( 2)d N³ Î
这样当 3( 3)d m= - ³ 为奇数时,即 3( 6)m d= + ³ 为偶数时, 3( ) ( ) 2 1 3(0,0,1)
A A
m dm x m xC C Q e ea a a-
+= =- = = = . 若命题 2正确,则应得到A为本质( ,2)m 幂等的(偶数 6m ³ ) .
这说明作为本质 (m,l)幂等矩阵判定的充分必要条件的命题 2和 3 都不成立 .[15]应用最小多项式来刻划本质 (m,l)幂等矩阵的两个充要条件都是不成立的 . 出现问题主要原因,可能在于没有从内部结构上把握这类矩阵特点 .
从 [16,命题 5]和 [15,定理 7]可得应用矩阵秩的恒等判定(m,l)幂等矩阵的充要条件 . 事实上,要得到为本质 (m,l)幂等矩阵的结果,与 [14-16]相比不仅要求 Am=Al ,还要证明 m 是这个等式成立的最小正整数 .
由 [14, 引理 2.1]知 A∈Fn×n 的幂等性与数域的扩大无关 ,因此问题可归结为 A 在复数域上的 Jordan 标准形的幂等性 . 这样总设 A Cn×n∈ ,满足
1P AP J- = 1 2 1( , , , , , , )t t sdiag J J J J J+= , 其中 n nP C ´Î 可逆 (6)
1
0 00
i i
i
n ni
n
J CE
´
-
æ ö÷ç ÷= Îç ÷ç ÷çè ø ( )1,2, , 0i t= ³ ; 1 2 tn n n³ ³ NÎ (7)
j jn njJ C ´Î 是 由 特 征 值 0jl ¹ 确 定 的 J ordan 块 ,
1, 2, ,j t t s= + + ; (8)
当 ni=1时,约定 J ordan块是 1阶矩阵. [17]称(7)中 n1为A的
秩指数(记为 l (A)= n1).
引理 1设 n nA C 满足(6),(7)和(8),如果k N , 则 0 0
1 10 1,2, ,
0i
ikn ki
i
k nEJ i t
k n
( 9 )
且 kj j jr J r J n , 1, 2, ,j t t s .
引理 2(见[23,定理 3. 3. 6])设 n nA C 所有不同的特征值为
1 2, , , k ,则A的最小多项式1
( ) ( ) i
kr
A ii
m x x
,其中 ir为
特征值 i确定的 J ordan块的最高阶数.同时
矩阵 A可对角化1
( ) ( )k
A ii
m x x
A的每个 J ordan块都是 1阶的.
我们在 [18] 中应用矩阵 A∈C n×n的 Jordan 标准形得到了本质 (m,l) 幂等矩阵的特征刻画 . 作为应用,可给出本质 m 对合、本质 m 幂等矩阵的充要条件 .
定理 1([18]定理 1)设 ( 0) n nA C ´¹ Î 所有特征值都是零,则A
为本质( ),m l 幂等矩阵Û 1l n= 且m= 1l+ .此时 1l n= ( )l A= 为A的
幂零指数.
由定理 1 知,以下可总设 n nA C ´Î 不是幂零矩阵 , 即t s< , A总有非零特征值.
定理 2([18]定理 2)设 n nA C ´Î 不是幂零的,则A为本质
( ),m l 幂等的Û 1l n= ,由非零特征值 jl 确定的 J ordan块都是 1
阶的且 1m l
jl - = 1, 2, ,j t t s= + + ;
1 2| |,| |, ,| |t t s pl l l+ +é ù=ë û m l= - .
证 明 '' '' 由 1 2 tl n n n 和(7)得, miJ 0l
iJ ,
1,2, ,i t 。又 1p m lj j , 1 2| |,| |, ,| |t t sm l p 且
1jn ,由(8) m m m l l lj j j j jJ l
jJ , 1, 2, ,j t t s .
1 11 1, , , , ,m m m m m m
t t sA PJ P Pdiag J J J J P 1l lPJ P A ;
再证明m是当m l 时使 m lA A 成立的最小自然数: 1) 对任意 1 2,l l N 且 1 2 10 l l l n ,由(7)得, 1 2
1 10 0l lJ J ,而 1 0lJ =,即 1 2l l lA A A, , 互不相同,
2)对任意 1 2,m m N 且 1 2 1l m m m ,有 1 2m mA A ,否则
存在 1 2,m m N ,
1 2 1l m m m m 使得 1 2m mA A .由(6),(7),(8)知
1 2 0m mj j
, 即 2 1 1m m
j , 1, 2, ,j t t s . 从由所有
2 1m m 次单位根构成的乘群元素阶的性质有, j 在 2 1m mU 中的阶
2 1|j m m , 注 意 到 此 时 2 1m m m l , 这 样
m l p 2 1m m m l 矛盾.
