LoginSignup
1
0

More than 3 years have passed since last update.

自分用メモ:Jordan標準形の覚え方

Posted at

ごJordanでしょう、ファインマンさん。

参考文献

広義固有空間の構造とジョルダン標準形 - 神。これを見るとすべてがわかる。

気持ち1

A \boldsymbol x = \lambda \boldsymbol x

これは固有ベクトルと固有値の関係。これを行列として横に並べてみる

\begin{pmatrix}
A \boldsymbol x_1 & A \boldsymbol x_2 & \cdots & A \boldsymbol x_n
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
\lambda \boldsymbol x_1 & \lambda \boldsymbol x_2 & \cdots & \lambda \boldsymbol x_n \end{pmatrix}
\\
A \begin{pmatrix}
\boldsymbol x_1 & \boldsymbol x_2 & \cdots & \boldsymbol x_n
\end{pmatrix}
= \begin{pmatrix}
\boldsymbol x_1 & \boldsymbol x_2 & \cdots & \boldsymbol x_n
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
\lambda_1
\\
&\lambda_2
\\
&&\ddots
\\
&&& \lambda_n
\end{pmatrix}
\\
AP = PJ
\\
A = PJP^{-1}

(ここで $P$ の逆行列が存在する(つまり、$P$が正則)であるためには、 $P$ を構成していたベクトル $\boldsymbol x_1, \ldots, \boldsymbol x_n$ はすべて線形独立であることが必要十分条件)
この気持ちを覚える

気持ち2

上の変形(いわゆる「対角化」は常にできるとは限らない

実際は一番右の行列の上に $1$ がつくことがある(数式略)

どうしてそれだとうまくいくのか

本質

固有値 $\lambda$ に属する固有空間を $V(\lambda)$ とおく
ご存知この空間は

\lbrace \boldsymbol x \mid A \boldsymbol = \lambda x \rbrace = \lbrace \boldsymbol x \mid (A - \lambda I) \boldsymbol x = \boldsymbol 0 \rbrace = \operatorname{Ker} (A - \lambda I)

ここでおもむろに

V^0(\lambda) = \operatorname{Ker} (A-\lambda I)^0 ( = \{\boldsymbol 0\})
\\
V^1(\lambda) = \operatorname{Ker} (A-\lambda I)^1 ( = V(\lambda) )
\\
V^2(\lambda) = \operatorname{Ker} (A-\lambda I)^2
\\
\vdots
\\

を考え出す

ここで本質補題がいくつか(証明は参考リンクを見てね)

補題 固有多項式における $\lambda$ の重複度を $r$ とすると、 $\dim V^r(\lambda) = r$

これは、 $(A-\lambda I)$ を左から $r$ 回掛けると $0$ になるような $r$ 次元空間が存在することを意味する。 $V^r(\lambda)$ を 広義固有空間 と呼ぶ((狭義)固有空間 $V(r)$ の定義と比較せよ)

補題 $A$の大きさと同じと次元数をもつベクトル全体は、各固有値に属する講義固有空間(の直和)に分解できる

分解できそう。

本質補題その1 $V^n(\lambda) \ni \boldsymbol x$ なら $V^{n-1}(\lambda) \ni \boldsymbol (A-\lambda) x$
証明(?) $(A-\lambda I)^n \boldsymbol x = \boldsymbol 0 \Rightarrow (A - \lambda I)^{n-1} \left( (A - \lambda I) \boldsymbol x\right) = \boldsymbol 0$
それはそう。

image.png
それぞれの丸が固有空間の基底ベクトルを表し、左右に並んでいる(y座標が同じ位置にある)丸は同一の基底ベクトルを表しています
矢印は、「(基底ベクトルに)左から $(A-\lambda I)$ を掛ける」操作を表しており、補題1のように掛けたあとのベクトルが一つ下の空間に入ってるな、という気持ちになります

本質補題その2 $\dim V^{n+1}(\lambda) - \dim V^n(\lambda) \leq \dim V^n(\lambda) - \dim V^{n-1}(\lambda)$
$(A-\lambda I)^n$ の $\operatorname{Ker}$ は $n$ を増やせば増やすほど次元が大きくなっていきますが、「$n$を1増やしたときに新たに増える次元」は減少していきます

image.png
赤丸が「増えた次元」です。これを見るとなにかに気づきませんか……?

image.png
こういう「固有ベクトルの鎖」みたいなのが作れて、その鎖に含まれる基底ベクトルだけで $V^r(\lambda)$ の空間をすべて埋め尽くすことができるようになる気がします。(証明?知らん)

ここで、矢印で結ばれた2つの基底ベクトルのペアに注目してみましょう。矢印は「左から $(A - \lambda I)$ を掛けることを意味してたので、
本質補題その3 $\boldsymbol x = (A - \lambda I) \boldsymbol y$ のとき、 $A \boldsymbol y = \lambda \boldsymbol y + \boldsymbol x$
計算すればあたりまえ。

あとはジョルダン標準形の模様を見て考えてください。(は?)

1
0
1

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
1
0