Кіріспе
Матрицалардың өрістегі каноникалық түрі Сызықтық алгебрада F өрісіндегі элементтері бар A шаршы матрицаның Фробен нормальды түрі немесе рационалды каноникалық түрі – F өрісіндегі инвертирленетін матрицалармен конъюгациялау арқылы алынған матрицалар үшін каноникалық форма. Бұл форма A үшін циклдік (яғни, бір вектор және A астындағы оның қайталама бейнелерімен қамтылған) кіші кеңістіктерге векторлық кеңістіктің минималды бөлінуін көрсетеді. Берілген матрицадан тек бір ғана қалыпты формаға жетуге болатындықтан («каноникалық» деп аталу себебі осы), B матрицасы A-ға ұқсас, егер және тек егер ол A-мен бірдей рационалды каноникалық формаға ие болса. Бұл форманы F өрісін кеңейту кезінде өзгеретін операцияларсыз табуға болады («рационалды» деп аталу себебі осы), атап айтқанда, көпмүшелерді жіктеусіз. Осыдан екі матрицаның ұқсастығы өріс кеңейтілгенде өзгермейтіні көрінеді. Бұл форма неміс математигі Фердинанд Георг Фробен басқаша аталады. Кейбір авторлар «рационалды каноникалық форма» терминін сәл өзгеше форма үшін қолданады, оны дұрысырақ «негізгі рационалды каноникалық форма» деп атауға болады. Негізгі форма циклдік кіші кеңістіктердің ең аз санына бөлінудің орнына, циклдік кіші кеңістіктердің ең көп санына бөлінеді. Ол да F өрісінде анықталады, бірақ сәл өзгеше қасиеттері бар: форманы табу үшін көпмүшелерді жіктеу қажет, және салдарынан негізгі рационалды каноникалық форма F өрісінің кеңейтілген өрісінде қарастырылғанда өзгеруі мүмкін. Бұл мақала негізінен жіктеуді қажет етпейтін форма туралы, ал жіктеуді қолданатын форма туралы айтылғанда «негізгі» деп нақты көрсетіледі.
In linear algebra, the Frobenius normal form or rational canonical form of a square matrix A with entries in a field F is a canonical form for matrices obtained by conjugation by invertible matrices over F. The form reflects a minimal decomposition of the vector space into subspaces that are cyclic for A (i. e., spanned by some vector and its repeated images under A). Since only one normal form can be reached from a given matrix (whence the "canonical"), a matrix B is similar to A if and only if it has the same rational canonical form as A. Since this form can be found without any operations that might change when extending the field F (whence the "rational"), notably without factoring polynomials, this shows that whether two matrices are similar does not change upon field extensions. The form is named after German mathematician Ferdinand Georg Frobenius. Some authors use the term rational canonical form for a somewhat different form that is more properly called the primary rational canonical form. Instead of decomposing into a minimum number of cyclic subspaces, the primary form decomposes into a maximum number of cyclic subspaces. It is also defined over F, but has somewhat different properties: finding the form requires factorization of polynomials, and as a consequence the primary rational canonical form may change when the same matrix is considered over an extension field of F. This article mainly deals with the form that does not require factorization, and explicitly mentions "primary" when the form using factorization is meant.
