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対角化・Jordan 形と連立系md 976ab59
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対角化たいかくか・Jordan けい連立系れんりつけい

date2026-07-16document_iddoc_1391a6b57f52591851f8c1b3116570c4descriptionJordan 標準形と一般化固有ベクトルの鎖を、定数係数線型系の指数関数×多項式の時間発展へ翻訳する。prerequisites一階連立系と行列指数関数 / ジョルダン標準形の入口type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/first-order-systems-and-matrix-exponentials.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/introduction-to-jordan-canonical-form.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/linearization-and-eigenvalue-stability.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/jordan-form-and-linear-systems.exercise.n.md
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1この講義こうぎ役割やくわり

線型代数せんけいだいすうまなんだ Jordan 標準形ひょうじゅんけいを、定数係数線型系ていすうけいすうせんけいけい

x=Ax,x(t0)=x0

時間発展じかんはってん翻訳ほんやくする。A対角化不能たいかくかふのうでも、一般化固有いっぱんかこゆうベクトルのくさり基底きていにすれば、かいは「指数関数しすうかんすう×有限次多項式ゆうげんじたこうしき」として構成こうせいできる。

このページでは ACn×n とする。実行列じつぎょうれつ複素固有値ふくそこゆうちがある場合ばあいC じょうで Jordan し、共役きょうやく複素解ふくそかい実部じつぶ虚部きょぶから実解じつかい構成こうせいする。実数上じっすうじょうの Jordan けいはここではあつかわない。

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2一般いっぱんの Jordan ブロックの指数しすう

おおきさ k の Jordan ブロックを

Jk(λ)=λI+N,N=(0100001000010000)

あらわす。Nk=0 であり、k>1 なら Nk-10 である。λIN可換かかんなので、可換行列かかんぎょうれつたいする指数法則しすうほうそく級数きゅうすう二項展開にこうてんかいから適用てきようでき、

eJk(λ)τ=eλτeNτ=eλτr=0k-1τrr!Nr

となる。ここで τ=t-t0 である。冪零性べきれいせいによって無限級数むげんきゅうすうk こうまり、τk-1eλτ までの多項式因子たこうしきいんしあらわれる。

ことなる行列ぎょうれつ X,Y について eX+Y=eXeYつね成立せいりつするわけではない。ここでせきけられる理由りゆうは、λIN可換かかんだからである。

3Jordan けいからもと座標ざひょうもど

Jordan 標準形ひょうじゅんけい

P-1AP=J

固定こていする。したがって A=PJP-1 であり、前講義ぜんこうぎ行列指数ぎょうれつしすう相似変換則そうじへんかんそくから

eAτ=PeJτP-1

る。J複数ふくすうの Jordan ブロックのブロック対角行列たいかくぎょうれつなら、eJτかくブロックの指数しすうならべたブロック対角行列たいかくぎょうれつになる。よって初期値問題しょきちもんだいかい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]x(t)=PeJ(t-t0)P-1x0

である。

4Jordan くさりから線型独立せんけいどくりつかい構成こうせいする

λたいするながk の Jordan くさり

(A-λI)v1=0,(A-λI)vj=vj-1(2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]j[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]k)

かんがえる。P=[v1,,vk] とすれば、このくさり対応たいおうする部分ぶぶんAP=PJk(λ) になる。vj初期値しょきちとするかい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]xj(t)=eλτ=0j-1τ!vj-

である。最初さいしょの 3 ぼん

\begin{aligned} \boldsymbol{x}_1(t)&=e^{\lambda\tau}v_1,\\ \boldsymbol{x}_2(t)&=e^{\lambda\tau}(v_2+\tau v_1),\\ \boldsymbol{x}_3(t)&=e^{\lambda\tau} \left(v_3+\tau v_2+\frac{\tau^2}{2}v_1\right). \end{aligned}

微分びぶんすると、指数関数しすうかんすうから λこう多項式たこうしきからくさりを 1 だんしたがるこう生成せいせいされるため、xj=Axjたす。一般化固有いっぱんかこゆうベクトルが不足ふそくした固有方向こゆうほうこう補完ほかんし、多項式因子たこうしきいんし生成せいせいする機構きこうはここにある。

5 Jordan 座標ざひょう具体例ぐたいれい

A=(21-10)

特性多項式とくせいたこうしき(λ-1)2 である。λ=1代数的重複度だいすうてきちょうふくどは 2 だが、固有空間こゆうくうかんは 1 次元じげんである。

v1=(1-1),v2=(10)

とすると、(A-I)v1=0(A-I)v2=v1 である。したがって

P=(11-10),J=(1101)

であり、

eAτ=PeJτP-1=eτ(1+ττ-τ1-τ).

