矩阵相似合同等价
矩阵合同的定义
矩阵合同的定义篇一：矩阵的合同,等价与相似的联系与区别矩阵的合同，等价与相似的联系与区别一、基本概念与性质（一）等价：1、概念。
若矩阵A可以经过有限次初等变换化为B，则称矩阵A与B等价，记为AB。
2、矩阵等价的充要条件：AB{同型，且人r(A)=r(B)存在可逆矩阵P和Q，使得PAQ=B成立3、向量组等价，两向量组等价是指两向量组可相互表出，有此可知：两向量组的秩相同，但两向量组各自的线性相关性却不相同。
（二）合同：1、概念，两个n阶方阵A,B，若存在可逆矩阵P，使得A成立，则称A,B合同，记作AB该过程成为合同变换。
2、矩阵合同的充要条件：矩阵A,B均为实对称矩阵，则A BBPAPBT二次型xTAx与xTBx有相等的E负惯性指数，即有相同的标准型。
（三）相似1、概念：n阶方阵A,B，若存在一个可逆矩阵P使得BP1AP 成立，则称矩阵A,B相似，记为A~B。
2、矩阵相似的性质：A~B,A~B,AA~BTTkk1~B(前提，A,B均可逆)1|E-A||EB|即A,B有相同的特征值（反之不成立）r(A)=r(B)tr(A)tr(B)即A,B的逆相等|A|=|B|3、矩阵相似的充分条件及充要条件：①充分条件：矩阵A,B有相同的不变因子或行列式因子。
②充要条件：A~B(EA)(EB) 二、矩阵相等、合同、相似的关系（一）、矩阵相等与向量组等价的关系：设矩阵A(1,2,,n)，B(1,2,,m)1、若向量组（1,2,,m）是向量组（1,2,,n）的极大线性无关组,则有mn，即有两向量等价，而两向量组线性相关性却不同，钱者一定线性无关，而后者未必线性无关。
而矩阵B与A亦不同型，虽然r(A)r(B)但不能得出AB。
2、若m=n，两向量组（1,2,,n）（1,2,,m）则有矩阵A,B同型且r(A)r(B)A~B,AB,ABr(A)r(B)AB。
3、若ABr(A)r(B)两向量组秩相同，两向量组等价，即有AB(1,2,,n)(1,2,,n)综上所述：矩阵等价与向量等价不可互推。
关于矩阵等价、合同、相似以及可对角化的性质和判别条件的总结
是
判
求出r iE A，
别
k n r iE A是否成立
程
否
序
A可对角化
A的特征值全为正数 A的顺序主子式全大于0
0
A
a11a22 L
L
ann
aii 0,i 1, 2,L L , n.
5.矩阵A与B相似：即可逆矩阵P，使得B P1AP.
r A r B
A、B具有相同的特征多项式，即
E
A
E
B
矩阵A、B具有许多相同的性质
A、B具有相同的特征值 AB
A
A为实对称矩阵
必可以与对角矩阵相似 必可以用正交变换对角化 3.实对称矩阵A的性质 不同特征值的特征向量必线性无关且正交
特征值全为实数 对应的特征向量全为实向量
k重特征值必有k个线性无关的特征向量
合同于单位矩阵，即可逆矩阵C，使得A CTC
A的正惯性指数等于n
4.n阶实对称矩阵A为正定矩阵
矩阵A与B的相似问题一般只对实对称矩阵而言，
即矩阵A与B均为实对称矩阵。
实对称矩阵A与B相似 A与B具有相同的特征值
此外还可以根据A与B相似的必要条件进行判别
A
Ann
是
否
是
A是否为实对称矩阵
可
否
对 由A的特征多项式 E A 是
角 求出A的所有特征值，A是
化 否有n个不同的特征值
否
的
对于A的k重特征值i
tr A tr B,即： aii bii
A1 : B1、AT : B、A* B、f ( A) f (B)于实对称矩阵A、B，A : B A与B合同，反之不成立
A : B A和B具有相同的特征值 A与B合同
矩阵的合同,等价与相似
矩阵的合同,等价与相似
矩阵的合同、等价和相似是三种不同的关系。
合同关系是指对于两个矩阵A和B，存在一个可逆矩阵P，使得PAP^{-1} = B。
也就是说，两个矩阵可以通过一个可逆矩
阵的相似变换，得到一个相同的矩阵。
等价关系是指对于两个矩阵A和B，存在两个可逆矩阵P和Q，使得PABQ = I，其中I为单位矩阵。
等价关系是合同关
系的一个特殊情况，即当P = Q时，合同关系变为等价关系。
相似关系是指对于两个矩阵A和B，存在一个可逆矩阵P，使得PAP^{-1} = B。
相似关系不要求被相似变换的矩阵是方阵，因此相似关系是合同关系的推广。
综上所述，矩阵的合同关系是最强的，矩阵的等价关系是合同关系的特殊情况，矩阵的相似关系不要求矩阵是方阵，是合同关系的推广。
矩阵的合同与相似及其等价条件
矩阵的相似与合同及其等价条件研究（数学与统计学院09级数学与应用数学一班）指导老师：王晶晶引言矩阵的相似与合同及其等价三者在线性代数中是很重要的概念，在线性代数的学习中，矩阵的相似与合同作为研究工具，得到广泛的应用[1-10]，起着非常重要的作用，能够把要处理的问题简单化[9]，本文对矩阵的等价，合同，相似进行了简单的介绍并对其判别方法给了具体的例子进行解释说明，对矩阵的应用学习有一定的帮助.1矩阵的等价与相似及其合同的基本概念1.1矩阵等价的定义[1]定义1.1如果矩阵A 可以有矩阵B 经过有限次初等变换得到，称A 与B 是等价的.由于要与矩阵的相似，合同进行比较，上述概念可以约束条件得到：定义1.2如果n 阶矩阵A 可以由n 阶矩阵B 进过有限次初等变换得到，则称A 与B 是等价的.根据初等变换和初等矩阵的关系以及可逆矩阵的充分必要条件，可以用数学语言描述：定义1.3设矩阵A ,B 为n 阶矩阵，如果存在n 阶可逆矩阵P 和Q ,使得B P AQ =,则称矩阵A 与B 等价，记作A ∽B .1.2矩阵相似的定义[2]定义1.4设矩阵A ，B 为n 阶矩阵，如果存在一个是n 阶可逆矩阵P，使得B AP P =-1,则称矩阵A 与矩阵B 相似，记作A ～B .1.2.1n 阶矩阵的相似关系，具有下列性质[3]:性质1.1反身性，即任一n 阶矩阵A 与自身相似.性质1.2对称性，即如果A ～B ，则B ～A .性质1.3传递性，如果A ～B ，B ～C ，则A ～C .性质1.4P A k AP P k P A k A k P 221122111)(+=+--.（21,k k 是任意常数）性质1.5))(()(2111211P A P P A P P A A P ---=.性质1.6若矩阵A 与矩阵B 相似，则m A 与m B 相似.（m 为正整数）证明存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，那么()P A P B AP P m m m11--==，故可以得到m A 与相m B 相似.性质1.7如果矩阵A 、B 都是满秩，则A ～B ，那么1-B ～1-A .证明存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，那么()P A P B AP P 11111-----==，故可以得到1-B ～1-A .性质1.8如果矩阵A ～B ，那么B A =.证明存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，又因为B AP P =-1，11=-P P ，故可以得到B A =.性质1.9相似矩阵或者都可逆，或者都不可逆.并且当它们都可逆时候，它们的逆矩阵也相似.证明设AP P B 1-=，若矩阵B 可逆，()P A P AP P B 11111-----==，从而1-B 和1-A 也相似.若B 不可逆，则AP P 1-不可逆，即A 也不可逆.性质1.10相似矩阵有相同的特征值.证明设AP P B 1-=，APP EP P B E 11---=-λλ()P A E P -=-λ1AE -=λ故矩阵A 的特征值与矩阵B 有相同的特征值.性质1.11相似矩阵有相同的迹.证明可以设矩阵A 与矩阵B 相似，那么存在一个可逆矩阵P ,使得B AP P =-1，()()APP t B t r r 1-=()P A P t r 1-=()A t r =例1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3002A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2003B ，求分别求矩阵A 、B 的特征多项式，特征值秩,迹，行列式，矩阵A 与B 是否相似，它们之间有什么关系？解从已知可知63002==A ，,2)(=A Rank 5)(=A t r 对于A 的特征多项式3002--=-λλλA E )3)(2(--=λλ故A 的特征值为2和3.对于矩阵B ,62003==B ，,2)(=B Rank 5)(=B t r 矩阵B 的特征多项式)3)(2(2003--=--=λλλλB .故矩阵B 的特征值是2和3.存在一个可逆矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0110P 使得B AP P =-1，从定义矩阵B 与矩阵A 相似.从结果看到相似矩阵有相同的特征多项式、相同的特征值、相等的行列式的值、相等的迹[2-4].例2设实数域上的3级实对称矩阵⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=124242421A ，对角矩阵⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=400050005B .求矩阵A 、B 的特征值，特征多项式并且矩阵A 与矩阵B 相似吗？如果相似求出可逆矩阵P .解由矩阵A 的特征多项式为11020242421124242421-+---=---λλλλλλλ100242421---=λλλ)4()5(2+-=λλ故矩阵A 的特征值为5和—4.容易知道矩阵B 的特征多项式和矩阵A 的相同，故矩阵B 的特征值为5和-4.那么存在一个可逆矩阵P ,⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=325310315152552325154551P 验证得到B AP P =-1，那么矩阵A 与矩阵B 相似，它们有相同的特征值和特征多项式.1.3矩阵合同的定义[2]定义1.5设A ，B 为n 阶矩阵，如果存在一个n 阶可逆矩阵C ，使得B AC C T =，则称A 与B 合同，记作B A ≅.n 阶矩阵的合同关系具有下列性质：⑴反身性:即任一n 级矩阵与自身合同.⑵对称性:即如A 与B 合同，则B 与A 合同.⑶传递性:A 与B 合同，B 与C 合同，则A 与C 合同.⑷合同的两矩阵有相同的二次型标准型.⑸任何一个实对称矩阵合同于一个对角矩阵.⑹两个实对称矩阵合同，它们的秩相等，而且正惯性指数相等.2.合同矩阵与相似矩阵的关系2.1矩阵的相似与合同的相同点[5].⑴从上面可以看到，相似关系满足反身性、对称性、传递性；合同关系也具有反身性、对称性、传递性.⑵相似、合同矩阵均有相同的秩.若矩阵A 相似与矩阵B ，则)()(B Rank A Rank =，若矩阵A 合同于矩阵B ，则)()(B Rank A Rank =.可见，如果两个矩阵相似或合同，那么它们的秩相同.⑶相似与合同的矩阵要求是同型的方阵.若矩阵A 于矩阵B 相似，则要求A 、B 都是方阵；若A 合同与B ，则要求A 、B 都方阵.就是说相似与合同的矩阵要求是同型矩阵，而且都是方阵.2.2矩阵的相似与合同的不同点[5].矩阵的相似与合同有一些不同之处，如A ～B ，则B A =，A 与B 有相同的特征值.但若A ≅B ，那么A 与B 的行列式的值不一定相等；A 与B 也不一定有相同的特征值.