兩個實對稱矩陣可同時合同對角化的條件

羅高駿,周 良

(湖北師范學院 數學與統計學院， 湖北 黃石 435002)

兩個實對稱矩陣可同時合同對角化的條件

羅高駿,周 良

(湖北師范學院 數學與統計學院， 湖北 黃石 435002)

矩陣對角化是高等代數研究的重要課題之一。對于一個矩陣對角化的問題, 許多文章已得到了很好的結果。給出了一系列兩個實對稱矩陣可同時合同對角化的充分和充要條件。

實對稱矩陣；同時合同對角化；對角矩陣

1 引言與引理

如果矩陣A和它的轉置矩陣A′相等，那么就稱A為對稱矩陣。

對于數域P上的兩個n級方陣A，B，如果存在數域P上的n級可逆方陣C，使得B=C′AC，那么稱A合同于B.

可對角化矩陣是線性代數和矩陣論中重要的一類矩陣，可對角化矩陣在線性代數中有重要的應用，因為對角矩陣特別容易處理: 它們的特征值和特征向量是已知的，并通過簡單的提升對角元素到同樣的冪來把一個矩陣提升為它的冪。

數域P上的任意一個對稱矩陣都合同于一對角矩陣(參看[1]第五章的定理2)。

對于數域P上的兩個n級方陣A，B，如果存在數域P上的n級可逆方陣C，使得C′AC和C′BC都是對角矩陣，那么稱A與B可同時合同對角化。

許以超先生在[3]的第十五章的定理4指出：兩個n級實對稱方陣A，B構成的λ- 矩陣A+λB合同于一個分塊對角矩陣，其中的對角塊由 以及五種標準塊構成(參見[3])。

由于對角矩陣是最簡單的分塊對角矩陣，因此本文研究兩個n級實對稱方陣在什么條件下可同時合同對角化？

關于實數域上的兩個n級對稱方陣A，B，能夠同時合同對角化的充分條件，眾所周知的有兩個:

引理1[2]設A，B都是n級實對稱方陣,如果AB=BA，那么存在一個n級正交矩陣T，使得T′AT和T′BT都是對角矩陣。

引理2[2]設A是n級正定方陣，B是n級實對稱方陣，那么存在一個的n級實可逆方陣C，使得C′AC和C′BC都是對角矩陣。

文獻[6]中的推論5指出：設A，B都為n級半正定實對稱陣，則存在實可逆方陣C，使得C′AC和C′BC都是對角矩陣。

本文更深入地研究了實數域上兩個n級實對稱方陣可同時合同對角化的充分和充分必要條件。

2 主要結果

定理1[4]設A，B為n級實對稱方陣, 則A，B可同時合同對角化的充要條件是存在n級正定的實對稱方陣H, 使得AHB=BHA.

證明 “? ” 設A，B可同時合同對角化，則存在n級實可逆方陣P，使得P′AP，P′BP為對角矩陣，故P′APP′BP=P′BPP′AP，所以APP′B=BPP′A，即存在n級正定的實對稱方陣H=PP′, 使得AHB=BHA.

“? ” 設H為正定矩陣，則有可逆方陣P，使得H=PP′ .由APP′B=BPP′A，可得，

P′APP′BP=P′BPP′AP

而P′AP,P′BP為對稱矩陣且相乘可交換，故由引理1，可得P′AP，P′BP可同時合同對角化，所以，A,B可同時合同對角化。

定理2 設A，B為n級實對稱方陣,且A可逆，則A，B可同時合同對角化的充要條件是A-1B可相似對角化。

證明 “? ”設A，B可同時合同對角化，則存在n級實可逆方陣P，使得P′AP=Λ，P′BP=∑，Λ,Σ為n級對角矩陣。所以P-1A-1BP=Λ-1∑ ，即A-1B可相似對角化。

“? ” 設A-1B可相似對角化，即存在n級實可逆方陣C=(r1,r2,…rn),ri∈n以及對角矩陣∑=diag(λ1,λ2,…λn)，λi∈,使得C-1A-1BC=∑，即BC=AC∑且C′BC=C′AC∑ .

又假定相同的λi是排放在一起的，因而可設∑ 有如下形式

∑=diag(∑1,∑2,…∑k) ∑i=λiI,i=1,2,…,k且λ1,λ2,…,λk互不相同

如果你說中國不好，你就是西奴；如果你說美國好，你就是美狗；如果你要中國向美國學習你就是五美分；如果你說不想做中國人，就是十惡不赦的漢奸。但如果你什么都不說，悄悄把中國籍變成美國籍，你就是成功人士；如果你拿綠卡在美國街頭高喊“我愛你中國”，你就是令人敬佩的愛國主義者。——橘少Colin

選取適合1≤i,j≤k的任意i,j使λi≠λj，并考察恒等式C′BC=C′AC∑兩邊的i,j元。這就是

C′BC=diag(B1,B2…Bk)=C′AC∑=diag(λ1A1,λ2A2…λkAk)

令D=diag(C1,C2…Ck) ,Λ=diag(Λ1,Λ2,…Λk)則D是n級可逆方陣，Λ是對角矩陣，且D′C′BCD=∑Λ，D′C′ACD=Λ.即A，B可同時合同對角化。

