设n阶方阵A≠0,满足Am=0(其中m为某正整数). (1)求A的特征值. (2)证明:A不相似于对角矩阵. (3)证明:|E+A|=1. (4)若方阵B满足AB=BA,证明:|A+B|=|B|.

admin2017-07-26  33

问题 设n阶方阵A≠0,满足Am=0(其中m为某正整数).
    (1)求A的特征值.
    (2)证明:A不相似于对角矩阵.
    (3)证明:|E+A|=1.
    (4)若方阵B满足AB=BA,证明:|A+B|=|B|.

选项

答案(1)设λ为A的任一特征值,x为对应的特征向量,则Ax=λx,两端左乘A,得A2x=λAx=λ2x,两端再左乘A,得A3x=λ2Ax=λ3x,如此做下去,可得Amx=λmx.因为Am=0,得λmx=0,又x≠0,故有λ=0,所以幂零矩阵A的特征值全为零. (2)A的特征向量为方程组(0.E一A)x=0的非零解,因为A≠0,有r(一A)≥1,故方程组Ax=0的基础解系所含向量的个数,即A的线性无关特征向量的个数为n一r(一A)≤n一1<n,所以n阶方阵A不相似于对角矩阵. (3)要证明|E+A|=1,由特征值的性质知,只要证明E+A的特征值全部为1即可.设λ为E+A的任一特征值,x为对应的特征向量,则有(E+A)x=λx,即Ax=(λ一1)x,故λ一1为A的特征值,(1)中已证A的特征值全为零,故有λ一1=0,得λ=1,由λ的任意性知E+A的特征值全为1,因此E+A的全部特征值的乘积等于1,即|E+A|=1. (4)当方阵B可逆时,欲证的等式为 |A+B|=|B|→B—1||A+B|=1→|B—1A+E|=1.利用(3),要证|B—1A+E|=1,只要证B—1A为幂零矩阵即可,等式AB=BA两端左乘B—1,得B—1AB=A,两端右乘B—1,得B—1A=AB—1,即A与B—1可交换,故由Am=0,得(B—1A)m=(B—1)mAm=0,所以,当方阵B可逆时结论成立. 当B不可逆时,即|B|=0时,欲证的等式成为|A+B|=0.因为|B|=0,故B有特征值0,即存在非零列向量ξ,使Bξ=0,故对任意正整数k,有Bkξ=0.注意A与B可交换,有 [*] 即齐次线性方程组(A+B)mx=0有非零解x=ξ,故该方程组的系数行列式为零,即 |(A+B)m|=|A+B|m=0, 故|A+B|=0,因此当B不可逆时结论也成立. 故得证.

解析
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