例1设⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=542452222A ,⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=32455032454513145252T ,⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1000010001B ,不难验证：B AT T T =，有B A ≅.我们可以知道上面的矩阵等式满足矩阵的合同同时满足矩阵的相似，能够知道矩阵T 为正交矩阵，故A ～B ，矩阵A 的行列式可以等于B 的行列式，下面举出合同但是行列式不等的情况.例2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3221A ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=12441B ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=2001C .经过验证可以知道1-=A ，4-=B ，然而B AC C T =，B A ≠，可以得到矩阵A 合同于B ，但是行列式可以不等.我们知道矩阵相似具有相同的特征值，这是因为相似矩阵有相同的特征多项式.我们设A ～B ，则有可逆矩阵P ，使得AP P B 1-=，于是111()E B E P AP P E P P APλλλ----=-=-=1()P E A Pλ--=E Aλ-故特征值相同.然而对于矩阵A 合同与矩阵B，但是它们的特征值不一定相同:例3设⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=121211A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=43001B ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=10211C 不难验证B AC C T =,即B A ≅，但是A 的特征值为21和23，B 的特征值为1和43显然，矩阵的相似与矩阵的合同是不同的概念.2.3矩阵等价、合同与相似的联系[7].结论2.1相似矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵.证明设n 级矩阵A 、B 相似，从定义知道存在n 阶矩阵P ，使得B AP P =-1，从等价的定义B A ≅.反过来，对于矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=010001A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=010121B ，A 与B 等价，但是A 与B 并不相似.结论2.2合同矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必是合同矩阵.证明设n 阶方阵B A ,合同，由定义1.5有，存在n 阶可逆矩阵1P ，使得B AP P T =1，若记11,P Q P P T==,则有B PAQ =因此由定义1.3得到n 阶方阵B A ,等价.反过来对于矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=1001A ,⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1021B 等价，但是A 与B 并不合同，即等价矩阵未必合同．2.4矩阵合同与相似的关系[7]结论2.3如果M 与N 都是n 级对称矩阵，且有相同的特征值，则M 与N 既合同又相似.证明设M 、N 的特征值均为1λ、2λ、 n λ，因为M 与N 都是n 级实对称矩阵，则一定存在n 阶正交矩阵P ，使得：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-n MP P λλ 11同理，可以找到一个正交矩阵Q ，使得：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-n NQ Q λλ 11从上面两式有：NQQ MP P 11--=将上式两边分别左乘Q 和又乘1-Q ，得：MPQ QP N 1`-=()()11`1---=PQ M PQ 由于EQQ E PP T T ==,故T PQ 可逆，又由于：（1111)()()T TPQ PQ PQ Q P ----=T T QP PQ =E=所以1-PQ 是正交矩阵故M ～N NM ≅,结论2.4若n 阶矩阵A 与B 中只要有一个正交矩阵，则AB 与BA 相似且合同．证明不妨A 是正交矩阵,则A 可逆取,A P =,有()()BA BA A A ABA A ABP P ===---111，则AB 与BA 相似，又A 是正交阵，所以AB 与BA 既相似又合同.结论2.5若A ～B ,且B A ≅，C ～D 且D C ≅，则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00～⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B0，⎪⎪⎭⎫⎝⎛≅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D BC A 0000证明从已知，C ～B ,C ～D ，故存在可逆矩阵1P ，2P 使得BAP P =-111DCP P =-212令⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=210P P P 则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---1211100P P P且⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛---21211110000CP P AP P P C A P ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=D B00故⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00～⎪⎪⎭⎫⎝⎛D B0又因为D C B A ≅≅，，，故存在可逆矩阵1T ，2T ，使得1122,T T T AT B T CT D==令⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2100T T T 则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T TT T T T 2100然而112200000000T TT T A A T T T T C C T ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭11220000TT T T T T ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭11220000T TB T AT D T CT ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭故⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00≅⎪⎪⎭⎫⎝⎛D B 03相似矩阵的应用3.1相似矩阵的简单应用[8]在矩阵m A 的求解过程中，很难得到它的值，然而可以找到与矩阵A 相似的简单的矩阵，可把矩阵化简为对角矩阵，使得BP P A 1-=，其中P 为可逆矩阵,B 对角矩阵，可知矩阵A 与矩阵B 相似，那么()P B P BP P A m mm 11--==，从而可以使得不宜求的矩阵简单化。
矩阵等价相似合同的关系
矩阵等价相似合同的关系等价指的是两个矩阵的秩一样。
合同指的是两个矩阵的正定性一样，也就是说，两个矩阵对应的特征值符号一样。
相似是指两个矩阵特征值一样。
相似必等价，合同必等价。
1.等价矩阵：同型矩阵A，B的秩相等，那么A，B等价，即是随意两个秩相等的同型矩阵通过初等变换都可以相互转化相等与另一个。
2.相似矩阵的定义是:存在可逆矩阵P，使得P--1AP=B，则称B是A的相似矩阵。
原因：A与B相似有一个必要条件就是A与B的特征值相同，即|B-aE|=|A-aE|所以|B-aE|=|P--1||A-aE||P|，所以|B-aE|=|P--1AP-aP--1EP|，即|B-aE|=|P--1AP-aE|所以B=P--1AP3.合同矩阵定义：若存在可逆矩阵C,使得C T AC=B，即A与B合同。
对于合同矩阵要从二次型说起，二次型为：f=X T AX。
可通过X=CY变换，即把X=CY带入，于是f=（CY)T A(CY)=Y T[C T AC]Y，其中令C T AC=B，即A与B合同。
首先相似不一定合同，合同也不一定相似，但是如果相似或者合同则必然等价，而等价却不能反推出相似或者合同，原因是前者只能是对方阵，而后者则只需要同型。
相似合同和等价都具有反身性。
对称性和传递性，合同和相似能推出等价是因为他们的秩相等。
而对于矩阵A只有当他是实对称矩阵时，存在C T AC=C--1AC，即这个时候矩阵合同和相似可以等价，这个时候C是正交矩阵，然而当C 不是正交矩阵时，则只能满足其中一个条件，或者说如果P--1AP=B,即A与B相似，但如果P不是正交矩阵，则不能称A与B合同，如果P T AP=B，即A与B合同，但是PP T≠I,则一样不能推出相似。
相似必合同，合同必等价。
等价就是矩阵拥有相同的r。
矩阵合同，C T AC=B，矩阵乘以可逆矩阵他的r不变，r(B)=r(C T AC)=r(AC)=r（A），等价。
同理两矩阵相似一定等价。
矩阵的等价,规定合同,相似的联系与区别
证明：设 与 的特征根均为 因为 与 阶实对称矩阵，则一定存在一个 阶正交矩阵Q使得 同理，一定能找到一个正交矩阵 使得 从而有
将上式两边左乘 和右乘 ,得
由于 , ,
有 ,所以， 是正交矩阵，由定理8知 与 相似．
定理10若 阶矩阵 与 中只要有一个正交矩阵，则 与 相似且合同．
反过来，对于矩阵 , 等价，但是 与 并不相似，即等价矩阵未必相似．
定理6对于 阶方阵 ，若存在 阶可逆矩阵 使 ,(即 与 等价)，且 ( 为 阶单位矩阵)，则 与 相似．
证明：设对于 阶方阵 与 ,若存在 阶可逆矩阵 ,使 ,即 与 等价．又知 ,若记 ,那么 ,也即 ,则矩阵 也相似．
定理7合同矩阵必为等价矩阵，等价矩阵未必为合同矩阵．
(1) 矩阵 与 不仅为同型矩阵，而且是方阵.
(2) 存在数域 上的 阶矩阵 ,
性质2
（1）反身性：任意矩阵 都与自身合同.
（2）对称性：如果 与 合同，那么 也与 合同.
（3）传递性：如果 与 合同， 又与 合同，那么 与 合同.
因此矩阵的合同关系也是等价关系，而且由定义可以直接推得：合同矩阵的秩等.
(7) 相似矩阵有相同的秩，而且，如果 为满秩矩阵，那么 .
即满秩矩阵如果相似，那么它们的逆矩阵也相似.
(8）相似的矩阵有相同的行列式；
因为如果 ，则有：
(9）相似的矩阵或者都可逆，或者都不可逆；并且当它们可逆时，它们的逆矩阵相似；
设 ，若 可逆，则 从而 可逆.且 与 相似.
若 不可逆，则 不可逆，即 也不可逆.
