冪零行列

冪零行列（べきれいぎょうれつ、べきぜろぎょうれつ、nilpotent matrix）とは、冪乗して零（零行列）となる正方行列のこと。すなわち、ある自然数 m に対して、

M ^m = O

が成り立つものをいう。冪零行列は基底の与えられたベクトル空間に対して冪零変換を定める。

性質

• 冪零行列の固有値は0のみである。
• 任意の冪零行列は正則行列でない。
• N が冪零行列なら、単位行列 I に対し (I-N) は正則行列である。

標準化

$N_{n}={\begin{pmatrix}0&E_{n-1}\\0&0\end{pmatrix}}$

と置いたとき、冪零行列の標準形は、上の行列の幾つかの直和

${\begin{pmatrix}N_{n_{1}}&&0\\&\ddots &\\0&&N_{n_{k}}\end{pmatrix}}$

となる。標準化の対象になる行列を M としたとき、ρ_r = rank M ^r - rank M ^r-1 と置けば、n_i = p なる i の個数は全部で ρ_p - ρ_p+1 個ある。この ρ_i の値によって作られるべき零行列の標準形は、n_i の順番を除いて一意的である。以下、ρ_iの値に基づく（s次の）標準形を N[ρ₁, …, ρ_s] と書く。また、M の次数を s とすれば、ρ_i の定義から直接に、∑ρ_i = s となるから、次数 s に置ける相異なる標準形の個数は F_s+1 である。ここに F はフィボナッチ数列を指す。例えば、次数 4 に於ける標準形は、

${\begin{pmatrix}N_{4}\end{pmatrix}},{\begin{pmatrix}N_{3}&0\\0&N_{1}\end{pmatrix}},{\begin{pmatrix}N_{2}&0\\0&N_{2}\end{pmatrix}},{\begin{pmatrix}N_{2}&0&0\\0&N_{1}&0\\0&0&N_{1}\\\end{pmatrix}},{\begin{pmatrix}N_{1}&0&0&0\\0&N_{1}&0&0\\0&0&N_{1}&0\\0&0&0&N_{1}\end{pmatrix}}$

の 5 つである。この標準形は、それぞれ N[1,1,1,1], N[2,1,1,0], N[2,2,0,0], N[3,1,0,0], N[4,0,0,0] である。一般に N[1, ..., 1] = (N_s), N[s, 0, ..., 0] = O が成立する。

N_n は、冪乗に関して次のような性質を持つ。

$N_{n}^{2}={\begin{pmatrix}0&N_{n-1}\\0&0\end{pmatrix}}$