嘉应学院 本科毕业论文（设计）

（2015届）

题 目： 幂零矩阵的性质及应用 姓 名： 李丹 学 院： 数学学院

专 业： 数学与应用数学 指导老师： 刘光明老师 申请学位： 学士学位

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嘉应学院教务处制

摘 要

在高等代数中矩阵是研究问题的重要工具，在讨论矩阵的乘法运算时给出了幂零矩阵的定义。我们在研究矩阵及学习有关数学知识时，经常要讨论其性质。幂零矩阵作为特殊的矩阵，无论在矩阵理论方面，还是在实际应用方面都有着很重要的意义。幂零矩阵具有很多良好的性质，文章从矩阵的定义出发得到其一些简单的性质，然后从各个角度更深入挖掘其性质。由给出的论点进行论证，讨论了幂零矩阵的若干性质，还通过例子说明其应用性，这对于解决若干矩阵问题大有益处。

关键词：幂零矩阵；特征值；若尔当形

Abstract

Matrix in important tool to research problem,

When discussing matrix multiplication of the definition of nilpotent matrix is given. In the study of matrix and learning about mathematics knowledge, often to discuss its properties. As a special matrix, nilpotent matrix in terms of matrix theory, or in the actual application of matrix to get some simple properties, And then from different angles to dig deeper into its nature more. By the given arguments, Discussed some properties of nilpotent matrix, but also through the example is given to show its application, this is a great benefit to solve the problem of several matrix.

Key words：Nilpotent matrix;eigenvalue;Jordan form

1． 引言

2 随着科学技术的迅速发展，古典的线性代数知识已不能满足现代科技的需

要，矩阵的理论和方法已成为现代科技领域必不可少的工具。诸如数值分析、微分方程、力学、网络等学科领域都与矩阵理论有着密切的联系，甚至在经济管理、金融、保险、社会科学的领域，矩阵理论也有着十分重要的作用，获得了许多重要的研究成果。近年来幂零矩阵得到了进一步发展，在1964年Give证明了阶矩阵是幂零矩阵的充要条件是，当然还有其他衍生出来的几个充要条件在下文中给出。在我们学到矩阵的乘法运算时给出了幂零矩阵的定义，但对它的介绍甚少，因此我们将加强这方面的研究与总结。目前，国内很多学者对幂零矩阵的性质已有较深入的研究，本文我将从在给出的有关幂零矩阵的知识上，得出些其简单性质。然后再通过教材知识和文摘的借鉴，进一步归纳总结幂零矩阵的一些性质，有其自身所特有的特征，同时与若当儿标准形，对角形等方面的联系，还有其性质的多方面具体应用，更加的体现 了幂零矩阵的优越性。

2. 幂零矩阵的相关概念及简单性质

为了叙述的需要,我们首先引入幂零矩阵的相关概念.

2.1 幂零矩阵的相关概念

定义2.1.1令为阶矩阵，若存在正整数，使，则称幂零矩阵。也称为阶幂零矩阵。如为2阶幂零阵，则。

定义2.1.2若为幂零矩阵，满足的最小正整数称为的幂零指数。显然，阶零矩阵是特殊的幂零矩阵且其幂零指数为1。 定义2.1.3设，称为的转置；

称为的伴随矩阵 其中为中元素的代数余子式。

定义2.1.4 设为一个n阶方阵，的主对角线上所有元素的和称为的迹，记为。显然的全体特征值的和等于.其中称为矩阵的特征多项式，满足的的值称为矩阵的特征值。 定义2.1.5 形为

阶数为

的矩阵称为若尔当块,其中为复数。

3 当时（若尔当矩阵的特例）称为幂零若尔当矩阵。 定义2.1.6 形为

，

其中，

由阶数为的若干个若尔当块组成的准对角称为若尔当形矩

阵.

定义2.1.7 设为阶方阵，的首项系数为1的最低次的化零多项式称为的最小多项式。

2.2 关于幂零矩阵的一些简单性质

由上述所描述的有关幂零矩阵的定义，可以得出一些幂零矩阵的几条简单性质。

性质2.2.1 幂零矩阵都不可逆。

证明：设是任一阶幂零矩阵，则，使，假设可逆，则，于是，故也可逆，这与矛盾。

性质2.2.2 幂零矩阵与一个与之可交换的矩阵之积仍是幂零矩阵。 证明：设,

于是?AB???AB??AB???AB??AmBm?0?Bm?0，

m所以是幂零矩阵

性质2.2.3 设是阶幂零矩阵，则，均为幂零矩阵。 证明：因为为幂零矩阵，,使得，因为 mA所以，均为幂零矩阵。

性质2.2.4 幂零矩阵的行列式值为零。

证明：设是阶幂零矩阵，则存在一个自然数k，使，由行列式性质得 所以

性质2.2.5 与幂零矩阵相似的矩阵是幂零矩阵

证明：设是阶幂零矩阵，则存在一个自然数k，使，另设与相似，则存在可

????m?kkAk??m??0?0

k4 逆矩阵，使，因此Bk?T?1AT??k?T?1AkT?0，得证。

3. 幂零矩阵的性质

我们在给出有关幂零矩阵的定义和基本性质的基础上以及根据以下引理,同时参考多篇文献，进一步探讨幂零矩阵,并进行归纳和推理，得到一些更深一层的性质。

3.1 幂零矩阵的充分必要条件

引理3.1.1 (哈密顿-凯莱定理)设是阶方阵,的特征多项式设为，则 引理3.1.2设为阶矩阵的特征值,则有， 引理3.1.3 设，为阶方阵，则

性质3.1.1为幂零矩阵的充分必要是的特征值全为0。 证明：设是阶幂零矩阵，，则，于是，，

因此。由此得0E?A??A???1?A?0，这说明0是阶幂零矩阵的特征值。

n若为的任一特征值，为相应的特征向量，则，，则有，故 ：由于的特征值全是0，所以的特征多项式 由哈密顿-凯莱定理得

由幂零矩阵的定义，是幂零矩阵。

借助这个结论，要证明幂零矩阵的伴随矩阵还是幂零矩阵就很方便了，证明如下：

由这个充要条件，可以得出以下的几个推论：

推论3.1.1 设是阶幂零矩阵，则为幂零矩阵。 证明：由于为幂零矩阵，故，则得秩只能为0或1 当时，也是幂零矩阵，成立。

当时，有当时，又的特征值全为0，存在可逆矩阵， 使得

同样也由这个充要条件，可以得出以下的几个推论： 推论3.1.2为幂零矩阵的充分必要条件为 。 证明：为幂零矩阵，由性质1，知：

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