为何特征值λ的重数为k时,(A−λI)^k的零空间维数为k?
嘿,这个问题问到点子上了!其实咱们可以从Jordan标准型这个核心工具入手,一步步把道理讲清楚:
首先,任何方阵A都能找到可逆矩阵P,使得A相似于Jordan矩阵J,也就是 $A = PJP^{-1}$。相似变换不会改变矩阵的零空间维数,所以 $(A - \lambda I)^k$ 的零空间维数,和 $(J - \lambda I)^k$ 的零空间维数完全一样,咱们只需要分析后者就行。
接下来看Jordan矩阵J的结构:它是由多个Jordan块拼接而成的,其中对应特征值λ的所有Jordan块的阶数之和,就是λ的代数重数k(也就是你说的multiplicity k)。对于其他特征值μ≠λ的Jordan块,$(J_n(\mu) - \lambda I)$ 是可逆矩阵——因为它的对角线元素都是 $\mu - \lambda \neq 0$,可逆矩阵的任何次方依然可逆,所以这类Jordan块对应的 $(J_n(\mu) - \lambda I)^k$ 的零空间维数是0,对整体没有影响。
重点看对应λ的Jordan块:假设某个Jordan块是m阶的 $J_m(\lambda)$,那 $J_m(\lambda) - \lambda I$ 是一个严格上三角矩阵,对角线全为0,次对角线全为1。当我们取它的k次方时,因为m ≤ k(毕竟所有对应λ的Jordan块阶数之和是k),严格上三角矩阵的m次方就已经是零矩阵了,所以k次方自然也是零矩阵,这个Jordan块对应的零空间维数就是m。把所有对应λ的Jordan块的零空间维数加起来,就是 $m_1 + m_2 + ... + m_t = k$,正好是λ的代数重数。
举个简单例子验证一下:比如A是3阶Jordan块 $J_3(\lambda) = \begin{pmatrix}\lambda&1&0\0&\lambda&1\0&0&\lambda\end{pmatrix}$,λ的代数重数是3。计算 $(A - \lambda I)^3$,结果是全零矩阵,它的零空间维数就是3,完全符合结论;哪怕你取k=3(等于重数),零空间维数就等于重数k。
总结一下:通过相似变换到Jordan标准型,把复杂的矩阵分解成简单的Jordan块,再分别分析每个块的情况,就能得出这个结论啦!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者vladimirm




