Gelijksoortige matrices

Gelijksoortige matrices delen vele eigenschappen. Ze hebben dezelfde:

• rang
• determinant
• spoor
• eigenwaarden, (de eigenvectoren zullen in het algemeen verschillen)
• karakteristieke veelterm
• minimale polynoom (een van de invarianten van de Smith-normaalvorm)
• elementaire delers

Er zijn twee belangrijke redenen voor deze feiten:

• Twee gelijksoortige matrices kunnen worden gezien als een beschrijving van dezelfde lineaire afbeelding, maar uitgaand van een verschillende bases
• De afbeelding ${\displaystyle X\mapsto P^{-1}XP}$ is een automorfisme op de associatieve algebra van alle ${\displaystyle n\times n}$-matrices.

Voor een gegeven matrix ${\displaystyle A}$ wordt daarom een simpele "normaalvorm" ${\displaystyle B}$ gezocht die gelijksoortig is met ${\displaystyle A,}$ zodat eigenschappen van ${\displaystyle A}$ onderzocht kunnen worden aan de eenvoudigere matrix ${\displaystyle B.}$ Zo wordt ${\displaystyle A}$ een diagonaliseerbare matrix genoemd als ${\displaystyle A}$ gelijksoortig is aan een diagonaalmatrix. Niet alle matrices zijn diagonaliseerbaar; over de complexe getallen echter (of over een willekeurig algebraïsch gesloten) lichaam, is elke matrix gelijksoortig met een matrix in Jordan-normaalvorm. Een andere normaalvorm, de Frobenius-normaalvorm, bestaat voor elk lichaam. Door de Jordan- of Frobenius-normaalvormen van ${\displaystyle A}$ en ${\displaystyle B}$ te beschouwen, kan men onmiddellijk beslissen of ${\displaystyle A}$ en ${\displaystyle B}$ gelijksoortig zijn. Ook de Smith-normaalvorm kan worden gebruikt om te bepalen of matrices gelijksoortig zijn, hoewel in tegenstelling tot de Jordan- en de Frobenius-normaalvormen, een matrix niet noodzakelijkerwijs gelijksoortig hoeft te zijn aan zijn Smith-normaalvorm.

Gelijksoortigheid van matrices hangt niet af van het lichaam. Twee matrices ${\displaystyle A}$ en ${\displaystyle B}$ over het lichaam ${\displaystyle K}$ zijn gelijksoortig dan en slechts dan als ze gelijksoortig zijn ten aanzien van een deellichaam van ${\displaystyle K.}$ Men kan het lichaam ${\displaystyle K}$ veilig uitbreiden, bijvoorbeeld om het algebraïsch af te sluiten en de Jordan-normaalvormen berekenen over het uitgebreide lichaam en aan de hand daarvan bepalen of de matrices gelijksoortig zijn. Deze aanpak kan worden gebruikt om bijvoorbeeld aan te tonen dat elke matrix gelijksoortig is aan zijn getransponeerde matrix. In de definitie van gelijksoortigheid zijn ${\displaystyle A}$ en ${\displaystyle B}$ permutatie-gelijksoortig, wanneer de matrix ${\displaystyle P}$ een permutatiematrix is. ${\displaystyle A}$ en ${\displaystyle B}$ zijn unitair equivalent, wanneer de matrix ${\displaystyle P}$ een unitaire matrix is. De spectraalstelling zegt dat elke normale matrix unitair equivalent is met een bepaalde diagonaalmatrix.

• In de bio-informatica, worden gelijksoortige matrices gebruikt voor sequentie-alignering
• In de toegepaste wiskunde, worden gelijksoortige matrices gebruikt om functies van matrices, zoals exponenten en machten van matrices te berekenen.

In de groepentheorie wordt gelijksoortigheid conjugatie genoemd.

• Gelijkvormige matrices
• Equivalente matrices
• Kanonieke vorm