Als en bases zijn van een eindigdimensionale vectorruimte , en de matrix van een lineaire afbeelding ten opzichte van gegeven is, dan kan de matrix van ten opzichte van volgens de stelling Basisovergang berekend worden met de formule
waarbij de overgangsmatrix van de basis naar is. Dit betekent dat we maar één keer coördinaten hoeven kiezen en vervolgens alle andere matrixgedaanten van de lineaire afbeelding kunnen bepalen door uitsluitend met matrices te rekenen. We maken dit expliciet in de volgende stelling.
Laat een basis zijn van een -dimensionale vectorruimte , waarbij een natuurlijk getal is, en laat een lineaire afbeelding zijn met matrix ten opzichte van .
Een -matrix is dan en slechts dan de matrix van ten opzichte van een basis voor als er een inverteerbare -matrix is met
In het bijzonder heeft de determinant van elke matrix die bepaalt dezelfde waarde, zodat we kunnen spreken van de determinant van de lineaire afbeelding .
Stel dat een basis voor is, zodat , dat wil zeggen: zodat de matrix is van ten opzichte van . Dan vertelt de stelling Basisovergang ons dat en aan elkaar gekoppeld zijn door middel van . In dat geval is dan een inverteerbare -matrix met .
Andersom: stel dat er een inverteerbare -matrix is met . Kies nu , zodat . Dan is de bijbehorende basis van (omdat inverteerbaar is met inverse ), en volgt
Hiermee is aangetoond dat de matrix van ten opzichte van de basis voor is.
Om de laatste uitspraak te bewijzen, laten we zien dat en dezelfde determinant hebben. Met gebruikmaking van eerder vastgestelde eigenschappen van de determinant vinden we
Een gevolg van deze stelling is het bekende feit dat de -nulmatrix de enige matrix is van de nulafbeelding van een -dimensionale vectorruimte naar zichzelf.
Ook een gevolg van deze stelling is het bekende feit dat de -identiteitsmatrix de enige matrix is van de identieke afbeelding van een -dimensionale vectorruimte naar zichzelf.
Een ander gevolg is dat bij elke lineaire afbeelding van een -dimensionale vectorruimte naar zichzelf een unieke matrix hoort. Immers, die afbeelding moet een scalaire vermenigvuldiging zijn en de matrix moet de scalair zijn waarmee vermenigvuldigd wordt.
Als twee lineaire afbeeldingen verschillende determinanten hebben, dan zijn er geen twee bases van te vinden, zodat de matrix van de ene lineaire afbeelding ten opzichte van de eerste basis gelijk is aan de matrix van de andere lineaire afbeelding ten opzichte van de tweede basis.
We geven een speciale naam, geconjugeerd, aan matrices en die beide bij een gegeven lineaire afbeelding horen. We laten ook zien dat deze relatie aan drie belangrijke eigenschappen voldoet, die samengevat worden onder het begrip equivalentierelatie:
Laat een natuurlijk getal zijn. Twee -matrices en heten geconjugeerd als er een inverteerbare -matrix is met . We zeggen dan dat de matrix de matrix naar conjugeert en noemen wel de conjugator.
Geconjugeerd zijn is een equivalentierelatie; dat wil zeggen het heeft de volgende drie eigenschappen voor elke drietal -matrices , , :
- Reflexiviteit: is geconjugeerd met zichzelf (dus met )
- Symmetrie: Als en geconjugeerd zijn, dan ook en
- Transitiviteit: Als en geconjugeerd zijn, en en geconjugeerd zijn, dan zijn ook en geconjugeerd.
Reflexiviteit: Neem voor de -matrix eenheidsmatrix . Dan geldt . Dus en zijn geconjugeerd.
Symmetrie: Stel dat en geconjugeerd zijn. Dan is er een inverteerbare -matrix met . Door beide zijden van links met en van rechts met te vermenigvuldigen, zien we dat , ofwel Omdat een inverteerbare -matrix is, concluderen we dat en geconjugeerd zijn.
Associativiteit: Stel dat en geconjugeerd zijn, en ook en geconjugeerd zijn. Dan zijn er inverteerbare -matrices en , zodat en . Bijgevolg voldoet de inverteerbare -matrix aan zodat en geconjugeerd zijn.
Het bepalen of twee -matrices en geconjugeerd zijn komt grotendeels neer op het oplossen van lineaire vergelijkingen: we beginnen met het oplossen van de matrixvergelijking en zoeken vervolgens naar een inverteerbare matrix onder de oplossingen. Hier is een voorbeeld: StelAls en geconjugeerd zijn, dan is er een inverteerbare -matrix met .
