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
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:
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))。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)B 和 B(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) 和 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




