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対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrix直交対角化ちょっこうたいかくか

mathlinear-algebraundergraduatelecture

Symmetric matrices対称行列たいしょうぎょうれつ and orthogonal diagonalization

1導入どうにゅう

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixは、固有値こゆうちeigenvalueだけでなく固有ベクトルeigenvector直交性ちょっこうせいまで保証ほしょうする特別とくべつ行列ぎょうれつmatrixであるということである。

一般いっぱん行列ぎょうれつmatrixは、対角化たいかくかdiagonalizationできるとはかぎらない。対角化たいかくかdiagonalizationできる場合ばあいであっても、基底きていbasis構成こうせいする固有ベクトルeigenvectorたがいに直交ちょっこうorthogonalするとはかぎらない。これにたいして、実対称行列じつたいしょうぎょうれつ正規直交基底せいきちょっこうきていorthonormal basisによって対角化たいかくかdiagonalizationできる。この事実じじつ有限次元ゆうげんじげんスペクトル定理ていりSpectral theoremである。

1Introduction

The important point of this lecture is that a symmetric matrix対称行列たいしょうぎょうれつ is special not only because of its eigenvalues固有値こゆうち, but also because it guarantees orthogonality of eigenvectors in the right sense.

A general matrix may fail to be diagonalizable. Even if it is diagonalizable, its eigenvector basis need not be orthogonal. By contrast, every real symmetric matrix is diagonalizable by an orthonormal basis正規直交基底せいきちょっこうきてい. This is the finite-dimensional spectral theorem.

2用語ようご定義ていぎ

対称行列たいしょうぎょうれつSymmetric matrix とは、実正方行列じつせいほうぎょうれつ A

AT=A

たす行列ぎょうれつmatrixである。

エルミート行列ぎょうれつHermitian matrix とは、複素正方行列ふくそせいほうぎょうれつ A

A*=A

たす行列ぎょうれつmatrixである。ただし A*共役転置きょうやくてんちである。

ユニタリ行列ぎょうれつUnitary matrix とは、複素正方行列ふくそせいほうぎょうれつ U

U*U=UU*=I

たす行列ぎょうれつmatrixである。これは複素ふくそcomplex内積ないせきinner productながさ、直交ちょっこうorthogonal保存ほぞんする行列ぎょうれつmatrixである。

正規行列せいきぎょうれつNormal matrix とは、複素正方行列ふくそせいほうぎょうれつ A

A*A=AA*

たす行列ぎょうれつmatrixである。エルミート行列ぎょうれつmatrixとユニタリ行列ぎょうれつmatrix正規行列せいきぎょうれつ代表例だいひょうれいである。

直交対角化ちょっこうたいかくかOrthogonal diagonalization とは、実行列じつぎょうれつ A直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrix Q対角行列たいかくぎょうれつdiagonal matrix D によって

A=QDQT

表示ひょうじすることである。複素ふくそcomplex場合ばあいは、ユニタリ行列ぎょうれつmatrix U により

A=UDU*

表示ひょうじする。

2Terms and definitions

A real square matrix A is symmetric対称たいしょう if

AT=A.

A complex square matrix A is Hermitianエルミート if

A*=A.

A unitary matrixユニタリ行列ぎょうれつ satisfies

U*U=UU*=I.

It preserves the complex inner product, lengths, and orthogonality.

A normal matrix正規行列せいきぎょうれつ satisfies

A*A=AA*.

Hermitian and unitary matrices are basic examples of normal matrices.

Orthogonal diagonalization直交対角化ちょっこうたいかくか of a real matrix means writing

A=QDQT

with Q orthogonal and D diagonal. In the complex case one writes

A=UDU*

with U unitary.

3方針ほうしん

方針ほうしん二段階にだんかいである。まず、対称性たいしょうせい内積ないせきinner productなか

Au,v=u,Av

意味いみすることを確認かくにんする。つぎに、この関係かんけいから、ことなる固有値こゆうちeigenvalue対応たいおうする固有ベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalすることを導出どうしゅつする。

data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/complex-inner-products-and-unitary-matrices.lecture.n.md

3Plan

First, symmetry is interpreted through the inner-product identity

Au,v=u,Av.

Then this identity is used to prove that eigenvectors belonging to distinct eigenvalues are orthogonal.

