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    $f命题1:$设$A,B in {M_n}left( F ight)$且矩阵$A$各特征值互异,若$AB=BA$,则

    $(1)$$A,B$可同时相似对角化

    $(2)$$A,B$有公共的特征向量

    $(3)$存在唯一的次数不超过$n-1$的多项式$fleft( x ight) in Fleft[ x ight]$,使得$B=f(A)$

    证明:$(1)$由矩阵$A$各特征值互异知,存在可逆阵$R$,使得
    [{R^{ - 1}}AR = diagleft( {{lambda _1}, cdots ,{lambda _n}} ight)]
    其中${{lambda _1}, cdots ,{lambda _n}}$为$A$互异的特征值

    由$AB=BA$知,${R^{ - 1}}AR cdot {R^{ - 1}}BR = {R^{ - 1}}BR cdot {R^{ - 1}}AR$,从而可知
    [{R^{ - 1}}BR = diagleft( {{mu _1}, cdots ,{mu _n}} ight)]
    即$A,B$可同时相似对角化

    $(2)$由$(1)$知,存在可逆阵$R = left( {{alpha _1}, cdots ,{alpha _n}} ight)$,使得
    [AR = Rdiagleft( {{lambda _1}, cdots ,{lambda _n}} ight),BR = Rdiagleft( {{mu _1}, cdots ,{mu _n}} ight)]
    即[A{alpha _i} = {lambda _i}{alpha _i},B{alpha _i} = {mu _i}{alpha _i},i = 1,2, cdots ,n]
    $(3)$由于
    [egin{array}{l}
    &B = {a_0}E + {a_1}A + {a_2}{A^2} + cdots + {a_{n - 1}}{A^{n - 1}}\
    Leftrightarrow& {R^{ - 1}}BR = {a_0}E + {a_1}left( {{R^{ - 1}}AR} ight) + {a_2}{left( {{R^{ - 1}}AR} ight)^2} + cdots + {a_{n - 1}}{left( {{R^{ - 1}}AR} ight)^{n - 1}}\
    Leftrightarrow &left{ {egin{array}{*{20}{c}}
    {{a_0}{lambda _1} + {a_1}{lambda _1} + {a_2}{lambda _1}^2 + cdots + {a_{n - 1}}{lambda _1}^{n - 1} = {mu _1}}\
    cdots \
    {{a_0}{lambda _n} + {a_1}{lambda _1} + {a_2}{lambda _n}^2 + cdots + {a_{n - 1}}{lambda _n}^{n - 1} = {mu _n}}
    end{array}} ight.end{array}]

    而上述线性方程组的系数矩阵的$f{Vandermonde行列式}$$D=$$prodlimits_{1 le j < i le n} {left( {{lambda _i} - {lambda _j}} ight)} e 0$,故存在唯一解${{a_0},{a_1},{a_2}, cdots ,{a_{n - 1}}}$,即存在唯一的多项式$fleft( x ight) = {a_0} + {a_1}x + {a_2}{x^2} + cdots + {a_{n - 1}}{x^{n - 1}}$满足$B=f(A)$

    $f注1:$$A,B$有公共的特征向量$Leftrightarrow $$AB=BA$

    $f注2:$

    参考答案

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