证明：不妨设 是正交矩阵，则 可逆，取 ,有 ，则 与 相似，又知 是正交阵，所以 与 既相似又合同．
等价、相似、合同的关系
矩阵等价、相似与合同的区别与联系等价、相似与合同是矩阵的三大变换.应了解其定义，关系及有关性険.1）定义及相互之间的关系设川，舟是曲X并矩璋.若花 S阶可逆矩阵卩和用阶可逆矩阵0,使得PAQ=B t则称£与j?等价，记为A=B■设〃是科谕方阵，若存在用阶可龙矩阵尸，使^P-i AP = Bf则称Z 与苏祸似，记为A -肌若存在闯阶可湮矩阵P使猱戸AP= E贝U称』与舟合同-记为4R ;若存总艸阶正交矩阵0 使得Q l AQ= Q^AQ= B则称M与E正交相f以.由定文可知其关系*如下图所示*2）性质（1）等价、相似与合同都具有反身性、对称性及传递性，即A - At At A a A （反身性）；若A", A~ R,则丹=』，E- A A｛对称性）；若』卷R,若A", K〜C则貝〜C；若, B^C则/ = C（传递性）•（2） A = E O A 与耳司型＞且rank A = rank S・若rank 4 = F *则（£A= r，称旨者为矩阵』的等价标准形O O⑶rank A= rank B ? det A - det B J A与E的释3E 澄7冃司“注听给閔都是必要条件，即由rank A= rank B?或det A = dctB ,或J4与必的特征值相同不能筆知』〜J!.但若/与J?都可对兔址，旦特花值相同，则4- J?.（3）用正交相似变换可将/化简成Q J AQ=Q-l AQ^对实对称矩阵/的这三种变换，一个比一个特殊，一个比一个限毛:更多，各有其优诀点•总的来说则为：限制越少则化简后的形式越简单，但变换后丢掉原矩阵的性质就越多.如（1）的形式量简单.但变换后只保留了秩不变：（2）的形式虽然比（1）稍复杂.叵变换后保留秩不变，对称性不变，正、负惯性指数不变；（3）的形式又更复杂一点，但变换后保留秩不变，对称性不变，正、负惯性指数不变，特征值不变.。
矩阵的等价,合同,相似的联系与区别
目录摘要 (I)引言 (1)1矩阵间的三种关系 (1)1.1 矩阵的等价关系 (1)1.2 矩阵的合同关系 (1)1.3. 矩阵的相似关系 (2)2 矩阵的等价、合同和相似之间的联系 (3)3矩阵的等价、合同和相似之间的区别 (5)结束语 (6)参考文献 (6)摘要:等价、合同和相似是矩阵中的三种等价关系，在矩阵这一知识块中占有举足轻重的地位.矩阵可逆性、矩阵的对角化问题、求矩阵特征根与特征向量、化二次型的标准形等诸多问题的解决都要依赖于这三种等价关系. 根据等价、合同和相似的联系的研究的结论是其一可利用等价矩阵的性质来确定相似矩阵或合同矩阵的性质．其二可利用正交相似与正交合同的一致性，得到二者间彼此的转化．关键词:矩阵的等价;矩阵的相似;矩阵的合同;等价条件引言：在高等代数中，讨论了矩阵的三种不同关系，它们分别为矩阵的等价、矩阵的相似和矩阵的合同等关系．本文首先介绍了这三种关系以及每种关系的定义，性质，相关定理及各自存在的条件，然后给出了这三种矩阵关系间的联系，即相似矩阵、合同矩阵必为等价矩阵，相似为正交相似，合同为正交合同时，相似与合同一致．还有矩阵的相似与合同之等价条件．并对这些结论作了相应的理论证明，最后给出了他们的区别和不变量.1矩阵间的三种关系1.1 矩阵的等价关系定义1 两个s n ⨯矩阵,A B 等价的充要条件为：存在可逆的s 阶矩阵p 与可逆的 n 阶矩阵Q ，使B PAQ =由矩阵的等价关系，可以得到矩阵A 与B 等价必须具备的两个条件：（1）矩阵A 与B 必为同型矩阵（不要求是方阵）.（2）存在s 阶可逆矩阵p 和n 阶可逆矩阵Q , 使得B PAQ =.性质1（1）反身性：即A A ≅.（2）对称性：若A B ≅，则B A ≅（3）传递性：即若A B ≅，B C ≅，则A C ≅定理1 若A 为m n ⨯矩阵，且()r A r =，则一定存在可逆矩阵P （m 阶）和Q （n 阶），使得000r m nI PAQ B ⨯⎛⎫== ⎪⎝⎭.其中r I 为r 阶单位矩阵. 推论1 设A B 、是两m n ⨯矩阵，则A B ≅当且仅当()()r A r B =.1.2 矩阵的合同关系定义2 设,A B 均为数域p 上的n 阶方阵，若存在数域p 上的n 阶可逆矩阵p ，使得T P AP B =,则称矩阵为合同矩阵（若数域p 上n 阶可逆矩阵p 为正交矩阵），由矩阵的合同关系，不难得出矩阵A 与B 合同必须同时具备的两个条件：(1) 矩阵A 与B 不仅为同型矩阵，而且是方阵.(2) 存在数域p 上的n 阶矩阵p ,T P AP B =性质2（1）反身性：任意矩阵A 都与自身合同.（2）对称性：如果B 与A 合同，那么A 也与B 合同.（3）传递性：如果B 与A 合同，C 又与B 合同，那么C 与A 合同.因此矩阵的合同关系也是等价关系，而且由定义可以直接推得：合同矩阵的秩等.定理2 数域F 上两个二次型等价的充要条件是它们的矩阵合同.定理3 复数域上秩为r 的二次型，可以用适当的满秩线性变换化为标准形：22212r f y y y =++ 1.3. 矩阵的相似关系定义3 设,A B 均为数域p 上n 阶方阵，若存在数域p 上n 阶可逆矩阵p 使得B AP P =-1,则称矩阵A 与B 为相似矩阵（若n 级可逆矩阵p 为正交阵，则称A 与B 为正交相似矩阵）由矩阵的相似关系，不难得到矩阵A 与B 相似，必须同时具备两个条件(1) 矩阵A 与B 不仅为同型矩阵，而且是方阵(2) 在数域p 上n 阶可逆矩阵P ，使得B AP P =-1性质3(1)反身性 T A E AE = ;(2)对称性 由T B C AC =即得()11T A C BC --=;（3）传递性 111T A C AC =和2212T A C AC =即得 ()()21212T A C C A C C总之，合同是一种矩阵之间的等价关系，而且经过非退化的线性替换，新二次型的矩阵与原二次型矩阵是合同的.(4) 11111221122()P k A k A P k P A P k P A P ---+=+（其中12,k k 是任意常数）； (5）1111212()()()P A A P P A P P A P ---=；(6）若A 与B 相似，则m A 与m B 相似（m 为正整数）；(7) 相似矩阵有相同的秩，而且，如果1B P AP -=为满秩矩阵，那么11111()B P AP P A P -----==.即满秩矩阵如果相似，那么它们的逆矩阵也相似.(8）相似的矩阵有相同的行列式；因为如果1B P AP -=，则有：11B P AP P A P A --===(9）相似的矩阵或者都可逆，或者都不可逆；并且当它们可逆时，它们的逆矩阵相似；设1B P AP -=，若B 可逆，则11111()B P AP PA P -----==从而A 可逆.且1B -与1A -相似.若B 不可逆，则1()P AP -不可逆，即A 也不可逆.下面这个性质是一个重要的结论，因此我们把它写成以下定理定理4 相似矩阵的特征值相同.推论3 相似矩阵有相同的迹.2 矩阵的等价、合同和相似之间的联系（1） 由以上三种矩阵间的关系的定义，可以知道每一种矩阵关系存在所必须具备的条件，但是这三种关系彼此间存在着密切的联系定理5 相似矩阵必为等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵．证明： 设n 阶方阵,A B 相似，由定义3知存在n 阶可逆矩阵1P ，使得111P AP B -=，此时若记11P P -=,1Q P = ,则有PAQ B =,因此由定义1得到n 阶方阵,A B 等价反过来，对于矩阵100010A ⎛⎫= ⎪⎝⎭,121010B ⎛⎫= ⎪⎝⎭等价，但是A 与B 并不相似，即等价矩阵未必相似．定理 6 对于n 阶方阵,A B ，若存在n 阶可逆矩阵,P Q 使PAQ B =,(即A 与B等价)，且PQ E = (E 为n 阶单位矩阵)，则A 与B 相似．证明： 设对于n 阶方阵A 与B ,若存在n 阶可逆矩阵,P Q ,使PAQ B =,即A 与B 等价．又知PQ E =,若记11P P -= ,那么1Q P =,也即111P AP B -=,则矩阵,A B 也相似．定理7 合同矩阵必为等价矩阵，等价矩阵未必为合同矩阵．证明： 设n 阶方阵,A B 合同，由定义2有，存在n 阶可逆矩阵1P ，使得11TP AP B =，若记1TP P =,1Q P =,则有PAQ B =因此由定义1得到n 阶方阵,A B 等价反过来对于矩阵1001A ⎛⎫= ⎪⎝⎭,1201B ⎛⎫= ⎪⎝⎭等价，但是A 与B 并不合同，即等价矩阵未必合同．定理8 正交相似矩阵必为合同矩阵，正交合同矩阵必为相似矩阵．证明：若存在一个正交矩阵P ,即T P P E =使得1P AP B -=即~A B ，则有1T B P AP P AP -==，即A 与B 合同.同理，若存在一个正交矩阵P ，即T P P E =使得T P AP B =即A 与B 合同，则有1~T B P AP P AP A B -==⇒由此可得1.相似阵、合同阵必为等价阵，但过来必成立2.相似阵为正交相似，合同阵为正交合同时，相似与合同一致.（2）但相似矩阵与合同矩阵有着一定的内在联系，如果两者都具有反身性、对称性和传递性，即两者都是等价关系．另外，在一定条件下，两者是等价的．若矩阵A 与B 正交相似，则它们既是相似也是合同的．对于相似与合同矩阵之等价条件有以下定理，定理9 如果A 与B 都是n 阶实对称矩阵，且有相同的特征根．则A 与B 既相似又合同．证明：设A 与B 的特征根均为n λλλ ,,21因为A 与n 阶实对称矩阵，则一定存在一个n 阶正交矩阵 Q 使得⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-n AQ Q λλλ..211同理，一定能找到一个正交矩阵P 使得⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-n BP P λλλ..211从而有BP P AQ Q 11--= 将上式两边左乘P 和右乘1-P ,得()()()1111111-------===QP A QP QP AQP PQ B 由于T Q Q E =,T P P E =,1P P E -=有()()()()1111111T T T T QP QP P Q QP P EP PP E -------====,所以，1-P Q 是正交矩阵，由定理8知A 与B 相似．定理10 若n 阶矩阵A 与B 中只要有一个正交矩阵，则AB 与BA 相似且合同． 证明：不妨设A 是正交矩阵，则A 可逆，取U A =,有()()111U ABU A ABA A A BA BA ---===，则AB 与BA 相似，又知A 是正交阵，所以AB 与BA 既相似又合同．定理11 若A 与B 相似且又合同，C 与D 相似也合同，则有⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00 既相似又合同． 证明: 因为A 与B ,C 与D 相似，故存在可逆矩阵1P ,2P ，使111122,P AP B P CP D --==,令1200P P P ⎛⎫= ⎪⎝⎭,则1111200P P P ---⎛⎫= ⎪⎝⎭且10000A B P P C D -⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,故⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00相似． 又因为A 与B 合同，C 与D 合同,故存在可逆矩阵12,Q Q , 122,T T Q AQ B Q CQ D ==令1200Q Q Q ⎛⎫= ⎪⎝⎭而1200T T T Q Q Q ⎛⎫= ⎪⎝⎭11112222000000000000T T T T T Q Q A A Q Q A Q Q Q Q C C Q Q C ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 11220000T T B Q AQ D Q CQ ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭故⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00合同． 3矩阵的等价、合同和相似之间的区别1、矩阵等价：a.同型矩阵而言b.一般与初等变换有关c.秩是矩阵等价的不变量，其次，两同型矩阵相似的本质是秩相等2、矩阵相似：a.针对方阵而言b.秩相等是必要条件c.本质是二者有相等的不变因子3、矩阵合同：a.针对方阵而言，一般是对称矩阵b.秩相等是必需条件c.本质是秩相等且正惯性指数相等，即标准型相同由以上知，秩是矩阵等价的不变量；不变因子是矩阵相似的不变量；特征值是可对角化矩阵相似的不变量，正负惯性指数是对称矩阵合同的不变量，等价关系最弱、合同与相似是特殊的等价关系.由相似和合同一定可以推出等价，而反之不成立.相似与合同不可互推，需要一定的条件.而且等价是经过有限次初等变换变得；相似不一定会都与对角阵相似，相似矩阵可看作是同一线性变换在不同基下的矩阵；合同可以通过二次型的非退化的线性替换来理解.结束语：矩阵中的这三种关系，在高等代数中是至关重要的，他们既包含着联系，又蕴涵着差别.相似矩阵、合同矩阵必为等价矩阵，等价矩阵不一定是相似矩阵也不一定是合同矩阵；相似为正交相似，合同为正交合同时，相似与合同一致；秩是矩阵等价的不变量；不变因子是矩阵相似的不变量，特征值是可对角化矩阵相似的不变量，正负惯性指数是对称矩阵合同的不变量.参考文献：[1]张禾瑞.高等代数[M].北京：高等教育出版社,1983.[2]姚慕生.高等代数学[M].复旦：复旦大学出版社,1999.[3]北大数学系几何与代数教研室代数小组.高等代数[M].北京：高等教育出版社，1988 .[4]李志惠，李永明.高等代数中的典型问题与方法[M].北京：科学出版社，2006.[5]同济大学教研室. 线性代数[M].北京：高等教育出版社.，2001.[6]阎家灏.线性代数[M].重庆：重庆大学出版社.，1994.。