Na vermenigvuldiging van rechts met geeft dit de lineaire matrixvergelijking Schrijven we dan gaat de matrixvergelijking na uitwerking van de matrixvermenigvuldigingen over inen dus in het stelsel lineaire vergelijkingenDit stelsel heeft als oplossingwaarbij een vrije parameter is. Zo'n matrix is niet inverteerbaar, zodat en niet geconjugeerd zijn. Met andere woorden: Er is geen basis van ten opzichte waarvan de lineaire afbeelding met matrix ten opzichte van de standaardbasis de matrix heeft.
In dit geval kun je al direct zien dat en niet geconjugeerd zijn omdat ze verschillende determinant hebben. Later bespreken we de bepaling van de Jordannormaalvorm van een vierkante matrix; deze methode is veel efficiënter.
Bij gegeven -matrices en en inverteerbare -matrix zodat , is de conjugator niet uniek: elk scalair veelvoud van (dat ongelijk is aan de nulmatrix) voldoet eveneens als conjugator van naar . Bovendien kan het voorkomen dat meerdere matrices die géén scalaire veelvouden van elkaar zijn, toch allemaal conjugatoren van naar zijn. Neem bijvoorbeeld en . Dan voldoet elke inverteerbare -matrix aan per definitie van de inverse matrix, want .
Een andere veel gebruikte naam voor geconjugeerde matrices is gelijksoortige matrices.
De verzameling van -matrices kan opgedeeld worden in onderling disjuncte deelverzamelingen die elk bestaan uit matrices die onderling geconjugeerd zijn en niet geconjugeerd met welke matrix dan ook van een ander deel. Dit is een eigenschap die voor elke equivalentierelatie geldt. Die deelverzamelingen heten in het algemeen equivalentieklassen en worden ook vaak vernoemd naar de specifieke equivalentierelatie, hier dus conjugatieklassen.
Laat een vectorruimte van eindige dimensie zijn. Voor elke lineaire afbeelding vormen de matrices in die bepalen met betrekking tot een geschikte basis, een conjugatieklasse.
De conjugatieklasse van de identieke afbeelding bestaat uitsluitend uit . De enige lineaire afbeeldingen waarvan de conjugatieklasse uit een enkele matrix bestaat, zijn de scalaire vermenigvuldigingen. Immers, de matrix die hoort bij een scalaire vermenigvuldiging met is de diagonaalmatrix waarvan alle diagonaalelementen gelijk zijn aan . Deze matrix is de enige die met alle andere -matrices commuteert. Daardoor conjugeert alleen met zichzelf: voor elke inverteerbare matrix .
Uit bovenstaande stelling en eigenschappen van de determinant volgt dat twee vierkante matrices met verschillende determinant niet geconjugeerd zijn. Dit is ook direct in te zien: als en geconjugeerde -matrices zijn, dan is er een inverteerbare -matrix , zodat . Uit bekende
eigenschappen van de determinant volgt dan
Omdat geconjugeerde matrices bij dezelfde lineaire afbeelding horen, delen zij alle eigenschappen van deze afbeelding. Hierboven zagen we al dat geconjugeerde matrices dezelfde determinant hebben. Andere eigenschappen die geconjugeerde matrices delen, zijn spoor, karakteristieke veelterm, rang en minimumveelterm. Twee matrices waarvan één of meer van deze eigenschappen verschillen, zijn niet geconjugeerd.
Een eigenschap van een matrix van een lineaire afbeelding die niet afhangt van de gekozen basis heet een invariant.
Dankzij een stelling die we later behandelen, kun je aan de karakteristieke veelterm direct zien of twee -matrices geconjugeerd zijn of niet. Dat geldt echter niet voor matrices met grotere afmetingen.
De volgende twee matrices en zijn geconjugeerd:Bepaal een conjugator van naar ; dat wil zeggen: een inverteerbare -matrix , zodat
De matrix is inverteerbaar, want . Het is eenvoudig na te gaan dat voldoet aan :
Om te vinden lossen we eerst een matrixvergelijking op:
De oplossing van dit stelsel lineaire vergelijkingen in , , en is
We hebben dus de vrije parameters . Kiezen we , dan vinden we , zodat
Dit antwoord volstaat omdat de matrix inverteerbaar is.
Het antwoord is niet uniek. Andere keuzes dan voor de elementen van zijn mogelijk.