行列の共役が作り出す関係が同値関係であることの証明

$n$次の正方行列$A,B$に対して、関係$A \sim B$を以下のように定義するとき、この関係$\sim$が同値関係であることを証明する。 $$A \sim B \Longleftrightarrow \text{$P^{-1}AP = B$を満たす正則行列$P$が存在する}$$

（反射律）$P$として単位行列を取れば$P^{-1}AP = A$が成り立つから、$A \sim A$である。

（対称律）$A \sim B$のとき、$P^{-1}AP = B$なる$P$が存在し、$Q = P^{-1}$と置けば$Q^{-1}BQ = A$である。したがって、$A \sim B$ならば$B \sim A$である。

（推移律）$A \sim B$かつ$B \sim C$であると仮定する。このとき、$A \sim B$から$P^{-1}AP = B$なる正則行列$P$が存在し、$B \sim C$から$Q^{-1}BQ = C$なる正則行列$Q$が存在する。よって、$Q^{-1}BQ = Q^{-1}P^{-1}APQ = C$である。ここで$R = PQ$と置けば、$R^{-1}AR = C$が成り立ち、$A \sim C$であることがいえる。

以上より、関係$\sim$が同値関係であることが証明できた。

※単位行列、逆行列、行列の積に対応しているのが興味深い。