Мотивация
Екі квадраттық матрица А және В ұқсас екенін анықтауға тырысқанда, олардың әрқайсысы үшін векторлық кеңістікті мүмкіндігінше тұрақты кіші кеңістіктердің тікелей қосындысына бөлшектеу және осы кіші кеңістіктердегі тиісті әрекеттерді салыстыруға болады. Мысалы, егер екеуі де диагональдастырылса, онда бөлшекті өздік кеңістікке (оның әрекеті, скаляр арқылы, мүмкіндігінше қарапайым) алуға болады, содан кейін ұқсаслықты өздік мәндер мен олардың көптігін салыстыру арқылы шешуге болады. Бұл әдіс тәжірибеде өте пайдалы болғанымен, жалпы әдіс ретінде бірнеше кемшіліктері бар. Біріншіден, ол барлық өзіндік мәндерді, мысалы, сипаттамалық көпмүшенің түбірлерін табуды талап етеді, бірақ олар үшін нақты өрнекті беру мүмкін емес. Екіншіден, өзіндік мәндердің толық жиынтығы тек жұмыс істеп жатқан өрістің кеңейтуінде ғана болуы мүмкін, содан кейін бастапқы өрістегі ұқсастықтың дәлелін алу қиын. Ақырында, A және B диагональдастыруға келмеуі мүмкін, тіпті осы үлкен өрісте, бұл жағдайда жалпыланған өздік кеңістіктерге және мүмкін Иордан блоктарына ыдырауды қолдану керек. Бірақ мұндай нәзік ыдырауды алу екі матрицаның ұқсас екеніне шешім қабылдау үшін қажет емес. Рационалды каноникалық форма оның орнына тікелей соманың ыдырауын мүмкіндігінше үлкен тұрақты кіші кеңістіктерге пайдалануға негізделген, сонымен бірге олардың әрқайсысындағы әрекеттің өте қарапайым сипаттамасына мүмкіндік береді. Бұл кіші кеңістіктерді бір ғана нөлден айырмалы вектор v және оның барлық бейнелері матрицаға байланысты сызықтық операторды қайталап қолдану арқылы тудыруы керек; мұндай кіші кеңістіктер циклдік кіші кеңістіктер деп аталады (циклдік кіші топтарға ұқсас) және олар сызықтық оператордың көмегімен анық тұрақты. Мұндай кіші кеңістіктің негізі v және оның бірінен соң бірі келетін бейнелерін, егер олар сызықтық тәуелсіз болса, алу арқылы алынады. Осындай негізге қатысты сызықтық оператордың матрицасы монополиномның серіктес матрицасы болып табылады; бұл полином (оператордың кіші кеңістікке шектелген минималды полиномы, бұл ұғым циклдік кіші топтың тәртібіне ұқсас) оператордың циклдік кіші кеңістіктегі іс-қимылын изоморфизмге дейін анықтайды және кіші кеңістікті пайда ететін v векторының таңдауына тәуелсіз. Циклдік кіші кеңістікке тікелей жиынтық ыдырау әрқашан бар, және біреуін табу үшін көпмүшелерді факторлау қажет емес. Алайда циклдік кіші кеңістік кіші циклдік кіші кеңістікке тікелей жиынтық ретінде ыдырауды рұқсат етуі мүмкін (негізінен қытайлық қалдық теоремасы бойынша). Сондықтан, екі матрицаның да кеңістіктің циклдік кіші кеңістікке ыдырауын және тиісті минималды полиномиалдарды білу олардың ұқсастығын шешу үшін жеткіліксіз. Ұқсас матрицалар үшін дәл сәйкес келетін циклдік кіші кеңістікке бөлшектеуді қамтамасыз ету үшін қосымша шарт қойылады: байланысты минималды көпмүшелер тізімінде әрқайсысы келесісін бөлуі керек (және тұрақты көпмүшеге 0 өлшемді тривиалды циклдік кіші кеңістіктерді алып тастауға тыйым салынады). Полиномиялардың алынған тізімі матрицаның (K[X] модулімен анықталатын) инвариантты факторлары деп аталады, ал екі матрица егер және тек егер олар инвариантты факторлардың бірдей тізімдеріне ие болса, ұқсас болады. A матрицасының рационалды каноникалық формасы оны циклдік кіші кеңістікке ыдырау үшін бейімделген негізде білдіру арқылы алынады, олардың байланысқан минималды көпмүшелері A-ның инвариантты факторлары болып табылады; екі матрица ұқсас болса және тек қана егер олардың рационалды каноникалық формасы бірдей болса.
