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同阶方阵AB与BA的特征多项式是否相同?含可逆与不可逆情形

AB与BA的特征多项式是否相同?

嘿,这个问题的结论其实很明确:不管A、B是不是可逆,AB和BA的特征多项式一定相同!你已经搞定了可逆的情况,那不可逆的情形咱们可以用两种直观的思路来破解:

方法一:分块矩阵的行列式技巧(纯代数推导)

咱们可以通过构造分块矩阵,用行列式的性质直接推导,完全不依赖矩阵可逆性:

当λ≠0时,考虑这个2n阶分块矩阵:

[[λI, A],
 [B,  I]]

我们用两种方式对它做分块初等变换来计算行列式:

  1. 把第二块行左乘 -A/λ 加到第一块行,得到:

    [[λI, 0],
     [B,  I - (B A)/λ]]
    

    这个矩阵的行列式是 λⁿ · det(I - BA/λ),整理后就是 det(λI - BA)(因为 λⁿ det(I - BA/λ) = det(λ(I - BA/λ)) = det(λI - BA))。

  2. 换一种方式,把第一块列右乘 -B/λ 加到第二块列,得到:

    [[λI - (A B)/λ, A],
     [0,            I]]
    

    它的行列式是 det(λI - AB/λ) · 1,同样整理后就是 det(λI - AB)

因为两种方法算的是同一个矩阵的行列式,所以当λ≠0时,det(λI - AB) = det(λI - BA)

当λ=0时,det(-AB) = (-1)ⁿ det(AB)det(-BA) = (-1)ⁿ det(BA),而对任意同阶方阵,det(AB)=det(BA)是基本性质,所以这时候等式也成立。

这样就覆盖了所有λ的情况,特征多项式自然完全相同。

方法二:扰动法(利用连续性)

如果A不可逆,咱们可以用“逼近”的思路绕开不可逆的限制:取一个很小的t,让 A + tI 变成可逆矩阵(因为A的特征值只有有限个,只要t不是-A的特征值,A+tI 就可逆,这样的t肯定存在)。

这时候你已经证明过,(A+tI)BB(A+tI) 的特征多项式相同,也就是:

det(λI - (A+tI)B) = det(λI - B(A+tI))

现在让t趋近于0,等式两边的多项式都是关于t的连续函数,极限分别就是 det(λI - AB)det(λI - BA),所以它们必然相等。

额外补充

其实不仅特征多项式相同,AB和BA的非零特征值(包括重数)完全一致,零特征值的重数也因为特征多项式相同而保持一致——说白了,除了可能的Jordan块结构(若当标准形)略有差异,它们的谱性质几乎是一模一样的。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Dhaka S

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