浅谈矩阵的等价、合同与相似之间的关系
1 、引 言矩阵的相似与合同及其等价三者在线性代数中是很重要的概念，在线性代数的学习中，矩阵的相似与合同作为研究工具，得到广泛的应用，起着非常重要的作用，能够把要处理的问题简单化，本文对矩阵的等价，合同，相似进行了简单的介绍 ，对矩阵的应用学习有一定的帮助.2、矩阵的等价，相似，合同2.1矩阵的等价2.1.1矩阵等价的定义：矩阵等价用矩阵乘法表示出来就是，如果有两个m ×n 阶矩阵A 和B ，而且这两个矩阵满足B=QAP ，其中P 是n ×n 阶可逆矩阵，Q 是m ×m 阶可逆矩阵，那么这两个矩阵是等价的。
即，矩阵A 经过有限次的初等变换得到矩阵B2.1.2初等变换（1）换法变换：对调矩阵的两行（列），得初等矩阵E(i,j).用m 阶初等矩阵),mj i E （左乘nm ij a A ⨯=)(，相等于对矩阵A 实行第一种矩阵初等行变换，把A 的第i 行与第j 行对调，记作（r r j i ↔）类似的，用n 阶初等矩阵()j i E n ,右乘矩阵n m ij a ⨯=）（A ，相当于都矩阵A 实行第一种矩阵初等列变换，把A 的第i 列与第j 列对调，记作)c c j i ↔（ （2）倍法变换：以数K ≠0乘某一行（列）中的全部元素，得初等矩阵))((K i E 。
用））（（K i m E 左乘矩阵A ，相当于以数K 乘A 的第i 行，记作（K r i ⨯）。
用））（（K i nE 右乘矩阵A ，相当于以数K 乘A 的第i 列，记作（K ⨯c i ）。
（3）消法变换： 以数K 乘某行（列）加到另一行（列）上去，得初等矩阵））（（K E ij ，以））（（K E ij m 左乘矩阵A ，相当于把A 的第j 行乘以K 加到第i 行上，记作（r r j i K +）。
以））（（K E ij n右乘矩阵A ，相当于把A 的第i 列乘以K 加到第j 列上，记作（c c i j K +）。
矩阵的合同与相似及其等价条件讲解
矩阵的相似与合同及其等价条件研究（数学与统计学院 09级数学与应用数学一班） 指导老师：王晶晶引言矩阵的相似与合同及其等价三者在线性代数中是很重要的概念，在线性代数的学习中，矩阵的相似与合同作为研究工具，得到广泛的应用[1-10]，起着非常重要的作用，能够把要处理的问题简单化[9]，本文对矩阵的等价，合同，相似进行了简单的介绍并对其判别方法给了具体的例子进行解释说明，对矩阵的应用学习有一定的帮助.1 矩阵的等价与相似及其合同的基本概念1.1矩阵等价的定义[1]定义 1.1 如果矩阵A 可以有矩阵B 经过有限次初等变换得到，称A 与B 是等价的.由于要与矩阵的相似，合同进行比较，上述概念可以约束条件得到：定义1.2 如果n 阶矩阵A 可以由n 阶矩阵B 进过有限次初等变换得到，则称A 与B 是等价的.根据初等变换和初等矩阵的关系以及可逆矩阵的充分必要条件，可以用数学语言描述：定义1.3 设矩阵A ,B 为n 阶矩阵，如果存在n 阶可逆矩阵P 和Q ,使得B PAQ =,则称矩阵A 与B 等价，记作A ∽B . 1.2 矩阵相似的定义[2]定义 1.4 设矩阵A ，B 为n 阶矩阵，如果存在一个是n 阶可逆矩阵P ，使得B AP P =-1,则称矩阵A 与矩阵B 相似，记作A ～B .1.2.1 n 阶矩阵的相似关系，具有下列性质[3]:性质1.1 反身性，即任一n 阶矩阵A 与自身相似. 性质1.2 对称性，即如果A ～B ，则B ～A . 性质1.3 传递性，如果A ～B ，B ～C ，则A ～C .性质1.4 P A k AP P k P A k A k P 221122111)(+=+--. （21,k k 是任意常数）性质1.5 ))(()(2111211P A P P A P P A A P ---=.性质1.6 若矩阵A 与矩阵B 相似，则m A 与m B 相似. （m 为正整数） 证明 存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，那么()P A P B AP P m m m11--==，故可以得到m A 与相m B 相似.性质1.7 如果矩阵A 、B 都是满秩，则A ～B ，那么1-B ～1-A . 证明 存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，那么()P A P B AP P 11111-----==，故可以得到1-B ～1-A .性质1.8 如果矩阵A ～B ，那么B A =.证明 存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，又因为B AP P =-1，11=-P P ，故可以得到B A =.性质1.9 相似矩阵或者都可逆，或者都不可逆.并且当它们都可逆时候，它们的逆矩阵也相似.证明 设AP P B 1-=，若矩阵B 可逆，()P A P AP P B 11111-----==，从而1-B 和1-A 也相似.若B 不可逆，则AP P 1-不可逆，即A 也不可逆.性质1.10 相似矩阵有相同的特征值.证明 设AP P B 1-=，AP P EP P B E 11---=-λλ ()PA E P -=-λ1A E -=λ故矩阵A 的特征值与矩阵B 有相同的特征值.性质1.11 相似矩阵有相同的迹.证明 可以设矩阵A 与矩阵B 相似，那么存在一个可逆矩阵P ,使得B AP P =-1，()()AP P t B t r r 1-=()PA P t r 1-= ()A t r =例1 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3002A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2003B ，求分别求矩阵A 、B 的特征多项式，特征值秩,迹，行列式，矩阵A 与B 是否相似，它们之间有什么关系？解 从已知可知63002==A ，,2)(=A Rank 5)(=A t r 对于A 的特征多项式3002--=-λλλA E )3)(2(--=λλ 故A 的特征值为2和3.对于矩阵B ,62003==B ，,2)(=B Rank 5)(=B t r 矩阵B 的特征多项式)3)(2(23--=--=λλλλB .故矩阵B 的特征值是2和3.存在一个可逆矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0110P 使得B AP P =-1，从定义矩阵B 与矩阵A 相似. 从结果看到相似矩阵有相同的特征多项式、相同的特征值、相等的行列式的值、相等的迹[2-4].例2 设实数域上的3级实对称矩阵⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=124242421A ，对角矩阵⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=400050005B .求矩阵A 、B 的特征值，特征多项式并且矩阵A 与矩阵B 相似吗？如果相似求出可逆矩阵P .解 由矩阵A 的特征多项式为11020242421124242421-+---=---λλλλλλλ1242421---=λλλ )4()5(2+-=λλ 故矩阵A 的特征值为5和—4.容易知道矩阵B 的特征多项式和矩阵A 的相同，故矩阵B 的特征值为5和-4.那么存在一个可逆矩阵P ,⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=325310315152552325154551P 验证得到B AP P =-1，那么矩阵A 与矩阵B 相似，它们有相同的特征值和特征多项式. 1.3 矩阵合同的定义[2]定义1.5 设A ，B 为n 阶矩阵，如果存在一个n 阶可逆矩阵C ，使得B AC C T =，则称A 与B 合同，记作B A ≅.n 阶矩阵的合同关系具有下列性质：⑴ 反身性: 即任一n 级矩阵与自身合同. ⑵ 对称性: 即如A 与B 合同，则B 与A 合同. ⑶ 传递性: A 与B 合同，B 与C 合同，则A 与C 合同. ⑷ 合同的两矩阵有相同的二次型标准型. ⑸ 任何一个实对称矩阵合同于一个对角矩阵.⑹ 两个实对称矩阵合同，它们的秩相等，而且正惯性指数相等.2. 合同矩阵与相似矩阵的关系2.1 矩阵的相似与合同的相同点[5].⑴ 从上面可以看到，相似关系满足反身性、对称性、传递性；合同关系也具有反身性、对称性、传递性.⑵ 相似 、合同矩阵均有相同的秩.若矩阵A 相似与矩阵B ，则)()(B Rank A Rank =，若矩阵A 合同于矩阵B ，则)()(B Rank A Rank =.可见，如果两个矩阵相似或合同，那么它们的秩相同.⑶ 相似与合同的矩阵要求是同型的方阵.若矩阵A 于矩阵B 相似，则要求A 、B 都是方阵；若A 合同与B ，则要求A 、B 都方阵.就是说相似与合同的矩阵要求是同型矩阵，而且都是方阵. 2.2 矩阵的相似与合同的不同点[5].矩阵的相似与合同有一些不同之处，如A ～B ，则B A =，A 与B 有相同的特征值.但若A ≅B ，那么A 与B 的行列式的值不一定相等；A 与B 也不一定有相同的特征值.例1 设⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=542452222A ,⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=32455032454513145252T ,⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1000010001B , 不难验证：B AT T T =，有B A ≅.我们可以知道上面的矩阵等式满足矩阵的合同同时满足矩阵的相似，能够知道矩阵T 为正交矩阵，故A ～B ，矩阵A 的行列式可以等于B 的行列式，下面举出合同但是行列式不等的情况.例2 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3221A ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=12441B ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=2001C . 经过验证可以知道1-=A ，4-=B ，然而B AC C T =，B A ≠，可以得到矩阵A 合同于B ，但是行列式可以不等.我们知道矩阵相似具有相同的特征值，这是因为相似矩阵有相同的特征多项式. 我们设A ～B ，则有可逆矩阵P ，使得AP P B 1-=，于是111()E B E P AP P E P P AP λλλ----=-=-=1()P E A P λ--=E A λ-故特征值相同.然而对于矩阵A 合同与矩阵B ，但是它们的特征值不一定相同:例3 设⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=121211A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=43001B ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=10211C 不难验证B AC C T =,即B A ≅，但是A 的特征值为21和23，B 的特征值为1和43显然，矩阵的相似与矩阵的合同是不同的概念. 2.3 矩阵等价、合同与相似的联系[7].