题目 设矩阵AR3×3A \in \mathbb{R}^{3\times3} 的特征值为a+bi,abi,ca+bi,a-bi,c, 其中a,b,cR,b0,ia,b,c\in \mathbb{R},b\ne0,i是虚数单位.

证明: 存在实可逆矩阵QQ使得

Q1AQ=(c000ab0ba)Q^{-1}AQ= \begin{pmatrix} c & 0 & 0 \\ 0 & a & b \\ 0 &-b & a \end{pmatrix}

证明:

对于矩阵AA的一对共轭复根λ=a+bi,λˉ=abi\lambda = a+bi,\bar{\lambda} = a-bi, 存在一对共轭复特征向量满足

Aη=λη,Aηˉ=λˉηˉA\eta = \lambda\eta,\qquad\Leftrightarrow\qquad A\bar{\eta} = \bar{\lambda}\bar{\eta}

对于(abba)\left( \begin{smallmatrix}a & b \\ -b & a \end{smallmatrix}\right)有一对共轭复根a+bi,abia+bi,a-bi.

计算出a+bia+bi的一个特征向量为(i1)\left( \begin{smallmatrix} -i \\ 1 \end{smallmatrix}\right), 那么由上面的结论, 其复共轭向量(i1)\left( \begin{smallmatrix} i \\ 1 \end{smallmatrix}\right)abia-bi的特征向量.

于是这两个特征向量构成的可逆矩阵(ii11)\left( \begin{smallmatrix} -i & i \\ 1 & 1 \end{smallmatrix}\right)满足

(c000ab0ba)=(1000ii011)(c000a+bi000abi)(1000ii011)1\begin{pmatrix} c & 0 & 0 \\ 0 & a & b \\ 0 & -b & a \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & -i & i \\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} c & 0 & 0 \\ 0 & a+bi & 0 \\ 0 & 0 & a-bi \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & -i & i \\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix}^{-1}

P1=(1000ii011)1=(1000i/21/20i/21/2)P_1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & -i & i \\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & i/2 & 1/2 \\ 0 & -i/2 & 1/2 \end{pmatrix}

由于3阶矩阵AA有三个不同的特征值, 且两个复共轭, 所以存在可逆矩阵P={pc,p,pˉ}P = \{p_c,p,\bar{p}\}, 使得

P1AP=(c000a+bi000abi)P^{-1}AP = \begin{pmatrix} c & 0 & 0 \\ 0 & a+bi & 0 \\ 0 & 0 & a-bi \end{pmatrix}

其中pc,p,pˉp_c,p,\bar{p}分别是矩阵AA三个特征值对应的特征向量

于是有

(PP1)1A(PP1)=(c000ab0ba)(PP_1)^{-1}A(PP_1) = \begin{pmatrix} c & 0 & 0 \\ 0 & a & b \\ 0 & -b & a \end{pmatrix}

其中PP1PP_1是可逆的, 因为PPP1P_1都是可逆的, 下面说明PP1PP_1可以是实矩阵

{q1,q2,q3}=PP1={pc,i(ppˉ)2,(p+pˉ)2}\{q_1,q_2,q_3\} = PP_1 = \{p_c, i\frac{(p-\bar{p})}{2},\frac{(p+\bar{p})}{2}\}

由于pcp_c是实矩阵的实特征值对应的特征向量, 所以其元素一定全为实数或者全为虚数, 则q1=pcq_1 = p_c可以为实向量.

q2=i(ppˉ)2q_2 = i\frac{(p-\bar{p})}{2}q3=(p+pˉ)2q_3 = \frac{(p+\bar{p})}{2}分别为Im(p)Im(p)Re(p)Re(p), 也是实向量.

所以存在实可逆矩阵Q=PP1={pc,Im(p),Re(p)}Q = PP_1 = \{p_c,Im(p),Re(p)\}, 使得题设等式成立, 其中pcp_c是实特征值的特征向量, Im(p)Im(p)Re(p)Re(p)是一对复共轭特征值对应的特征向量的虚部和实部。

证毕.