定义

设 为 阶方阵。若存在 阶可逆矩阵 ,使得

则称矩阵 与 相似,记作 。可逆矩阵 称为相似变换矩阵。

相似是线性变换在不同基下矩阵之间的关系:同一个线性变换在不同基下的矩阵彼此相似。

充要条件

  1. 按定义:存在可逆矩阵 ,使
  2. 与对角矩阵 相似 且 为 的 个特征值(含重数)。
  3. 实对称矩阵 相似
  4. 若 均可对角化,则

必要条件

  1. 必为同阶方阵。
  2. 特征多项式相同: 从而特征值相同(含重数)。
  3. 迹相等:
  4. 行列式相等:
  5. 秩相等:
  6. 对每个特征值 ,几何重数相同:
  7. 若 可逆,则 也可逆,且

其他性质

  1. 相似关系是等价关系,具有自反性、对称性、传递性。
  2. 相似矩阵有相同的特征值、特征多项式、迹、行列式、秩。
  3. 若 ,则对任意多项式 , 特别地,
  4. 若 且 可逆,则
  5. 实对称矩阵一定可正交相似对角化:存在正交矩阵 ,使
  6. 对实对称矩阵: 但合同不一定相似。相似要求特征值相同,合同要求正负惯性指数相同。
  7. 相似不改变矩阵的固有代数性质,如可逆性、特征值、秩等。

题型与应用

  1. 判断相似与可对角化:
    判断矩阵是否可对角化,求可逆矩阵 ,使 。

  2. 利用相似必要条件求参数:
    已知 ,利用迹相等、行列式相等、特征值相同、秩相等等条件列方程求参数。

  3. 计算矩阵的高次幂或矩阵函数:
    若 ,则

    常用于求 、 等。

  4. 概念辨析题:
    比较“等价、相似、合同”的关系,尤其对实对称矩阵:

    但反向一般不成立。

  5. 证明题:
    证明相似矩阵具有相同特征多项式、相同迹、相同行列式、相同秩等;或证明实对称矩阵相似当且仅当特征值相同。