Джорданның қалыпты түрін жалпылайтын рационалды қалыпты форма
Фробеньдің қалыпты түрі, егер ол F негізгі өрісінде болса да, сипаттамалық полиномиалдың ешқандай факторлануын көрсетпейді. Бұл, F басқа өріспен ауыстырылғанда (алғашқы матрица A-ның элементтерін қамтитын жағдайда) инвариантты екенін білдіреді. Екінші жағынан, бұл Фробеньдің қалыпты түрін сипаттамалық полиномиалды факторлауға тәуелді басқа қалыпты түрлерден ерекшелендіреді, атап айтқанда, егер A диагональдық матрица болса, диагональды түрге, немесе жалпы жағдайда, егер сипаттамалық полиномиал сызықтық факторларға бөлінсе, Джорданның қалыпты түрінен. Мысалы, диагональдық элементтері әртүрлі диагональды матрицаның Фробень қалыпты түрі – оның сипаттамалық полиномының серіктес матрицасы ғана. Нормальды түрді анықтаудың тағы бір тәсілі бар, ол Фробеньдің қалыпты түрі сияқты, әрқашан A және F бір өрісте анықталады, бірақ сипаттамалық полиномиалдың (немесе эквивалентті түрде, ең төменгі полиномиалдың) F өрісіндегі бөлгішсіз факторларға ыдырауы мүмкін екенін көрсетеді, және бұл ыдырау тек сызықтық факторларды (өздік мәндерге сәйкес) қамтыса, Джордан қалыпты түріне дейін тобырлады. Бұл түр кейде жалпыланған Джордан қалыпты түрі немесе бастапқы рационалды канондық түр деп аталады. Ол векторлық кеңістіктің сипаттамалық полиномиалдың P бөлгішсіз факторларына сәйкес келетін тұрақты подкеңістіктердің тікелей қосындысына канондық түрде ыдыратылатынына негізделген (көрнекілік үшін көрсетілгендей), мұнда әрбір қосылғыштың сипаттамалық полиномиалы сәйкес P-нің дәрежесі болып табылады. Бұл қосылғыштарды одан әрі, канондық емес түрде, циклдік F[x] модульдерінің тікелей қосындысы ретінде ыдыратуға болады (жоғарыда Фробень қалыпты түрі үшін жасалғандай), мұнда әрбір қосылғыштың сипаттамалық полиномиалы әлі де P-нің (әдетте кіші) дәрежесі болып табылады. Бастапқы рационалды канондық түр – циклдік модульдерге осындай ыдырауға сәйкес келетін блок-диагональдық матрица, циклдік модульдер үшін нақты бір негіз таңдауына сәйкес келетін диагональдық блоктардың жалпыланған Джордан блогы деп аталатын нақты бір түрі бар. Бұл жалпыланған Джордан блогының өзі C – бөлгішсіз полиномиал P-нің серіктес матрицасы, ал U – тек жоғарғы оң жақ бұрышында 1 саны бар матрица. Егер бөлгішсіз фактор сызықтық болса, онда бұл блоктар жекелеген шамаларға дейін тобырлады және (транспонирленген) Джордан блогы табылады. Кез келген жалпыланған Джордан блогында негізгі диагональдың төменгі жағындағы барлық элементтер 1-ге тең. Осы түрді тудыратын циклдік модульдің негізі v генерациялайтын векторды таңдау арқылы алынады (P^(k-1)(A) арқылы жойылмайтын, мұнда циклдік модульдің ең төменгі полиномы P^k) және негіз ретінде .
where C is the companion matrix of the irreducible polynomial P, and U is a matrix whose sole nonzero entry is a 1 in the upper right hand corner. For the case of a linear irreducible factor , these blocks are reduced to single entries and and, one finds a (transposed) Jordan block. In any generalized Jordan block, all entries immediately below the main diagonal are 1. A basis of the cyclic module giving rise to this form is obtained by choosing a generating vector v (one that is not annihilated by P^(k−1)(A) where the minimal polynomial of the cyclic module is P^(k)), and taking as basis
where .