结论2.1 相似矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵.证明 设n 级矩阵A 、B 相似，从定义知道存在n 阶矩阵P ，使得B AP P =-1，从等价的定义B A ≅.反过来，对于矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=010001A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=010121B ，A 与B 等价，但是A 与B 并不相似.结论2.2 合同矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必是合同矩阵.证明 设n 阶方阵B A ,合同，由定义1.5有，存在n 阶可逆矩阵1P ，使得B AP P T =1，若记11,P Q P P T== ,则有B PAQ =因此由定义1.3得到n 阶方阵B A ,等价.反过来对于矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1001A ,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=1021B 等价，但是A 与B 并不合同，即等价矩阵未必合同．2.4矩阵合同与相似的关系[7]结论2.3 如果M 与N 都是n 级对称矩阵，且有相同的特征值，则M 与N 既合同又相似.证明 设M 、N 的特征值均为1λ 、2λ、 n λ，因为M 与N 都是n 级实对称矩阵，则一定存在n 阶正交矩阵P ，使得：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-n MP P λλ 11同理，可以找到一个正交矩阵Q ，使得：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-n NQ Q λλ 11从上面两式有：NQ Q MP P 11--=将上式两边分别左乘Q 和又乘1-Q ，得：MPQ QP N 1`-= ()()11`1---=PQ M PQ由于 E QQ E PP T T ==, 故 T PQ 可逆，又由于：（1111)()()T TPQ PQ PQ Q P ----=T T QP PQ =E =所以1-PQ 是正交矩阵故M ～N N M ≅,结论2.4 若n 阶矩阵A 与B 中只要有一个正交矩阵，则AB 与BA 相似且合同． 证明 不妨A 是正交矩阵,则A 可逆取,A P =, 有()()BA BA A A ABA A ABP P ===---111，则AB 与BA 相似， 又A 是正交阵，所以AB 与BA 既相似又合同.结论2.5 若A ～B ,且B A ≅，C ～D 且D C ≅，则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00～⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00，⎪⎪⎭⎫⎝⎛≅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B C A 0000证明 从已知，C ～B , C ～D ，故存在可逆矩阵1P ，2P 使得BAP P =-111D CP P =-212令 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=210P P P 则 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=---1211100P P P且 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---21211110000CP P AP P P C A P⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=D B 00故 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00～⎪⎪⎭⎫⎝⎛D B 00又因为D C B A ≅≅，，，故存在可逆矩阵1T ，2T ，使得 1122,T TT AT B T CT D ==令⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2100T T T则 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T TTT T T 2100 然而 112200000000T TT T A A T T T T C C T ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 11220000TT T T T T ⎛⎫⎛⎫=⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 11220000T TBT AT D T CT ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭故 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00≅⎪⎪⎭⎫⎝⎛D B 003 相似矩阵的应用3.1 相似矩阵的简单应用[8]在矩阵m A 的求解过程中，很难得到它的值，然而可以找到与矩阵A 相似的简单的矩阵，可把矩阵化简为对角矩阵，使得BP P A 1-=，其中P 为可逆矩阵,B 对角矩阵，可知矩阵A 与矩阵B 相似，那么()P B P BPP A m mm 11--==，从而可以使得不宜求的矩阵简单化。
矩阵的合同,等价与相似
矩阵的合同，等价与相似一、矩阵的合同，等价与相似的定义、性质及判定条件（一）矩阵的等价：1、定义：若矩阵A 可以经过有限次初等变换化为B ，则称矩阵A 与B 等价，记为A B ≅。
2、性质：（1）反身性：即A A ≅.（2）对称性：若A B ≅，则B A ≅（3）传递性：即若A B ≅，B C ≅，则A C ≅（4） 若A 为m n ⨯矩阵，且()r A r =，则一定存在可逆矩阵P （m 阶）和Q （n 阶），使得000rm nI PAQ B ⨯⎛⎫==⎪⎝⎭.其中r I 为r 阶单位矩阵. （5） 设A B 、是两m n ⨯矩阵，则A B ≅当且仅当()()r A r B =3、判定：矩阵等价的充要条件：两个s n ⨯矩阵,A B 等价的充要条件为：存在可逆的s 阶矩阵p 与可逆的n 阶矩阵Q ，使B PAQ =由矩阵的等价关系，可以得到矩阵A 与B 等价必须具备的两个条件： （1）矩阵A 与B 必为同型矩阵（不要求是方阵）.（2）存在s 阶可逆矩阵p 和n 阶可逆矩阵Q , 使得B PAQ =.（二）矩阵的合同： 1、定义：两个n 阶方阵A,B ，若存在可逆矩阵P ，使得A B ≅P T AP B =成立，则称A,B 合同，记作A B ≅该过程成为合同变换。
2、性质：（1）反身性：任意矩阵A 都与自身合同.（2）对称性：如果B 与A 合同，那么A 也与B 合同.（3）传递性：如果B 与A 合同，C 又与B 合同，那么C 与A 合同. 因此矩阵的合同关系也是等价关系，而且由定义可以直接推得：合同矩阵的秩等.（4） 数域F 上两个二次型等价的充要条件是它们的矩阵合同. （5） 复数域上秩为r 的二次型，可以用适当的满秩线性变换化为标准形： 22212r f y y y =++3、判定定义2 设,A B 均为数域p 上的n 阶方阵，若存在数域p 上的n 阶可逆矩阵p ，使得T P AP B =,则称矩阵为合同矩阵（若数域p 上n 阶可逆矩阵p 为正交矩阵），由矩阵的合同关系，不难得出矩阵A 与B 合同必须同时具备的两个条件： (1) 矩阵A 与B 不仅为同型矩阵，而且是方阵. (2) 存在数域p 上的n 阶矩阵p ,T P AP B =（三）矩阵的相似 1、定义：n 阶方阵A,B ，若存在一个可逆矩阵P 使得1B P AP -=成立，则称矩阵A,B 相似，记为~A B 。
矩阵的合同与相似及其等价条件汇总
矩阵的相似与合同及其等价条件研究（数学与统计学院（数学与统计学院 09 09级数学与应用数学一班）指导老师：王晶晶引言矩阵的相似与合同及其等价三者在线性代数中是很重要的概念，在线性代数的学习中，矩阵的相似与合同作为研究工具，得到广泛的应用[1-10]，起着非常重要的作用，能够把要处理的问题简单化[9]，本文对矩阵的等价，合同，相似进行了简单的介绍并对其判别方法给了具体的例子进行解释说明，对矩阵的应用学习有一定的帮助其判别方法给了具体的例子进行解释说明，对矩阵的应用学习有一定的帮助. .1 矩阵的等价与相似及其合同的基本概念1.1矩阵等价的定义[1]定义 1.1 1.1 如果矩阵如果矩阵A 可以有矩阵B 经过有限次初等变换得到，称A 与B 是等价的.由于要与矩阵的相似，合同进行比较，上述概念可以约束条件得到：定义1.2 1.2 如果如果n 阶矩阵A 可以由n 阶矩阵B 进过有限次初等变换得到，则称A 与B 是等价的是等价的. .根据初等变换和初等矩阵的关系以及可逆矩阵的充分必要条件，可以用数学语言描述：定义1.3 1.3 设矩阵设矩阵A ,B 为n 阶矩阵，如果存在n 阶可逆矩阵P 和Q ,使得B PAQ =,则称矩阵A 与B 等价，记作A ∽B . 1.2 矩阵相似的定义[2]定义 1.4 1.4 设矩阵设矩阵A ，B 为n 阶矩阵，如果存在一个是n 阶可逆矩阵P ，使得B AP P =-1,则称矩阵A 与矩阵B 相似，记作A ～B .1.2.1 n 阶矩阵的相似关系，具有下列性质[3]:性质1.1 1.1 反身性，即任一反身性，即任一n 阶矩阵A 与自身相似与自身相似. .性质1.2 1.2 对称性，即如果对称性，即如果A ～B ，则B ～A . 性质1.3 1.3 传递性，如果传递性，如果A ～B ，B ～C ，则A ～C . 性质1.4P A k AP P k P A k A k P 221122111)(+=+--. . （（21,k k 是任意常数）性质1.5 ))(()(2111211P A P P A P P A A P ---=.性质1.6 若矩阵A 与矩阵B 相似，则m A 与mB 相似相似. . . （（m 为正整数）为正整数）证明证明 存在一个可逆矩阵存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，那么，那么()P A P B APPmmm11--==，故可以得到mA 与相mB 相似相似. .性质1.7 1.7 如果矩阵如果矩阵A 、B 都是满秩，则A ～B ，那么1-B ～1-A . 证明证明 存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，那么()P A P B APP11111-----==，故可以得到1-B ～1-A .性质1.8 1.8 如果矩阵如果矩阵A ～B ，那么B A =.证明证明 存在一个可逆矩阵存在一个可逆矩阵P ，使得B AP P =-1，又因为B AP P =-1，11=-P P ，故可以得到B A =.性质1.9 1.9 相似矩阵或者都可逆，或者都不可逆相似矩阵或者都可逆，或者都不可逆相似矩阵或者都可逆，或者都不可逆..并且当它们都可逆时候，它们的逆矩阵也相似逆矩阵也相似. .证明证明 设AP P B 1-=，若矩阵B 可逆，()P A P APPB 11111-----==，从而1-B 和1-A也相似也相似. .若B 不可逆，则AP P 1-不可逆，即A 也不可逆也不可逆. .性质1.10 相似矩阵有相同的特征值相似矩阵有相同的特征值. .证明证明 设AP P B 1-=，AP P EP P B E 11---=-l l()P A E P -=-l 1AE -=l故矩阵A 的特征值与矩阵B 有相同的特征值有相同的特征值. .性质1.11 相似矩阵有相同的迹相似矩阵有相同的迹. .证明证明 可以设矩阵A 与矩阵B 相似，那么存在一个可逆矩阵P ,使得B AP P =-1，()()AP Pt B t rr 1-=()PAPt r1-=()A t r =例 1 ÷÷øöççèæ=3002A ，÷÷øöççèæ=2003B ，求分别求矩阵A 、B 的特征多项式，特征值秩的特征多项式，特征值秩,,迹，行列式，矩阵A 与B 是否相似，它们之间有什么关系？是否相似，它们之间有什么关系？解 从已知可知从已知可知63002==A ，,2)(=A Rank 5)(=A t r对于A 的特征多项式32--=-l l l A E )3)(2(--=l l故A 的特征值为2和3.对于矩阵B ,62003==B ，,2)(=B Rank 5)(=B t r矩阵B 的特征多项式)3)(2(23--=--=l l l l B .故矩阵B 的特征值是2和3.