1)和 2)说明A 是本质 ,m l 幂等的.
'' '' 从 m lA A (m l )知 1l m lf x x x 是A的化零
多项式,而 1m lx 的根都是m l 次单位根且都是单根 ,由 Am x f x 知A的每个非零特征值 j 所对应的初等因子都是
一次的,即 1m lj
, 1jn , 1, 2, ,j t t s
如果 1l m n ,由(5) 1 1
1 1
0 0 0 00 0
m l
n m n l
J JE E
;若
1m n l ,则 1 0mJ 且 1 0lJ ,这都与 m lA A 相矛盾, 这说明A为 ,m l 幂等矩阵时, 1l n
如果 1n l ,即 1 1 1n l m ,这样由(9)得 1 1 0, 1,2, ,m l
i iJ J i t 且 1 1 1 1 1 , 1, 2, ,m m m l l l l
j j j j j jJ J j t t s
进而由(6)得 1 1m lJ J ,这与A为 ,m l 幂等矩阵矛盾. 进而知 1l n .从引理 1知 1 2| |,| |, ,| |t t sm l p ,
如果m l p ,即l p l m ,那么 0, 1,2, ,l l p
i iJ J i t 且 , 1, 2, ,l p l p l p l l
j j j j j jJ J j t t s
这样 l p lJ J ,则 l l pA A ,这与A为本质 ,m l 幂等矩阵矛盾, 故 p m l .即必要性结论成立。
定理 3([18]定理 3)设 n nA C ´Î 不是幂零矩阵,则 A是本质m对合的Û A的每个特征值 0jl ¹ 且每个 J ordan块都是 1
阶的,同时 1mjl = , 1,2, ,j s= ,其中 1 2[ , , , ]sm l l l= ;
Û A可对角化且每个特征值 jl 满足
1mjl = , 1,2, ,j s= ; 1 2[ , , , ]sm l l l= .
A是本质m幂等的Û A的每个 J ordan块都是 1阶的且非零征值 jl 满足 1 1m
jl - = , 1, 2, ,j t t s= + + ,
1 21 [ , , , ]t t sm l l l+ +- =
Û A可对角化且非零特征值 jl 满足 1 1mjl - = ,
1, 2, ,j t t s= + + , 1 21 [ , , , ]t t sm l l l+ +- = .
四、进一步的讨论当 ( ), nA B M RÎ 时 , 若 有 ( )nX Y M RÎ, , 使 得
A XY B YX= =, ,称 A与 B代数等价,记作 ~aA B;若
0AB BA= = ,称A与B正交(或垂直),记作A B^ (见[19]) 。
在 [19]、 [20]和 [11] 等关于含幺结合环上的 k次幂等矩阵正交与代数等价的讨论基础上,最近 [12] 研究了数域 F上的相关情况,使得讨论深入到了特征多项式和特征值等矩阵理论的核心问题。
记 ( ) ( ){ }k kn nP R A A A M R= = Î
命题 4(见[12,定理 1])设 ( )knA B P FÎ, ,则A的特征
值为零,或是 1k - 次单位根;又如果A有属于特征值 1的特征向量a,A B^ ,则a是B的属于特征值 0的特征向量。
命题 5(见[12,定理 2])设 ( )knA B P FÎ, 代数等价(即
~aA B),则A与B有相同的特征多项式,因而有相同的特征
值。
命题 6(见[12,定理 4])设 ( )knA B P FÎ, ,且 ~i a iA B,
1 2i= ,。若 1 2A A^ , 1 2B B^ ,则 1 2A A+ 与 1 2B B+ 有相同的特
征值。
我们在文献 [22] 中应用数域上 (m,l)幂等矩阵与m幂等矩阵的关系,得到了数域上 (m,l) 幂等矩阵的 l次方幂的代数等价、相似和特征多项式相等是互为确定的结论。
其中引理 9 沟通了一般数域上 1m l- + 幂等矩阵与( )m l, 幂等
矩阵的关系:
命题 8(见[22,引理 9])设 ( , ) ( )m lnA P FÎ ,则 1( ) ( )m l m l
nA A P F- += Î 。
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谢谢谢谢