Matriz semejante

En álgebra lineal, se dice que dos matrices ${\displaystyle A}$ y ${\displaystyle B}$ de orden ${\displaystyle n\times n}$ sobre el cuerpo ${\displaystyle K}$ son semejantes si existe una matriz invertible ${\displaystyle P}$ de ${\displaystyle n\times n}$ sobre ${\displaystyle K}$ tal que:

${\displaystyle P^{-1}AP=B}$

Si ${\displaystyle T}$ es una transformación de ${\displaystyle M_{n\times n}}$ en ${\displaystyle M_{n\times n}}$ tal que ${\displaystyle T(A)=P^{-1}AP}$, siendo ${\displaystyle P}$ una matriz fija, entonces ${\displaystyle T}$ recibe el nombre de transformación lineal de semejanza.

En teoría de grupos, la semejanza se llama clase de conjugación.

Las matrices semejantes comparten varias propiedades:

• poseen el mismo rango,
• el mismo determinante,
• la misma traza,
• los mismos valores propios (aunque los vectores propios, en general, serán distintos),
• el mismo polinomio característico, y
• el mismo polinomio mínimo.

Hay dos razones para estas características:

1. dos matrices semejantes pueden pensarse como dos descripciones de una misma transformación lineal, pero con respecto a bases distintas;
2. la transformación X ${\displaystyle \mapsto }$ P⁻¹XP es un automorfismo del álgebra asociativa de todas las matrices de n-por-n.

Debido a esto, para una matriz A dada, estamos interesados en encontrar una "forma normal" sencilla B que sea semejante a A: el estudio de A se reduce de esta manera al estudio de la matriz semejante (y más sencilla) B. Por ejemplo, A se llama diagonalizable si es semejante a una matriz diagonal. No todas las matrices son diagonalizables, pero por lo menos sobre los números complejos (o cualquier cuerpo algebraicamente cerrado), toda matriz es semejante a una matriz en forma de Jordan. Otra forma normal, la forma canónica racional, se aplica en cualquier campo. Observando las formas de Jordan o las formas canónicas racionales de A y B, puede decidirse inmediatamente si A y B son semejantes.

La semejanza de matrices no depende del cuerpo base: si L es un cuerpo conteniendo a K como subcuerpo, y A y B son dos matrices en K, entonces A y B son semejantes como matrices sobre K si y solo si son semejantes como matrices sobre L. Esto es bastante útil: uno puede agrandar en forma segura el cuerpo K, por ejemplo para obtener un cuerpo algebraicamente cerrado; las formas de Jordan pueden computarse sobre el cuerpo grande y puede usarse para determinar si las matrices dadas son semejantes sobre el cuerpo pequeño. Este método puede usarse, por ejemplo, para mostrar que toda matriz es semejante a su traspuesta.

Si en la definición de semejanza, la matriz P puede elegirse para que sea una matriz de permutación, entonces A y B son semejantes en permutación; si P puede elegirse para que sea una matriz unitaria, entonces A y B son unitariamente equivalentes. El teorema espectral establece que toda matriz normal es unitariamente equivalente a alguna matriz diagonal.

Otra relación de equivalencia importante para matrices reales es la congruencia.

Dos matrices reales A y B se llaman congruentes si hay una matriz regular real P tal que:

P^TAP = B.

Recordemos que un endomorfismo es una aplicación lineal entre un mismo espacio vectorial ${\displaystyle \scriptstyle f:V(K)\longrightarrow V(K)}$, es decir, tal que:

${\displaystyle f(\lambda x+\mu y)=\lambda f(x)+\mu f(y),\qquad \forall \lambda \in K,\forall x,y\in V}$

Entre el espacio vectorial de los endomorfismos ${\displaystyle \scriptstyle End(V)}$ y el anillo de las matrices cuadradas existe un isomorfismo que, fijada una base en ${\displaystyle \scriptstyle V(K)}$, asigna una única matriz a cada endomorfismo (por supuesto si se cambia de base, la matriz también cambiará).

Supóngase que se tienen dos bases de ${\displaystyle \scriptstyle V(K)}$ llamadas ${\displaystyle \scriptstyle {\hat {B}}_{V}=\{{\hat {v}}_{k}\},\ B_{V}=\{v_{i}\}}$ de modo que

${\displaystyle v_{i}=\sum _{k}\Lambda _{ik}{\hat {v}}_{k},\qquad {\hat {v}}_{k}=\sum _{i}\Lambda _{ki}^{-1}v_{i}}$

En lo que sigue usaremos el convenio de sumación de Einstein para hacer más ligera la notación. Sean ahora ${\displaystyle \scriptstyle a_{ij}}$ y ${\displaystyle \scriptstyle {\hat {a}}_{kl}}$ las matrices asociadas al endomorfismo en las respectivas bases de modo que ${\displaystyle f(v_{i})=a_{ij}v_{j}}$ y ${\displaystyle f({\hat {v}}_{k})={\hat {a}}_{kl}{\hat {v}}_{l}}$, entonces las matrices se relacionan por:

${\displaystyle f(v_{i})=a_{ij}v_{j}\longrightarrow }$

${\displaystyle f(\Lambda _{ik}{\hat {v}}_{k})=a_{ij}\Lambda _{il}{\hat {v}}_{l}\longrightarrow }$

${\displaystyle \Lambda _{ik}f({\hat {v}}_{k})=a_{ij}\Lambda _{il}{\hat {v}}_{l}\longrightarrow }$

${\displaystyle \Lambda _{ik}{\hat {a}}_{kl}{\hat {v}}_{l}=a_{ij}\Lambda _{il}{\hat {v}}_{l}\longrightarrow }$

${\displaystyle \Lambda _{ik}{\hat {a}}_{kl}=a_{ij}\Lambda _{il}\longrightarrow }$

${\displaystyle {\hat {a}}_{kl}=\Lambda _{ki}^{-1}a_{ij}\Lambda _{il}}$

es decir hay una relación de similitud entre ellas.

• Matriz congruente