存在一个可逆矩阵存在一个可逆矩阵÷÷øöççèæ=0110P 使得B AP P =-1，从定义矩阵B 与矩阵A 相似相似.. 从结果看到相似矩阵有相同的特征多项式、相同的特征值、相等的行列式的值、相等的迹[2-4].例2 设实数域上的3级实对称矩阵÷÷÷øöçççèæ------=124242421A ，对角矩阵÷÷÷øöçççèæ-=400050005B .求矩阵A 、B 的特征值，特征多项式并且矩阵A 与矩阵B 相似吗？如果相似求出可逆矩阵P .解 由矩阵由矩阵A 的特征多项式为11020242421124242421-+---=---l l l l l l l100242421---=l l l )4()5(2+-=l l 故矩阵A 的特征值为5和—和—4. 4.容易知道矩阵B 的特征多项式和矩阵A 的相同，的相同，故矩阵B 的特征值为5和-4.-4.那么存在一个可逆矩阵那么存在一个可逆矩阵P ,÷÷÷÷÷÷øöççççççèæ--=325310315152552325154551P 验证得到B AP P =-1，那么矩阵A 与矩阵B 相似，它们有相同的特征值和特征多项式相似，它们有相同的特征值和特征多项式. . 1.3 矩阵合同的定义[2]定义1.5 设A ，B 为n 阶矩阵，如果存在一个n 阶可逆矩阵C ，使得B AC C T=，则称A 与B 合同，记作B A @. n 阶矩阵的合同关系具有下列性质：阶矩阵的合同关系具有下列性质：⑴ 反身性反身性: : : 即任一即任一n 级矩阵与自身合同级矩阵与自身合同. . ⑵ 对称性对称性: : : 即如即如A 与B 合同，则B 与A 合同合同. .⑶ 传递性传递性: : A 与B 合同，B 与C 合同，则A 与C 合同合同. . ⑷ 合同的两矩阵有相同的二次型标准型合同的两矩阵有相同的二次型标准型. . ⑸ 任何一个实对称矩阵合同于一个对角矩阵任何一个实对称矩阵合同于一个对角矩阵. .⑹ 两个实对称矩阵合同，它们的秩相等，而且正惯性指数相等两个实对称矩阵合同，它们的秩相等，而且正惯性指数相等. .2. 合同矩阵与相似矩阵的关系2.1 矩阵的相似与合同的相同点[5].⑴ 从上面可以看到，相似关系满足反身性、对称性、传递性；合同关系也具有从上面可以看到，相似关系满足反身性、对称性、传递性；合同关系也具有反身性、对称性、传递性反身性、对称性、传递性. .⑵ 相似相似相似 、合同矩阵均有相同的秩、合同矩阵均有相同的秩. .若矩阵若矩阵A 相似与矩阵B ，则)()(B Ra n k A Ra n k=，若矩阵A 合同于矩阵B ，则)()(B Ra n k A Ra n k =.可见，如果两个矩阵相似或合同，那么它们的秩相同可见，如果两个矩阵相似或合同，那么它们的秩相同. .⑶ 相似与合同的矩阵要求是同型的方阵相似与合同的矩阵要求是同型的方阵相似与合同的矩阵要求是同型的方阵. . 若矩阵若矩阵A 于矩阵B 相似，则要求A 、B 都是方阵；若A 合同与B ，则要求A 、B 都方阵方阵..就是说相似与合同的矩阵要求是同型矩阵，而且都是方阵就是说相似与合同的矩阵要求是同型矩阵，而且都是方阵. . 2.2 矩阵的相似与合同的不同点[5].矩阵的相似与合同有一些不同之处，如矩阵的相似与合同有一些不同之处，如A ～B ，则B A =，A 与B 有相同的特征值征值..但若A @B ，那么A 与B 的行列式的值不一定相等；A 与B 也不一定有相同的特征值征值..例1 1 设设÷÷÷øöçççèæ----=542452222A ,÷÷÷÷÷÷÷øöçççççççèæ---=32455032454513145252T ,÷÷÷øöçççèæ=1000010001B , 不难验证：不难验证：B AT T T=，有B A @.我们可以知道上面的矩阵等式满足矩阵的合同同时满足矩阵的相似，能够知道矩我们可以知道上面的矩阵等式满足矩阵的合同同时满足矩阵的相似，能够知道矩阵T 为正交矩阵，故A ～B ，矩阵A 的行列式可以等于B 的行列式，下面举出合同但是行列式不等的情况行列式不等的情况. .例2 ÷÷øöççèæ=3221A ，÷÷øöççèæ--=12441B ，÷÷øöççèæ-=2001C .经过验证可以知道经过验证可以知道1-=A ，4-=B ，然而B AC C T=，B A ¹，可以得到矩阵A 合同于B ，但是行列式可以不等，但是行列式可以不等. .我们知道矩阵相似具有相同的特征值，这是因为相似矩阵有相同的特征多项式我们知道矩阵相似具有相同的特征值，这是因为相似矩阵有相同的特征多项式我们知道矩阵相似具有相同的特征值，这是因为相似矩阵有相同的特征多项式. .我们设A ～B ，则有可逆矩阵P ，使得AP P B 1-=，于是，于是111()E B E P AP P E P P AP l l l ----=-=-=1()P E A P l --=E A l -故特征值相同故特征值相同. .然而对于矩阵然而对于矩阵A 合同与矩阵B ，但是它们的特征值不一定相同，但是它们的特征值不一定相同::例3 设÷÷÷÷øöççççèæ=121211A ，÷÷øöççèæ=43001B ，÷÷øöççèæ-=10211C 不难验证不难验证B AC C T=,即B A @，但是A 的特征值为21和23，B 的特征值为1和43 显然，矩阵的相似与矩阵的合同是不同的概念显然，矩阵的相似与矩阵的合同是不同的概念. .2.3 矩阵等价、合同与相似的联系[7].结论2.1 2.1 相似矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵相似矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵相似矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵. .证明 设n 级矩阵A 、B 相似，从定义知道存在n 阶矩阵P ，使得B AP P =-1，从等价的定义B A @.反过来，对于矩阵÷÷øöççèæ=010001A ，÷÷øöççèæ=010121B ，A 与B 等价，但是A 与B 并不相似.结论2.2 2.2 合同矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必是合同矩阵合同矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必是合同矩阵合同矩阵一定是等价矩阵，等价矩阵未必是合同矩阵. .证明证明 设设n 阶方阵B A ,合同，由定义1.5有，存在n 阶可逆矩阵1P ，使得B AP P T=1， 若记11,P Q P P T== , ,则有则有B PAQ =因此由定义1.3得到n 阶方阵B A ,等价等价. .反过来对于矩阵÷÷øöççèæ=1001A ,÷÷øöççèæ=1021B 等价，但是A 与B 并不合同，即等价矩阵未必合同．矩阵未必合同．2.4矩阵合同与相似的关系[7]结论 2.3 2.3 如果如果M 与N 都是n 级对称矩阵，且有相同的特征值，则M 与N 既合同又相似同又相似. .证明证明 设设M 、N 的特征值均为1l 、2l 、 n l ，因为M 与N 都是n 级实对称矩阵，则一定存在n 阶正交矩阵P ，使得：÷÷÷øöçççèæ=-n MP P l l 11同理，可以找到一个正交矩阵Q ，使得：，使得：÷÷÷øöçççèæ=-n NQ Q l l 11从上面两式有：从上面两式有：NQ Q MP P 11--=将上式两边分别左乘Q 和又乘1-Q ，得：，得：MPQ QP N 1`-= ()()11`1---=PQ M PQ由于由于 E QQ E PP TT==, 故 TPQ 可逆，又由于：可逆，又由于：（1111)()()TTPQ PQ PQ Q P ----=TTQP PQ =E =所以1-PQ 是正交矩阵是正交矩阵故M ～N N M @,结论2.4 2.4 若若n 阶矩阵A 与B 中只要有一个正交矩阵，则AB 与BA 相似且合同．相似且合同． 证明证明 不妨不妨A 是正交矩阵是正交矩阵,,则A 可逆取可逆取,,A P =, 有()()BA BA A A ABA A ABP P ===---111，则AB 与BA 相似，相似， 又A 是正交阵，所以AB 与BA 既相似又合同既相似又合同. .结论2.5 2.5 若若A ～B ,且B A @，C ～D 且D C @，则，则÷÷øöççèæC A 00～÷÷øöççèæD B 00，÷÷øöççèæ@÷÷øöççèæD B C A 0000证明证明 从已知，从已知，C ～B , C ～D ，故存在可逆矩阵1P ，2P 使得使得B APP=-111 DCP P =-212令 ÷÷øöççèæ=2100P P P 则 ÷÷øöççèæ=---1211100P P P且 ÷÷øöççèæ=÷÷øöççèæ---21211110000CP P APP P C A P÷÷øöççèæ=D B00 故 ÷÷øöççèæC A 00～÷÷øöççèæD B 00 又因为D C B A @@，，，故存在可逆矩阵1T ，2T ， 使得使得 1122,TT T AT B T CT D ==令÷÷øöççèæ=2100T T T 则 ÷÷øöççèæ=T TTT T T 2100 然而然而 112200000000T TT T A A T T T T C C T æöæöæöæö=ç÷ç÷ç÷ç÷èøèøèøèø 11220000TT T T T T æöæö=ç÷ç÷èøèø 11220000T T B T AT D T CT æöæö==ç÷ç÷èøèø 故 ÷÷øöççèæC A 00@÷÷øöççèæD B 003 相似矩阵的应用3.1 相似矩阵的简单应用[8]在矩阵mA 的求解过程中，很难得到它的值，然而可以找到与矩阵A 相似的简单的矩阵，可把矩阵化简为对角矩阵，使得BP P A 1-=，其中P 为可逆矩阵为可逆矩阵,,B 对角矩阵，可知矩阵A 与矩阵B 相似，那么()P B P BP P A mmm11--==，从而可以使得不宜求的矩阵简单化。
矩阵等价相似合同
矩阵等价相似合同矩阵等价相似合同是线性代数中的一个重要定理，它描述了在一定条件下，两个矩阵可以通过相似变换互相转换而保持其性质不变。
本文将对矩阵等价相似合同进行详细的介绍。
矩阵等价相似合同是线性代数中的一个基本定理，它在矩阵论和相关领域中有着广泛的应用和重要性。
矩阵的等价相似合同主要包括两部分内容：等价变换和相似变换。
等价变换是指通过一系列基本行列变换，将一个矩阵转换为标准形矩阵的过程。
这些基本行列变换包括互换两行（列）、某一行（列）乘以一个非零常数、某一行（列）加上（减去）另一行（列）的若干倍。
经过等价变换后的标准形矩阵具有某些特定的性质，如行阶梯形矩阵和行最简形矩阵等。
相似变换是指通过一个可逆矩阵P，将一个矩阵A转换为PAP^(-1)的过程。
这个过程将A通过线性变换P变换为另外一个矩阵，而且P具有可逆性。
相似变换后的矩阵PAP^(-1)与原矩阵A具有相同的特征值和特征向量，从而保持了矩阵的重要性质。
根据矩阵等价相似合同定理，如果两个矩阵A和B可以通过相似变换P，即PAP^(-1)=B，那么它们必然具有相同的特征值。
这意味着它们在某种程度上可以看作是“相等”的，因为特征值是矩阵的一个重要属性。
具体来说，对于一个n阶矩阵A，如果存在一个可逆矩阵P使得PAP^(-1)是一个对角矩阵D，那么A与D是相似的。
这个对角矩阵D的主对角线上的元素就是A的特征值。
这个过程称为矩阵的特征值分解（eigenvalue decomposition）。
矩阵等价相似合同定理的应用非常广泛。
在物理学中，矩阵等价相似合同定理可以用于描述量子力学中的态矢量和算符矩阵之间的关系。
在电路理论和控制工程中，矩阵等价相似合同定理可以用于系统的稳定性分析和控制设计。
在图像处理和模式识别中，矩阵等价相似合同定理可以用于特征提取和聚类分析。
总之，矩阵等价相似合同定理是线性代数中的一个重要定理，它描述了在一定条件下，两个矩阵可以通过相似变换互相转换而保持其特征值和特征向量不变。
二次型及应用问题1矩阵的等价相似合同辨析答两个矩阵等
二次型及应用问题1：矩阵的等价、相似、合同辨析答：（1） 两个矩阵等价：A 和B 等价，即表示为A B ≅；A B 和是同型矩阵；满足，,PAQ B P Q =、可逆，即将A 通过行初等变化和列初等变换后得到B 的矩阵，其中()()r A r B =。
（2） 两个矩阵相似：A 和B相似，即表示为；A B 和是n 阶方阵；满足，1,P AP B P -=可逆， 即也A B ≅，其中，()(r A r B =A B =（3） 两个矩阵合同：A 和B 合同，即表示为A B ；A B 和是n 阶方阵；满足，,T P AP B P =可逆， 即也A B ≅，其中，()()r A r B =问题2：通过正交变换或可逆变换得到的标准形一样吗？答：不同点：i) 正交变换得到的实二次型的标准形：对角线元素是实对称阵的特征值；且标准形在不计特征值顺序时是唯一的。
