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最小多项式

最小多项式是"次数最低"的零化多项式,它比特征多项式更精细地刻画了线性变换的结构。判定可对角化、求 Jordan 标准形都离不开它。

零化多项式​

若多项式 g(λ)∈P[λ]g(\lambda) \in P[\lambda] 满足 g(σ)=0g(\sigma) = 0(零变换),则称 gg 是 σ\sigma 的一个零化多项式。

  • Hamilton-Cayley 定理:特征多项式 f(λ)f(\lambda) 是 σ\sigma 的零化多项式
  • 零化多项式不唯一(任何一个零化多项式乘以任意多项式仍是零化多项式)

最小多项式的定义​

σ\sigma 的最小多项式 m(λ)m(\lambda) 是:

  1. σ\sigma 的零化多项式中次数最低的
  2. 首一的
  3. 整除所有其他零化多项式

基本性质​

性质说明
最小多项式存在且唯一由零化多项式集合取次数最低的首一多项式
m(λ)∣f(λ)m(\lambda) \mid f(\lambda)最小多项式整除特征多项式
mm 与 ff 有相同的根每个特征值都是最小多项式的根
m∣g  ⟺  gm \mid g \iff g 是零化多项式所有零化多项式都是最小多项式的倍式
AA 可对角化   ⟺  \iff mm 无重根最重要的判定定理之一

最小多项式 vs 特征多项式​

最小多项式特征多项式
定义次数最低的零化多项式det⁡(λI−A)\det(\lambda I - A)
次数≤n\leq nnn
根所有特征值(无重数信息)所有特征值(带代数重数)
重根可以有,但若可对角化则无反映代数重数
作用判断可对角化、决定不变因子反映矩阵大小和特征值积

如何求最小多项式​

  1. 由 H-C 定理知 m(λ)∣f(λ)m(\lambda) \mid f(\lambda)
  2. 对特征多项式的每个不可约因子 p(λ)p(\lambda),确定 mm 中 pp 的幂次
  3. mm 中 pp 的幂次 = 使 p(σ)k=0p(\sigma)^k = 0 的最小 kk

实用方法:

  • 求出特征多项式 f(λ)f(\lambda)
  • 从 ff 的因式中尝试,检验哪一个是零化多项式
  • 最小的那个就是 mm

举例​

A=(100010001)A = \left(\begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right)(单位阵)。

f(λ)=(λ−1)3f(\lambda) = (\lambda - 1)^3。但是 m(λ)=λ−1m(\lambda) = \lambda - 1——次数更低,因为 A−I=0A - I = 0。

A=(210021002)A = \left(\begin{array}{ccc} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{array}\right)。

f(λ)=(λ−2)3f(\lambda) = (\lambda - 2)^3。检验 (λ−2)(\lambda - 2) 不是零化多项式,(λ−2)2(\lambda - 2)^2 也不是,(λ−2)3(\lambda - 2)^3 是。故 m(λ)=(λ−2)3=f(λ)m(\lambda) = (\lambda - 2)^3 = f(\lambda)。

与 Jordan 标准形的关系​

最小多项式决定 Jordan 标准形中最大 Jordan 块的阶数。具体地:

  • 对每个特征值 λi\lambda_i,最小多项式中 (λ−λi)(\lambda - \lambda_i) 的幂次 = λi\lambda_i 对应的最大的 Jordan 块的阶数

这提供了从矩阵直接到 Jordan 形部分信息的一条快捷途径。