Question Number 143774 by TheHoneyCat last updated on 18/Jun/21
$$\mathrm{Is}\:\mathrm{this}\:\mathrm{statement}\:{true}\:\mathrm{or}\:\mathrm{not}? \\ $$$$\exists\:\mathrm{A}\in\mathscr{M}_{\mathrm{3}} \left(\mathbb{R}\right)\:\mid\:\mathrm{tr}\left(\mathrm{A}\right)=\mathrm{0}\:\mathrm{and}\:\mathrm{A}^{\mathrm{2}} +^{{t}} \mathrm{A}=\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \\ $$
Commented by TheHoneyCat last updated on 18/Jun/21
Oh, I actually found the answer.
sorry.
Should I send it?
Commented by ArielVyny last updated on 18/Jun/21
$${yes} \\ $$
Answered by TheHoneyCat last updated on 19/Jun/21
$$\mathrm{let}\:\mathrm{A}\:\mathrm{be}\:\mathrm{a}\:\mathrm{matrix}\:\mathrm{such}\:\mathrm{that}:\:\mathrm{A}^{\mathrm{2}} +^{{t}} \mathrm{A}=\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \\ $$$$−\:^{{t}} \mathrm{A}=\mathrm{A}^{\mathrm{2}} −\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \\ $$$$\mathrm{so}\:−\mathrm{A}=^{{t}} \mathrm{A}^{\mathrm{2}} −\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \\ $$$$\mathrm{thus}\:−\mathrm{A}=\left(\mathrm{A}^{\mathrm{2}} −\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \right)−\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{0}_{\mathscr{M}_{\mathrm{3}} \left(\mathbb{R}\right)} =\mathrm{A}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2A}+\mathrm{I}_{\mathrm{3}} −\mathrm{I}_{\mathrm{3}} +\mathrm{A} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{0}_{\mathscr{M}_{\mathrm{3}} \left(\mathbb{R}\right)} =\mathrm{A}^{\mathrm{2}} −\mathrm{A} \\ $$$$\mathrm{in}\:\mathrm{a}\:\mathrm{word}:\:\mathrm{the}\:\mathrm{polynomial}\:\left({X}−\mathrm{1}\right){X}\:\:\mathrm{cancels} \\ $$$$\mathrm{therefore},\:\mathrm{let}\:\mu_{{A}} \mathrm{be}\:\mathrm{the}\:{minimal}\:{polynomial}\:\mathrm{of}\:\mathrm{A}\: \\ $$$$\mu_{{A}} \in\left\{{X},\:{X}−\mathrm{1},\:\left({X}−\mathrm{1}\right){X}\right\} \\ $$$$\mu_{{A}} ={X}\:\Rightarrow\:\mathrm{A}=\mathrm{0}_{\mathscr{M}_{\mathrm{3}} \left(\mathbb{R}\right)} \:\mathrm{but}\:\mathrm{0}^{\mathrm{2}} +^{{t}} \mathrm{0}\neq\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \\ $$$$\mu_{{A}} ={X}−\mathrm{1}\:\Rightarrow\:\mathrm{A}=\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \:\Rightarrow\:\mathrm{tr}\left(\mathrm{A}\right)=\mathrm{3}\neq\mathrm{0} \\ $$$$\mu_{{A}} =\left({X}−\mathrm{1}\right){X}\Rightarrow\:\mathrm{A}\:\mathrm{is}\:{diagonalizable}\:\mathrm{with}\:\mathrm{1}\:\mathrm{and}\:\mathrm{0}\:\mathrm{as}\:{eigenvalues} \\ $$$$\Rightarrow\exists{G}\in\mathscr{G}{l}_{\mathrm{3}} \left(\mathbb{R}\right)\:\mid\:{G}\mathrm{A}{G}^{−\mathrm{1}} \in\left\{\begin{pmatrix}{\mathrm{1}}&{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}}&{\mathrm{1}}&{\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}\end{pmatrix},\:\begin{pmatrix}{\mathrm{1}}&{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}&{\mathrm{0}}\end{pmatrix}\right\} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{tr}\left(\mathrm{A}\right)\in\left\{\mathrm{2},\mathrm{1}\right\} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{tr}\left(\mathrm{A}\right)\neq\mathrm{0} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{So}\:\mathrm{the}\:\mathrm{answere}\:\mathrm{is}\:{no},\:\mathrm{there}\:\mathrm{are}\:\mathrm{no}\:\mathrm{such}\:\mathrm{matrices} \\ $$