题目 设矩阵A∈R3×3 的特征值为a+bi,a−bi,c, 其中a,b,c∈R,b=0,i是虚数单位.
证明: 存在实可逆矩阵Q使得
Q−1AQ=c000a−b0ba
证明:
对于矩阵A的一对共轭复根λ=a+bi,λˉ=a−bi, 存在一对共轭复特征向量满足
Aη=λη,⇔Aηˉ=λˉηˉ
对于(a−bba)有一对共轭复根a+bi,a−bi.
计算出a+bi的一个特征向量为(−i1), 那么由上面的结论, 其复共轭向量(i1)为a−bi的特征向量.
于是这两个特征向量构成的可逆矩阵(−i1i1)满足
c000a−b0ba=1000−i10i1c000a+bi000a−bi1000−i10i1−1
记
P1=1000−i10i1−1=1000i/2−i/201/21/2
由于3阶矩阵A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}, 使得
P−1AP=c000a+bi000a−bi
其中pc,p,pˉ分别是矩阵A三个特征值对应的特征向量
于是有
(PP1)−1A(PP1)=c000a−b0ba
其中PP1是可逆的, 因为P和P1都是可逆的, 下面说明PP1可以是实矩阵
令{q1,q2,q3}=PP1={pc,i2(p−pˉ),2(p+pˉ)}
由于pc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=pc可以为实向量.
而q2=i2(p−pˉ)和q3=2(p+pˉ)分别为Im(p)和Re(p), 也是实向量.
所以存在实可逆矩阵Q=PP1={pc,Im(p),Re(p)}, 使得题设等式成立, 其中pc是实特征值的特征向量, Im(p)和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.