定义

设 为 阶方阵。若存在 阶可逆矩阵 ,使得

则称矩阵 与 合同,记作 。

合同矩阵主要讨论实对称矩阵。此时 与 合同等价于它们所对应的二次型 与 可经非退化线性替换互化。

充要条件

  1. 按定义:存在可逆矩阵 ,使
  2. 对实对称矩阵 : 即它们的二次型规范形相同: 中 的个数 、 的个数 分别相等。
  3. 实对称矩阵 正定

必要条件

  1. 必为同阶方阵。
  2. 秩相等:
  3. 若 为实对称矩阵,则 也必为实对称矩阵。
  4. 正定性、负定性、半正定性在合同变换下保持: 若 正定且 ,则 也正定。
  5. 若 均可逆且合同,则 因此 与 同号。

其他性质

  1. 合同关系是等价关系,具有自反性、对称性、传递性。
  2. 实对称矩阵一定可合同对角化,即可合同于对角矩阵,进一步可合同于规范形 其中 为正惯性指数, 为负惯性指数。惯性定理指出 唯一确定。
  3. 合同不保持特征值,也不要求相似。 对实对称矩阵而言: 但合同不一定相似。例如 合同但不相似。
  4. 正交相似既是相似又是合同。
  5. 合同变换不改变二次型的秩、正负惯性指数、正定性、负定性。
  6. 关系总结: 对实对称矩阵还有: 但反向一般不成立。

题型与应用

  1. 概念辨析选择题: 判断两个实对称矩阵是否合同、是否相似、是否等价,常通过比较正负惯性指数或特征值符号个数解决。

  2. 计算题: 用配方法或正交变换将二次型化为标准形、规范形;求可逆矩阵 ,使 为对角矩阵或规范形。

  3. 证明题: 利用惯性定理证明二次型类型不变;判断正定二次型;证明正定矩阵合同于单位矩阵等。

  4. 综合题: 结合特征值、相似对角化、正定性,比较“等价、相似、合同”三种关系。 注意:

    对实对称矩阵:

    但合同不一定相似。