对称矩阵是在线性代数中非常重要的一类矩阵。一个矩阵 \( A \) 被称为对称矩阵，如果它等于其转置矩阵，即 \( A = A^T \)。对称矩阵具有以下几个重要性质：
### 1. 特征值和特征向量
- **实特征值**：对称矩阵的所有特征值都是实数。
- **正交特征向量**：对于不同特征值对应的特征向量是正交的，即如果 \( \lambda_1 \) 和 \( \lambda_2 \) 是不同的特征值，对应的特征向量 \( \mathbf{v}_1 \) 和 \( \mathbf{v}_2 \) 满足 \( \mathbf{v}_1^T \mathbf{v}_2 = 0 \)。
- **正交对角化**：对称矩阵可以被正交对角化，即存在一个正交矩阵 \( Q \) 和一个对角矩阵 \( \Lambda \) 使得：
\[
A = Q \Lambda Q^T
\]
其中，\( \Lambda \) 的对角元素是 \( A \) 的特征值，\( Q \) 的列是 \( A \) 的正交特征向量。
### 2. 半正定性
- **正定矩阵**：如果对称矩阵 \( A \) 的所有特征值都大于零，那么 \( A \) 是正定矩阵。
- **半正定矩阵**：如果对称矩阵 \( A \) 的所有特征值都大于等于零，那么 \( A \) 是半正定矩阵。
### 3. 内积
- 对称矩阵可以定义一个新的内积。例如，如果 \( A \) 是一个对称矩阵，\( \mathbf{x} \) 和 \( \mathbf{y} \) 是向量，那么 \( \mathbf{x}^T A \mathbf{y} \) 定义了一个双线性形式。
### 4. 运算性质
- **加法和减法**：两个对称矩阵的和或差仍然是对称矩阵。
- **数乘**：对称矩阵乘以一个标量仍然是对称矩阵。
- **乘法**：两个对称矩阵的乘积一般不是对称矩阵，但是如果 \( A \) 和 \( B \) 是对称矩阵并且它们可交换（即 \( AB = BA \)），那么它们的乘积 \( AB \) 仍然是对称矩阵。
### 5. 矩阵函数
- 对称矩阵应用任何解析函数（如指数函数、对数函数等）后，得到的矩阵仍然是对称矩阵。
### 证明示例
举一个关于对称矩阵性质的简单证明：
**命题**：对称矩阵 \( A \) 的所有特征值都是实数。
**证明**：
假设 \( \mathbf{v} \) 是 \( A \) 的一个特征向量，对应的特征值为 \( \lambda \)，即 \( A \mathbf{v} = \lambda \mathbf{v} \)。
考虑 \( \mathbf{v} \) 和 \( A \mathbf{v} \) 的内积：
\[
\mathbf{v}^T A \mathbf{v} = \mathbf{v}^T (\lambda \mathbf{v}) = \lambda (\mathbf{v}^T \mathbf{v})
\]
因为 \( A \) 是对称矩阵， \( \mathbf{v}^T A \mathbf{v} = (A \mathbf{v})^T \mathbf{v} = (\lambda \mathbf{v})^T \mathbf{v} = \lambda^* (\mathbf{v}^T \mathbf{v}) \)，其中 \( \lambda^* \) 是 \( \lambda \) 的共轭复数。
由于 \( \mathbf{v}^T \mathbf{v} \) 是实数且不为零（因为 \( \mathbf{v} \) 是特征向量，不为零），我们有：
\[
\lambda (\mathbf{v}^T \mathbf{v}) = \lambda^* (\mathbf{v}^T \mathbf{v})
\]
所以 \( \lambda = \lambda^* \)，这表明 \( \lambda \) 是实数。
这就证明了对称矩阵的所有特征值都是实数。
这些性质使对称矩阵在各种应用中非常有用，包括物理学、工程学和计算数学等领域。