Problem
设$A$和$B$是域$F$上$n$阶对称矩阵,$A=B$的充分必要条件
对称矩阵相等的充要条件
特征值与特征多项式 2023级浙大直博高代真题 矩阵合同

设$A$和$B$是域$F$上$n$阶对称矩阵,$A=B$的充分必要条件是对所有的对称矩阵$C$,均有$\det(A+C)=\det(B+C)$.

Tips: 利用$C$的任意性,可以不妨设$A=O$,从而利用特征多项式与矩阵合同求解.
Answer:

$$ 当在实数域上时,比较简单: \\ \left| A+C \right|=\left| B+C \right| \\ 取C=-A+C',则C'也是任意的对称矩阵 \\ \left| C' \right|=\left| \left( B-A \right) +C' \right| \\ 再取C'=-\lambda I \\ \left| \lambda I \right|=\left| \lambda I-\left( B-A \right) \right|=0 \\ \Rightarrow B-A的特征值全为0. \\ B-A合同于\mathrm{diag}\left( 0,0,0,\cdots ,0 \right) \\ 存在可逆矩阵P,使得B-A=P^T\mathrm{diag}\left( 0,0,0,\cdots ,0 \right) P=O \\ 再考虑一般域.考虑数学归纳法.不妨设B=O. \\ n=1时,命题显然成立; \\ 假设阶数小于n时,命题均成立.当A为n阶矩阵时,考虑分块 \\ \left| \begin{matrix} C_1& 0\\ 0& c\\ \end{matrix} \right|=\left| \left( \begin{matrix} A_1& \alpha\\ \alpha ^T& a\\ \end{matrix} \right) +\left( \begin{matrix} C_1& 0\\ 0& c\\ \end{matrix} \right) \right|=\left| \begin{matrix} A_1+C_1& \alpha\\ \alpha ^T& a+c\\ \end{matrix} \right| \\ 两边对c求导得到: \\ \left| \begin{matrix} C_1& 0\\ 0& 1\\ \end{matrix} \right|=\left| \begin{matrix} A_1+C_1& 0\\ \alpha ^T& 1\\ \end{matrix} \right| \\ \left| C_1 \right|=\left| A_1+C_1 \right|,由归纳假设A_1=O \\ 考虑置换矩阵群左右作用于A,从而A_1可以遍历A的所有n-1阶“子式”. \\ 从而A=O. $$

评论
profile_img ty1999 2022年6月27日

思考:上述证明是否存在问题?一个抽象域上的对称矩阵,是否一定可以合同于一个对角阵?


profile_img ty1999 2022年6月27日

已知的我们有:复数域上的矩阵酉相似于对角阵,当且仅当其是正规矩阵,也即$A^HA=AA^H$


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