ii) 可逆线性变换得到的实二次型的标准形：对角元素不一定是实对称阵的特征值，且其形式也不唯一。
相同点：i)平方项中非零项的个数相同ii)平方项中正（负）项的个数相同问题3： 判断下面三个矩阵那些相似？哪些合同？-2101100121123322A B C ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥==--=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦、、 i. A 是对角阵，A 是上三角阵，且有3个互异特征值与A 相同，所以B 可以相似对角阵为A 。
即A 与B 相似。
ii. 因为A 是对角阵，所以与A 合同的矩阵必然是对称阵，而B 不是对称阵，A 与 B 不合同。
iii. 又因为0E C λ-= 得1232,1,3λλλ=-== ，C 是又实对称矩阵,所以存在正交矩阵Q ，使得1,T Q CQ Q CQ A -== C 与A 既相似又合同，在由传递性可知, C与B 也相似。
但C 与B 不合同，因为C 是对称阵，与对称阵合同的矩阵必然是对称阵，而B 不是对称阵， 所以C 与B 不是合同矩阵。
2024版矩阵等价相似合同
2024版矩阵等价相似合同甲方（提供方）：________________________乙方（接受方）：_______________________鉴于甲方拥有特定矩阵等价相似技术，乙方有意愿使用该技术，双方经协商一致，就矩阵等价相似技术的使用达成如下合同条款：第一条定义1.1 矩阵等价相似技术：指甲方拥有的，能够通过数学方法证明两个矩阵在某种意义上具有相同特征的技术。
1.2 技术使用权：指甲方授予乙方在合同约定范围内使用矩阵等价相似技术的权利。
第二条技术使用范围2.1 乙方有权在合同约定的范围内使用矩阵等价相似技术进行研究、开发和商业化。
2.2 技术使用范围不包括但不限于：教育、科研、工业生产等领域。
第三条技术交付3.1 甲方应于合同签订后____天内，向乙方提供完整的矩阵等价相似技术资料。
3.2 甲方提供的技术资料应包括但不限于：技术文档、源代码、操作手册等。
第四条技术保密4.1 乙方应严格保密甲方提供的矩阵等价相似技术资料。
4.2 未经甲方书面同意，乙方不得向第三方泄露、转让或以其他方式使用该技术。
第五条技术改进5.1 乙方在技术使用过程中，如对矩阵等价相似技术进行改进，应书面通知甲方。
5.2 双方应就改进后的技术转让或使用达成新的协议。
第六条技术支持与维护6.1 甲方应提供必要的技术支持，确保乙方能够顺利使用矩阵等价相似技术。
6.2 甲方应定期对矩阵等价相似技术进行维护和升级。
第七条费用及支付7.1 乙方应向甲方支付技术使用费，具体金额为人民币（大写）：______________________。
7.2 技术使用费支付方式为：______________________。
第八条违约责任8.1 如乙方违反保密条款，应向甲方支付违约金人民币（大写）：______________________。
8.2 如甲方未能按期提供技术资料，应按合同金额的____%向乙方支付违约金。
第九条争议解决9.1 本合同在履行过程中发生争议，双方应协商解决；协商不成的，提交甲方所在地人民法院诉讼解决。
矩阵的等价,合同,相似的联系与区别
目录之青柳念文创作摘要I引言11矩阵间的三种关系11.1 矩阵的等价关系11.2 矩阵的合同关系11.3. 矩阵的相似关系22 矩阵的等价、合同和相似之间的接洽3 3矩阵的等价、合同和相似之间的区别5竣事语6参考文献6摘要:等价、合同和相似是矩阵中的三种等价关系，在矩阵这一知识块中占有无足轻重的地位.矩阵可逆性、矩阵的对角化问题、求矩阵特征根与特征向量、化二次型的尺度形等诸多问题的处理都要依赖于这三种等价关系. 根据等价、合同和相似的接洽的研究的结论是其一可操纵等价矩阵的性质来确定相似矩阵或合同矩阵的性质．其二可操纵正交相似与正交合同的一致性，得到二者间彼此的转化．关键词:矩阵的等价;矩阵的相似;矩阵的合同;等价条件引言：在高等代数中，讨论了矩阵的三种分歧关系，它们分别为矩阵的等价、矩阵的相似和矩阵的合同等关系．本文首先先容了这三种关系以及每种关系的定义，性质，相关定理及各自存在的条件，然后给出了这三种矩阵关系间的接洽，即相似矩阵、合同矩阵必为等价矩阵，相似为正交相似，合同为正交合同时，相似与合同一致．还有矩阵的相似与合同之等价条件．并对这些结论作了相应的实际证明，最后给出了他们的区别和不变量.1矩阵间的三种关系1.1 矩阵的等价关系定义1 两个s n ⨯矩阵,A B 等价的充要条件为：存在可逆的s 阶矩阵p 与可逆的 n 阶矩阵Q ，使B PAQ =由矩阵的等价关系，可以得到矩阵A 与B 等价必须具有的两个条件：（1）矩阵A 与B 必为同型矩阵（不要求是方阵）.（2）存在s 阶可逆矩阵p 和n 阶可逆矩阵Q , 使得B PAQ =.性质1（1）反身性：即A A ≅.（2）对称性：若A B ≅，则B A ≅（3）传递性：即若A B ≅，B C ≅，则A C ≅定理1若A 为m n ⨯矩阵，且()r A r =，则一定存在可逆矩阵P （m 阶）和Q （n 阶），使得000r m nI PAQ B ⨯⎛⎫== ⎪⎝⎭.其中r I 为r 阶单位矩阵. 推论1设A B 、是两m n ⨯矩阵，则A B ≅当且仅当()()r A r B =.1.2 矩阵的合同关系定义2 设,A B 均为数域p 上的n 阶方阵，若存在数域p 上的n 阶可逆矩阵p ，使得T P AP B =,则称矩阵为合同矩阵（若数域p 上n 阶可逆矩阵p 为正交矩阵），由矩阵的合同关系，不可贵出矩阵A 与B 合同必须同时具有的两个条件：(1) 矩阵A 与B 不但为同型矩阵，而且是方阵.(2) 存在数域p 上的n 阶矩阵p ,T P AP B =性质2（1）反身性：任意矩阵A 都与自身合同.（2）对称性：如果B 与A 合同，那末A 也与B 合同.（3）传递性：如果B 与A 合同，C 又与B 合同，那末C 与A 合同.因此矩阵的合同关系也是等价关系，而且由定义可以直接推得：合同矩阵的秩等.定理2数域F 上两个二次型等价的充要条件是它们的矩阵合同.定理3复数域上秩为r 的二次型，可以用适当的满秩线性变换化为尺度形：22212r f y y y =++1.3. 矩阵的相似关系定义3 设,A B 均为数域p 上n 阶方阵，若存在数域p 上n 阶可逆矩阵p 使得B AP P =-1,则称矩阵A 与B 为相似矩阵（若n 级可逆矩阵p 为正交阵，则称A 与B 为正交相似矩阵）由矩阵的相似关系，不可贵到矩阵A 与B 相似，必须同时具有两个条件(1) 矩阵A 与B 不但为同型矩阵，而且是方阵(2) 在数域p 上n 阶可逆矩阵P ，使得B AP P =-1性质3(1)反身性 T A E AE =;(2)对称性 由T B C AC =即得()11TA C BC --=; （3）传递性111T A C AC =和2212T A C AC =即得()()21212TA C C A C C 总之，合同是一种矩阵之间的等价关系，而且颠末非退化的线性替换，新二次型的矩阵与原二次型矩阵是合同的.(4)11111221122()P k A k A P k P A P k P A P ---+=+（其中12,k k 是任意常数）；(5）1111212()()()P A A P P A P P A P ---=；(6）若A 与B 相似，则m A 与m B 相似（m 为正整数）；(7)相似矩阵有相同的秩，而且，如果1B P AP -=为满秩矩阵，那末11111()B P AP P A P -----==.即满秩矩阵如果相似，那末它们的逆矩阵也相似.(8）相似的矩阵有相同的行列式；因为如果1B P AP -=，则有：11B P AP P A P A --===(9）相似的矩阵或者都可逆，或者都不成逆；而且当它们可逆时，它们的逆矩阵相似；设1B P AP -=，若B 可逆，则11111()B P AP PA P -----==从而A 1B -与1A -相似.若B 不成逆，则1()P AP -不成逆，即A 也不成逆.下面这个性质是一个重要的结论，因此我们把它写成以下定理定理4相似矩阵的特征值相同.推论3相似矩阵有相同的迹. 2 矩阵的等价、合同和相似之间的接洽（1） 由以上三种矩阵间的关系的定义，可以知道每种矩阵关系存在所必须具有的条件，但是这三种关系彼此间存在着紧密亲密的接洽定理5相似矩阵必为等价矩阵，等价矩阵未必为相似矩阵．证明： 设n 阶方阵,A B 相似，由定义3知存在n 阶可逆矩阵1P ，使得111P AP B -=，此时若记11P P -=,1Q P=,则有PAQ B =,因此由定义1得到n 阶方阵,A B 等价反过来，对于矩阵100010A ⎛⎫= ⎪⎝⎭,121010B ⎛⎫= ⎪⎝⎭等价，但是A 与B 其实不相似，即等价矩阵未必相似．定理 6 对于n 阶方阵,A B ，若存在n 阶可逆矩阵,P Q 使PAQ B =,(即A 与B等价)，且PQ E =(E 为n 阶单位矩阵)，则A 与B 相似．证明：设对于n 阶方阵A 与B ,若存在n 阶可逆矩阵,P Q ,使PAQ B =,即A 与B 等价．又知PQ E =,若记11P P -=,那末1Q P=,也即111P AP B -=,则矩阵,A B 也相似． 定理7合同矩阵必为等价矩阵，等价矩阵未必为合同矩阵．证明： 设n 阶方阵,A B 合同，由定义2有，存在n 阶可逆矩阵1P ，使得11T P AP B =，若记1T P P =,1Q P=,则有PAQ B =因此由定义1得到n 阶方阵,A B 等价 反过来对于矩阵1001A ⎛⎫= ⎪⎝⎭,1201B ⎛⎫= ⎪⎝⎭等价，但是A 与B 其实分歧同，即等价矩阵未必合同．定理8正交相似矩阵必为合同矩阵，正交合同矩阵必为相似矩阵．证明：若存在一个正交矩阵P ,即T P P E =使得1P AP B -=即~A B ，则有1T B P AP P AP -==，即A 与B 合同.同理，若存在一个正交矩阵P ，即T P P E =使得T P AP B =即A 与B 合同，则有1~T B P AP P AP A B -==⇒由此可得1.相似阵、合同阵必为等价阵，但过来必成立2.相似阵为正交相似，合同阵为正交合同时，相似与合同一致.（2）但相似矩阵与合同矩阵有着一定的内涵接洽，如果二者都具有反身性、对称性和传递性，即二者都是等价关系．别的，在一定条件下，二者是等价的．若矩阵A 与B 正交相似，则它们既是相似也是合同的．对于相似与合同矩阵之等价条件有以下定理，定理9如果A 与B 都是n 阶实对称矩阵，且有相同的特征根．则A 与B 既相似又合同．证明：设A 与B 的特征根均为n λλλ ,,21因为A 与n 阶实对称矩阵，则一定存在一个n 阶正交矩阵 Q 使得⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-n AQ Q λλλ..211同理，一定能找到一个正交矩阵P 使得⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-n BP P λλλ..211从而有BP P AQ Q 11--=将上式双方左乘P 和右乘1-P ,得()()()1111111-------===QP A QP QP AQP PQ B 由于T Q Q E =,T P P E =,1P P E -=有()()()()1111111T T T T QP QP P Q QP P EP PP E -------====,所以，1-P Q 是正交矩阵，由定理8知A 与B 相似．定理10若n 阶矩阵A 与B 中只要有一个正交矩阵，则AB 与BA 相似且合同． 证明：无妨设A 是正交矩阵，则A 可逆，取U A =,有()()111U ABU A ABA A A BA BA ---===，则AB 与BA 相似，又知A 是正交阵，所以AB 与BA 既相似又合同．定理11若A 与B 相似且又合同，C 与D 相似也合同，则有⎪⎪⎭⎫⎝⎛C A 00与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00既相似又合同． 证明:因为A 与B ,C 与D 相似，故存在可逆矩阵1P ,2P ，使111122,P AP B P CP D --==,令1200P P P ⎛⎫= ⎪⎝⎭,则1111200P P P ---⎛⎫= ⎪⎝⎭且10000A B P P C D -⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,故⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00相似． 