Примеры приведения матриц к жордановой форме

1°. . Корни характеристического уравнения: l_{1, 2, 3} = 1. .

Собственные векторы А по λ = 1, т.е. ядро А₁:

, значит базис N(А₁): .

Образ оператора А₁ М(А₁) находим из соотношений:

; базис М(А₁) f₃(1, 2, –1), и т.к. f₃ = 2f₁ – f₂, то f₃Îℒ(f₁, f₂).

Тогда: базисом будет вектор ; вектором, дополняющим базис до базиса будет любой из векторов , например вектор ; а базис дополнить до базиса нечем, т.к. .

Прообраз А₁у = (1, 2, –1) Þ у₁ – у₂ – у₃ = 1 , например (1, 0, 0).

Кстати: система А₁у = (1, 0, 0) решений не имеет, т.е. прообраза второго слоя для вектора (1, 2, –1) нет.

Следовательно, жорданов базис оператора А: .

И, окончательно, имеем жорданову форму матрицы оператора А: .

2°. Найти нормальную жорданову форму матрицы линейного оператора А = и базис, в котором матрица оператора имеет жорданову форму.

Δ. Для матрицы линейного оператора А = составим и решим характеристическое уравнение: det(A - lE) = 0 .

Получим:

= .

Тогда: = 0 и, следовательно, l_{1, 2} = –1; l_{3, 4} = 1.

a) Рассмотрим оператор А_-1 = А-lE = А+E = . Ищем собственные векторы оператора А при l = - 1, т. е. ядро оператора А_-1. Для этого решим систему четырех линейных однородных уравнений с матрицей А_-1. Из третьего и четвертого уравнений системы видно, что . Тогда можно легко установить, что . Вектор f₁ (1, 1, 0, 0) - единственный собственный вектор оператора А, соответствующий собственному значению l = -1 и образует базис ядра оператора А_–1. Далее ищем базис образа оператора А_–1:

.

Отметив, что для векторов f₂, f₃, f₄ существует соотношение: f₃ + f₄ – f₂ = (0, 0, 0, 1), находим базис образа оператора А_–1:

{j₁ (1, 1, 0, 0), j₂ (0, –1, 1, 1), j₃ (0, 0, 0, 1).

Отметив, что векторы f₁ и совпадают, делаем вывод о том, что этот вектор образует базис пересечения образа и ядра оператора А_-1.

Кратность корня λ = -1 равна двум, а собственный вектор, соответствующий этому собственному значению, только один. Поэтому, полагаем g₁ равным вектору , а еще один вектор жорданового базиса ищем, как прообраз первого слоя для . Решаем неоднородную систему линейных уравнений и находим второй вектор g₂(1, 3/4, 0, 0) жорданового базиса, соответствующего собственному значению l = -1 кратности два. При этом, что характерно, у вектора нет прообраза второго слоя, ибо система с расширенной матрицей

решений не имеет. Это и не случайно, потому что собственному значению l= -1 кратности 2 должно соответствует два вектора жорданового базиса оператора А:

g₁(1, 1, 0, 0); g₂(1, 3/4, 0, 0).

При этом отметим, что:

.

б) Теперь рассмотрим собственное значение l = 1 и, соответственно, оператор А₁=А+Е:

.

Найдем ядро этого оператора, т.е. собственные векторы оператора А при λ = 1.

.

Вектор f₁ (1, 1, 1, 1) образует базис ядра оператора А₁ и является единственным собственным вектором оператора А, отвечающим собственному значению l = 1 .

Ищем базис образа М(А₁) оператора А₁ .

.

Отмечая, что f₁ = f₂ + f₃ + f₄, заключаем: базисом пересечения ядра и образа оператора A₁ является вектор f₁.

Так как собственный вектор только один, а собственное значение имеет кратность 2, требуется найти еще один вектор жорданового базиса. Поэтому полагаем g₃ равным вектору y₁(1, 1, 1, 1), а еще один вектор жорданового базиса ищем как прообраз первого слоя для y₁(1, 1, 1, 1). Для этого решаем неоднородную систему линейных уравнений A₁g₄ = j₁ и находим вектор g₄(0, 1/2, 0, 1/2) жорданового базиса, соответствующего собственному значению l = 1 кратности два. При этом у вектора y₁(1, 1, 1, 1) нет прообраза второго слоя, ибо система A₁y = g₄ с расширенной матрицей решений не имеет. И вновь это не случайно, потому что собственному значению l= 1 кратности 2 должно соответствовать два вектора жорданового базиса, а они уже найдены:

g₃(1, 1, 1, 1); g₄(0, 1/2, 0, 1/2).

При этом отметим, что: Ag₃ = g₁, Ag₄ = g₃ + g₄. Для оператора А найден жорданов базис: . При этом А_G = . ▲

3°. ; det(A - lE) = 0 l_{1, 2} = 1; l_{3, 4} = 2.

Δ a) Рассмотрим оператор А₁: А₁-E= . Ищем собственные векторы оператора А при l = 1, т.е. ядро оператора А₁.

. Векторы {f₁,f₂} образуют базис N(A₁).

Далее ищем базис .

Так как векторы f₁, f₂, f₃, f₄ – линейно независимы, то , а векторы дополняющие базис до базиса – векторы :

Кратность корня λ = 1 равна двум, поэтому имеем уже два вектора жорданового базиса А:

g₁(1, 0, 1, 0); g₂(0, 1, 0, 1).

б)Рассмотрим оператор А₂=А-2Е: , и найдем ядро оператора А₂ т.е. собственные вектора А при λ = 2. . Вектор f₁(0, 0, –2, 1), являющийся решением этой системы является одновременно и базисом ядра .

Ищем базис образа оператора А₂ – М(А₂) .

Þ .

Тогда, вектор (0, 0, –2, 1) это вектор жорданового базиса, а второй вектор – прообраз вектора (0, 0, –2, 1), если он есть. Система для его нахождения: А₂у = (0, 0, –2, 1).

Решаем систему А₂у = (0, 0, –2, 1), для нахождения прообраза 1^-го слоя вектора (0, 0, –2, 1) Получаем: .

Решением системы является, например, вектор (1, –1, 0, 0).

Тогда g₃(0, 0, –2, 1); g₄(1, ­1, 0, 0).

Для оператора А найден жорданов базис: .

При этом т.е. жорданова форма оператора А: . ▲.