问题 问答题

设A,B均是n,阶矩阵,若E-AB可逆,证明E-BA可逆.

答案

参考答案:[证法一] (用定义)因为E-AB可逆,故存在可逆矩阵C,使得
(E-AB)C=C(E-AB)=E.
于是有 C-ABC=C-CAB=E, 即 C-E=ABC=CAB.
那么 (E-BA)(E+BCA)=E+BCA-BA-BABCA
=E+B(C-E)A-B(C-E)A=E.
所以,E-BA可逆,且(E-BA)-1=E+BCA=E+B(E-AB)-1A.
[证法二] (用反证法)若矩阵E-BA不可逆,则行列式|E-BA|=0,那么齐次线性方程组(E-BA)X=0必有非零解,设其为η,于是(E-BA)η=0,即BAη=η≠0.
从而Aη≠0.但由 (E-AB)Aη=Aη-ABAη=Aη-A(BAη)=Aη-Aη=0,得知Aη是齐次方程组(E-AB)x=0的非零解,故有系数行列式|E-AB|=0,这与已知E-AB可逆相矛盾.所以E-BA可逆.
[证法三] (用特征值)
设λ0是矩阵AB的非零特征值,α是矩阵AB属于特征值λ0的特征向量,则
ABα=λ0α,α≠0. ①
用矩阵B左乘上式,得
BA(Bα)=λ0(Bα). ②
若Bα=0,将其代入①式,有
λ0α=A(Bα)=A0=0.
这与λ0≠0,α≠0相矛盾.所以必有Bα≠0,那么按定义从②式知Bα是矩阵BA属于特征值λ0的特征向量.
对称地,若μ是矩阵BA的非零特征值,则μ也必是矩阵AB的非零特征值.所以矩阵AB与BA的非零特征值是完全一样的.
现已知矩阵E-AB可逆,即行列式|E-AB|≠0即λ=1不是矩阵AB的特征值,当然λ=1也就不是矩阵BA的特征值,即|E-BA|≠0,故矩阵E-BA可逆.

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