又因为A 与B 合同，C 与D 合同,故存在可逆矩阵12,Q Q ,122,T T Q AQ B Q CQ D ==令1200Q Q Q ⎛⎫= ⎪⎝⎭而1200T T T Q Q Q ⎛⎫= ⎪⎝⎭11112222000000000000T T T T T Q Q A A Q Q A Q Q Q Q C C Q Q C ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 11220000T T B Q AQ D Q CQ ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 故⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛C A 00与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D B 00合同． 3矩阵的等价、合同和相似之间的区别1、矩阵等价：a.同型矩阵而言b.一般与初等变换有关c.秩是矩阵等价的不变量，其次，两同型矩阵相似的实质是秩相等2、矩阵相似：a.针对方阵而言b.秩相等是需要条件c.实质是二者有相等的不变因子3、矩阵合同：a.针对方阵而言，一般是对称矩阵b.秩相等是必须条件c.实质是秩相等且正惯性指数相等，即尺度型相同由以上知，秩是矩阵等价的不变量；不变因子是矩阵相似的不变量；特征值是可对角化矩阵相似的不变量，正负惯性指数是对称矩阵合同的不变量，等价关系最弱、合同与相似是特殊的等价关系.由相似和合同一定可以推出等价，而反之不成立.相似与合同不成互推，需要一定的条件.而且等价是颠末有限次初等变换变得；相似纷歧定会都与对角阵相似，相似矩阵可看做是同一线性变换在分歧基下的矩阵；合同可以通过二次型的非退化的线性替换来懂得.竣事语：矩阵中的这三种关系，在高等代数中是至关重要的，他们既包含着接洽，又蕴涵着不同.相似矩阵、合同矩阵必为等价矩阵，等价矩阵纷歧定是相似矩阵也纷歧定是合同矩阵；相似为正交相似，合同为正交合同时，相似与合同一致；秩是矩阵等价的不变量；不变因子是矩阵相似的不变量，特征值是可对角化矩阵相似的不变量，正负惯性指数是对称矩阵合同的不变量.参考文献：[1]张禾瑞.高等代数[M].北京：高等教导出版社,1983.[2]姚慕生.高等代数学[M].复旦：复旦大学出版社,1999.[3][M].北京：高等教导出版社，1988 .[4][M].北京：迷信出版社，2006.[5]同济大学教研室. 线性代数[M].北京：高等教导出版社.，2001.[6][M].重庆：重庆大学出版社.，1994.。
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矩阵相似合同等价篇一：如何判断矩阵的等价,相似,合同？如何矩阵的等价,相似,合同？(1)A与B等价:A可以经一系列初等变换得BPAQBr(A)r(B)(A,B同型,P,Q可逆.)判断等价只需同型且秩相等.(2)A与B相似:P1APB,P可逆.相似有四个必要条件:秩相同,特征值相同,特征多项式相同,行列式相同，如何判断两个一般的矩阵是否相似，考研大纲并不要求，但是如果A,B相似于相同的对角阵，则由相似关系有传递性知A,B相似.(3)A与B合同(仅限于对称矩阵):CTACB(C可逆)A与B 的正负惯性指数相同.判断合同前提都是实对称矩阵，然后判断正负特征值的个数是否完全相同，也即正负惯性指数相同即可. 注:A,B合同A,B等价 1011A,B相似A,B等价,例A,B等价但不相似0101在A,B实对称的前提下,A,B相似A,B合同.【例1】判定下列矩阵哪些等价，哪些相似, 哪些合同111110100000A000,B001,C000,D011.000000000011【解】先看等价：r(A)1,r(B)2,r(C)1,r(D)1，故A,C,D 等价.再看相似：r(A)r(C)r(D)1,r(B)2,排除B，考虑A,C,D，A,C的特征值为1,0,0，D的特征值为2,0,0，从而排除D仅仅考虑A,C，A的特征值为1,0,0，且二重特征值0对应两个线性无关的特征向量。
100A相似于对角阵C000，从而A,C相似.000最后看合同：合同仅限对称阵，仅仅考虑C,D，C的特征值为1,0,0，D的特征值为2,0,0，C的正惯性指数为1,负惯性指数为0，D的正惯性指数也为1,负惯性指数为0，C,D合同.111300【例2】判断A111,B000是否等价，相似,合同, 111000【解】r(A)r(B)1，二者等价；300A为对称阵一定相似于对角阵B000；从而A一定合同于对角阵B. 000篇二：矩阵间合同、等价、相似的联系与区别学号：矩阵间合同、等价、相似的联系与区别20XX年05月矩阵间等价、合同、相似的联系与区别xxxX摘要本文将要分三个步骤来逐步深入的探究矩阵间的三种关系及区别：首先，简要介绍矩阵作为高等师范院校数学与应用数学专业的基础学科的重要性,以及这一学科知识的理论性及应用性的特点；其次，简要介绍矩阵的概念及基本运算，给出矩阵的秩和逆的解法；最后，给出矩阵等价、合同、相似的定义，根据定义分析三者之间的联系与区别，并进一步给出具体例子使同学们有更加深刻的印象，组织学习小组联系实际自主学习将书面知识向实际能力转化，以自主创新的态度来对待生活中的难题,形成新思维使我们在未来学习工作中越走越顺.关键词矩阵、矩阵的等价、矩阵的相似、矩阵的合同The connection and distinction among three relationships of matricesthose are equivalent, contract, similarZhu Yan(College of Mathematics and Information Science, Henan Normal University, Xinxiang Henan 453007,China) Abstract The paper is divided into three steps to gradually in-depth exploration of three kinds of relationships among matrices and these differences: First, we have briefly introduced the importance of thematrix as a professional basis discipline in Normal Colleges and Applied Mathematics in the paper, meanwhile, we have introduced the knowledge of this discipline included it’s theory and application characteristics; Second, we have briefly introduced the concepts and basic operations of the matrix in the paper then the solution of the question about the rank of the matrix and the inverse are given in the paper; Finally, we have introduced definitions of the matrix’s equivalent, contract and similar in this paper, then, according to the definition we analyse the contact and distinction among those relationships , and further offers specific examples to analyse, so that students will have a more profound impression. Organized study groups practice self-learning and transforming the written knowledge to the actual ability of independent innovation attitude to deal with the problems in life, the formation of new thinking to make our future study and work farther and Shun.Keywordsmatrix; matrix contract ; matrix equivalent; matrix similarity目录前言 1 1矩阵的简介 1矩阵的简介1矩阵的运算矩阵乘积的行列式与秩矩阵的逆2 矩阵间的三种关系矩阵的等价矩阵的合同矩阵的相似 3 矩阵的等价、合同、相似之间的联系与区别矩阵间等价、相似、合同之间的联系矩阵的等价、相似、合同之间的区别 4 总结参考文献致谢2 6 7 8 8 9 9 11 11 13 14 16 17前言随着科技的高速发展，数学在生产生活中的应用愈加宽广和深入，其中在经济方面尤为突出，马克思曾说过:“一门学科只有成功地应用了数学时,才真正达到了完善的地步”.矩阵的作为高等师范院校数学与应用数学专业的基础内容,是高等代数的中心内容, 同时也是数学科学联系实际的主要桥梁之一.矩阵既是高等代数这一门数学专业课的重要内容,也是理、工科高等数学的基础,随着我国科技进步和现代化建设的飞速发展,医、农、工以至经济等社会科学各专业学生和工作人员,也越来越需要掌握它的基本理论与方法了. 矩阵概念在生产实践中也有许多应用，比如矩阵图法以及保护个人帐号的矩阵卡系统（由深圳域提出）等等.“矩阵”的本意也常被应用，比如监控系统中负责对前端视频源与控制线切换控制的模拟设备也叫矩阵.矩阵就是可以将多个变量放在矩阵中，然后通过具体数据和关系构建矩阵方程，这在数学建模中很重要，可以解决许多实际问题.本文将对矩阵的合同、矩阵的相似及矩阵的等价，这三类矩阵之间的关系就能行了解和探讨，并总结这三者的联系与区别. 1矩阵的简介矩阵的简介矩阵(Matrix)本意是子宫、控制中心的母体、孕育生命的地方.在数学上，矩阵是指纵横排列的二维数据表格，最早来自于方程组的系数及常数所构成的方阵.这一概念由19世纪英国数学家凯利首先提出.1812年柯西引入矩阵概念以来 ,矩阵理论已成为数学发展中的一个重要分支 ,既是学习经典数学的基础 ,又是一门最有实用价值的数学理论 ,并且已成为现代科技领域处理大量有限维空间形式与数量关系的强有力的工具 .《线性代数》作为高等院校理工科学生必修的一门科目而矩阵在线性代数中处于核心地位.由参考文献[1]、[2] 我们看到，在线性方程组的讨论中，线性方程组的一些重要性质反映在它的系数矩阵和增广矩阵的性质上，并且解线性方程组的过程也表现为变换这些矩阵的过程.除了线性方程组之外，还有大量的各种各样的问题也都提出矩阵的概念，并且这些问题的研究常常反映为有关矩阵的某些方面的研究，甚至于有些性质完全不同的、表面上完全没有联系的问题，归结成矩阵问题以后却是相同的.这使矩阵成为数学中一个极其重要的应用广泛的概念，因而也就使矩阵成为代数特别是线性代数的一个主要研究对象.用大写的拉丁字母A,B,，或者aij,bij,来表示矩阵.有时候，为了指明所讨论的矩阵的级数，可以把sn矩阵写成Asn,Bsn,，或者aijsn,bijsn, (注意矩阵符号与行列式的符号的区别).设Aaijmn,bijlk，如果ml,nk，且aijbij，对i1,2,,m;j1,2,,n都成立，我们就说AB.即只有完全一样的矩阵才叫做相等.矩阵的运算现在来定义矩阵的运算，以下定义在参考文献[3]—[6]中均有出现,这些运算是矩阵之间一些最基本的关系.下面要定义矩阵的加法、乘法、矩阵与数的乘法以及矩阵的转置.为了确定起见，我们取定一个数域，以下所讨论的矩阵全是由数域中的数组成的.1. 加法定义1 设a11a12a1na22a2naAaijsn21as1as2asn是两个sn矩阵，则矩阵Ccijsnaijbijsnb11b12b1nb21b22b2n,Bbijsnbs1bs2bsna11b11a12b12a1nb1na22b22a2nb2nab2121abas2bs2asnbsns 1s1称为A和B的和，记为CAB.相加的矩阵必须要有相同的行数和列数.矩阵的加法就是矩阵对应的元素相加，也就是数的加法，所以它有篇三：矩阵的合同,等价与相似的联系与区别矩阵的合同，等价与相似的联系与区别20XX09113 李娟娟一、基本概念与性质（一）等价：1、概念。
若矩阵A可以经过有限次初等变换化为B，则称矩阵A与B等价，记为AB。
2、矩阵等价的充要条件：AB{同型，且人r(A)=r(B) 存在可逆矩阵P和Q，使得PAQ=B成立3、向量组等价，两向量组等价是指两向量组可相互表出，有此可知：两向量组的秩相同，但两向量组各自的线性相关性却不相同。