эти матрицы соответствуют одному и тому же оператору в разных базисах, а значит

Вот здесь ошибка. Если у оператора

в базисе

такая же матрица, как у оператора

в базисе

, то это не означает, что

.
При фиксированном базисе есть биекция между операторами и матрицами, причем сложение и умножение матриц соответствует сложению и композиции операторов. Но в разных базисах у одного и того же оператора разные матрицы (хотя и связанные между собой; но эта связь другая, чем, например, у матриц билинейных форм - оператор это тензор ранга

, а билинейная форма - ранга

, этим же объясняется, что операторы перемножать можно, а билинейные формы нельзя).