推論1 設A，B為 級實對稱方陣,且B可逆，B-1A有n個互異的特征根，那么A，B可同時合同對角化。

證明 由B-1A有n個互異的特征根可知B-1A可相似對角化，所以由定理2可得A，B可同時合同對角化。

推論2 設A，B為n級不可逆的實對稱方陣，且存在λ0∈使得A+λ0B可逆，則A，B可同時合同對角化的充要條件是 (A+λ0B)-1B可相似對角化。

定理3[6]設A，B都為n級半正定實對稱陣，則存在n級實可逆矩陣C，使得C′AC和C′BC都是對角矩陣。

推論3 設A，B都為n級實對稱陣，且 0≤rank(A)，rank(B)≤1,那么A，B可同時合同對角化。

證明 由于0≤rank(A),rank(B)≤ 1，所以A，B為半正定矩陣，或者-A，B為半正定矩陣，或者A，-B為半正定矩陣，或者-A，-B為半正定矩陣，由定理5可知A,B可同時合同對角化。

推論4 設A，B都為n級實對稱陣，且對任何μ,v>0,μI+A,vI+B正定，那么A，B可同時合同對角化。

證明 由μI+A正定可得，μI+A的特征值μ+λi≥0 (λi為A的任意特征值)。由于μ為任意正數，故λi一定大于等于0,所以A是半正定的。同理B也是半正定的。由定理3可知 ，A,B可同時合同對角化。

通過引理3，我們可以考慮，如果將定理3中的條件減弱，那么A，B是否仍然可同時合同對角化？

定理4 設A為n級實半正定對稱方陣，B為n級實對稱方陣，記

因為B1-XB3X′ ，B3都是對稱矩陣，故分別存在r級實正交矩陣E和n-r級可逆實方陣F，使得

所以D′C′ACD,D′C′BCD為對角矩陣，即A，B可同時合同對角化。

定理5 設A，B都為n級實對稱陣，則A，B可同時合同對角化的充要條件是存在n的一組基{μ1,μ2,…μn} 使得μiA,μiB在上線性相關(i=1,2,…n) .

證明 “? ”因為A，B可同時合同對角化，故存在n的一組基{μ1,μ2,…,μn} 使得.當時，則存在可逆陣使得μiAC′=0，從而μiA=0，同理當時，有μiB=0，這樣μiA,μiB在上線性相關。當不全為0 時，因為故

即μiA,μiB在上線性相關(i=1,2,…,n) .

αiμiA+βiμiB=0(i=1,2,…,n)

在集合X={μ1,μ2,…μn} 中，定義關系“～”， 如果αiβj-αjβi=0 ，則μi～μj.

下證該關系為等價關系:

顯然該關系滿足自反和對稱，設μi～μj，μj～μk，則

αiβj-αjβi=0,αjβi-αkβj=0

(1)

由上式可得αiβkαjβj=αkβiαjβj，當αjβj≠0 時，μi～μk，當αj,βj有一個為0 時，假設αj=0，則βj≠0，由(1)可得αi=αk=0，即αiβk-αkβi=0，所以μi～μk，同理αj≠0，則βj=0，μi～μk.所以該關系滿足傳遞性，綜上所述關系“ ～”是一個等價關系。那么可設X=X1∪X2∪…∪Xm是集合X的一個劃分。

因為Xk(k=1,2,…,m)中μi其對應的αi,βi和μk(i≠j) 其對應的αj,βj有αiβj=αjβi，所以(αi,βi)=

l(αj,βj),l∈.故每一個μi∈Xk其對應的αi,βi，均可用αk,βk表示(k=1,2,…,m) .

所以存在αk,βk∈且αk,βk不全為0，使得

αkμA+βkμB=0,?μ∈Xk

(2)

同理也有αlvA+βlvB=0,?v∈Xl.

由αkβl-αlβk≠0，k,l=1,2,…,m和 (μAv′)′=vAμ′，可得

μ′Av′=μBv′=0,μ∈Xk,v∈Xl

(3)

不失一般性，設μ1,μ2,…,μn1∈X1,μn1+1,μ2,…,μn1+n2∈X2,……,μn1+n2+…+nm-1+1…,μn∈Xm， 設矩陣C且矩陣C的第i行為μi，矩陣C是可逆矩陣，由(3)可得

CAC′=diag(A1,A2,…,Am)

CBC′=diag(B1,B2,…,Bm)

其中Ak,Bk都是nk級實對稱矩陣(k=1,2,…,m)，由(2)可得，

αkμAη′+βkμBη′=0,μ,η∈Xk.

所以αkAk+βkBk=0，k=1,2,…,m,而αk,βk不全為 0，故Ak,Bk可同時合同對角化，所以，A,B可同時合同對角化。

[1]北京大學數學系幾何與代數教研室代數小組. 高等代數(第二版) [M]. 北京:高等教育出版社,1988.

[2]夏 璇.二個矩陣同時對角化[J].南昌航空工業學院學報(自然科學版)，2003,17(3)：26～32.

[3]許以超. 代數學引論[M].上海：上海科技出版社,1965.

[4]葉年武.實數方陣的同時對角化[J].北京工業大學學報，1991,17(4):92～95.

[5]Horn.Matrix Analysis[M].Cambridge:Cambridge University Press,1985.

[6]周立仁.矩陣同時對角化的條件討論[J].湖南理工學院學報(自然科學版)，2007,20(1)：8～10.

Theconditionsforsimultaneouslycongruentdiagonalizationoftworealsymmetricmatrices

LUO Gao-jun, ZHOU Liang

(College of Mathematics and Statistics, Hubei Normal University,Huangshi 435002,China)

The diagonalization of matrices is one of the important topic in the field of advanced algebra. For the diagonalization of a matrix, many articles have got good results.This paper gives a series of sufficient and necessary conditions and sufficient conditions for simultaneously congruent diagonalization of two real symmetric matrices.

real symmetric matrix; simultaneously congruent diagonalization; diagonalizable matrix

2013—11—26

羅高駿(1990— )，男，湖北黃石人，碩士研究生，主要研究方向為矩陣分析.

O151.21

A

1009-2714(2014)02- 0061- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.014