とくv1 からは eτv1v2 からは eτ(v2+τv1)しょうじる。行列ぎょうれつ最初さいしょから Jordan けいでなくても、くさり基底きていえらべば時間発展じかんはってん計算けいさんできる。

6実部じつぶとブロックサイズがめる漸近挙動ぜんきんきょどう

τ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 で、Jk(λ)時間発展じかんはってんはある定数ていすう C により

eJk(λ)τ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]C(1+τk-1)eReλτ

評価ひょうかできる。

  • Reλ<0 なら、多項式因子たこうしきいんしよりも指数減衰しすうげんすい支配的しはいてきであり、そのブロックのかいは 0 へ収束しゅうそくする。
  • Reλ>0 なら、そのブロックには指数増大しすうぞうだいする方向ほうこうがある。
  • Reλ=0 でブロックサイズが 1 なら、そのブロックの時間発展じかんはってん有界ゆうかいである。
  • Reλ=0 でブロックサイズが 2 以上いじょうなら、多項式因子たこうしきいんしにより非有界ひゆうかいになる初期値しょきちがある。

したがって固有値こゆうち実部じつぶが 0 の境界きょうかいでは、固有値こゆうちだけでなく Jordan ブロックのおおきさが必要ひつようである。つぎ講義こうぎでは「安定あんてい」「漸近安定ぜんきんあんてい」を定義ていぎし、この有界性ゆうかいせい収束しゅうそく非線型系ひせんけいけい線型化せんけいか接続せつぞくする。

7数値計算すうちけいさんとの境界きょうかい

Jordan ブロック構造こうぞう数値的決定すうちてきけっていは、微小摂動びしょうせつどう敏感びんかんである。たとえば

(λ1ελ)

ε=0 では 1 の Jordan ブロックだが、ε0 では固有値こゆうちλ±ε分裂ぶんれつする。このため Jordan けい理論的分類りろんてきぶんるいもちい、浮動小数点計算ふどうしょうすうてんけいさんeAtもとめるときは、Jordan ブロックを数値的すうちてき同定どうていすることを前提ぜんていにしない。

8まえ講義こうぎ

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9演習えんしゅう

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10つぎ講義こうぎ

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Diagonalization, Jordan Form, and Linear Systems

1Purpose of the Lecture

For the constant-coefficient system

x=Ax,x(t0)=x0,

Jordan form translates generalized eigenvector chains into solutions consisting of an exponential multiplied by a finite-degree polynomial. We work over C. A real matrix may be complexified and placed in complex Jordan form; conjugate complex solutions then yield real solutions through their real and imaginary parts. Real Jordan form is outside the scope of this lecture.

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2Exponential of a Jordan Block

For a block of size k, write

Jk(λ)=λI+N,N=(0100001000010000).

The matrices λI and N commute. Hence, with τ=t-t0,

eJk(λ)τ=eλτr=0k-1τrr!Nr.

Here Nk=0 and, for k>1, Nk-10. Nilpotency terminates the series and produces polynomial factors through degree k-1. This factorization relies on commutativity and is not valid for arbitrary matrices X,Y.

3Return to the Original Coordinates

If

P-1AP=J,

then

eAτ=PeJτP-1,x(t)=PeJ(t-t0)P-1x0.

Each Jordan block may be exponentiated independently.

4Generalized Eigenvector Chains

Let

(A-λI)v1=0,(A-λI)vj=vj-1(2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]j[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]k)

be a Jordan chain. The solution with initial value vj is

xj(t)=eλτ=0j-1τ!vj-.

In particular,

x1=eλτv1,x2=eλτ(v2+τv1),x3=eλτ(v3+τv2+τ22v1).

Differentiation and the chain relations verify the system directly. The exponential derivative contributes the term with λ, while differentiating the polynomial lowers the chain index by one; (A-λI)vj=vj-1 then gives xj=Axj.

5Example in Non-Jordan Coordinates

For

A=(21-10),v1=(1-1),v2=(10),

we have (A-I)v1=0 and (A-I)v2=v1. Moreover,

det(μI-A)=(μ-1)2,P=(11-10),J=P-1AP=(1101).

Consequently,

eAτ=eτ(1+ττ-τ1-τ).

6Asymptotic Behavior

For τ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, a Jordan block satisfies

eJk(λ)τ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]C(1+τk-1)eReλτ.

Thus, negative real part implies decay despite polynomial factors, while positive real part produces an exponentially growing direction. When the real part is zero, blocks of size one are bounded, whereas larger blocks admit polynomially unbounded solutions. Both eigenvalue real parts and Jordan block sizes are therefore required at the spectral boundary.

7Numerical Boundary

Jordan structure is sensitive to perturbations and is primarily a theoretical classification. For example,

(λ1ελ)

is one Jordan block when ε=0, whereas its eigenvalues split into λ±ε when ε0. Numerical computation of eAt should not generally assume that an exact Jordan block structure can be identified reliably in floating-point arithmetic.

8Previous Lecture

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9Next Lecture

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10Exercises

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