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4直感的ちょっかんてき説明せつめい

対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixは、入力方向にゅうりょくほうこう出力方向しゅつりょくほうこう寄与きよ内積ないせきinner product測定そくていしたとき、左右さゆう交換こうかんしてもあたい変化へんかしない行列ぎょうれつmatrixである。

この対称性たいしょうせいは、空間くうかんゆがみを生成せいせいする変換へんかんではなく、たがいに直交ちょっこうorthogonalする主方向しゅほうこうごとの伸縮しんしゅくとして分解ぶんかいできることを示唆しさする。主方向しゅほうこう固有ベクトルeigenvector伸縮率しんしゅくりつ固有値こゆうちeigenvalueである。

4Intuitive explanation

A symmetric matrix is a transformation whose input and output contributions are balanced in the inner product. Such a transformation can be decomposed into stretches along mutually orthogonal principal directions. The principal directions are eigenvectors, and the stretch factors are eigenvalues.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. ことなる固有値こゆうちeigenvalue固有ベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalする

A実対称行列じつたいしょうぎょうれつとし、Au=λuAv=μvλμ とする。内積ないせきinner product対称性たいしょうせいから

Au,v=u,Av

である。左辺さへんleft-hand side右辺うへんright-hand side固有値こゆうちeigenvalue表現ひょうげんすると

λu,v=μu,v

である。したがって

(λ-μ)u,v=0

であり、λμ であるため u,v=0 である。よって uv直交ちょっこうorthogonalする。

複素ふくそcomplexエルミート行列ぎょうれつHermitian matrixでもおな議論ぎろん成立せいりつする。A*=A自己随伴性じこずいはんせいself-adjointnessであり、内積ないせきinner productなかA左右さゆう移動いどうしても

Au,v=u,Av

成立せいりつする。したがって固有値こゆうちeigenvalueことなれば固有ベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalする。また Au=λu のとき

λu,u=Au,u=u,Au=λ_u,u

である。u0 なら u,u>0 なので、λ=λ_ となり、固有値こゆうちeigenvalue実数じっすうreal numberである。

5.22. 実対称行列じつたいしょうぎょうれつのスペクトル定理ていり

有限次元ゆうげんじげん実内積空間じつないせきくうかんで、実対称行列じつたいしょうぎょうれつ A についてつぎ成立せいりつする。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A=QDQT

ここで Q直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrixD実固有値じつこゆうちならべた対角行列たいかくぎょうれつdiagonal matrixである。QれつcolumnA正規直交せいきちょっこう固有ベクトルeigenvectorである。

複素ふくそcomplex場合ばあいは、エルミート行列ぎょうれつmatrix A について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A=UDU*

成立せいりつする。ここで U はユニタリ行列ぎょうれつmatrixであり、D対角成分たいかくせいぶん実数じっすうreal numberである。

5.33. 正規行列せいきぎょうれつとの関係かんけい

複素ふくそcomplex有限次元ゆうげんじげん内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは、正規行列せいきぎょうれつはユニタリに対角化たいかくかdiagonalizationできる。すなわち

A*A=AA*A=UDU*

である。エルミート行列ぎょうれつmatrix正規行列せいきぎょうれつのうち、固有値こゆうちeigenvalue実数じっすうreal numberになる特別とくべつ場合ばあいである。実対称行列じつたいしょうぎょうれつは、その実数版じっすうばんとして位置いちづけられる。

この整理せいりにより、一般いっぱん対角化可能行列たいかくかかのうぎょうれつ正規行列せいきぎょうれつ、エルミート行列ぎょうれつmatrix実対称行列じつたいしょうぎょうれつ差異さい明確めいかくになる。直交ちょっこうorthogonalまたはユニタリな基底きていbasis対角化たいかくかdiagonalizationできることは、内積構造ないせきこうぞう両立りょうりつすることを意味いみする。

5Precise explanation

5.11. Eigenvectors for distinct eigenvalues are orthogonal

Let A be a real symmetric matrix, and suppose

Au=λu,Av=μv,λμ.

Because A is symmetric,

Au,v=u,Av.

Substituting the eigenvalue equations gives

λu,v=μu,v.

Hence

(λ-μ)u,v=0.

Since λμ, u,v=0, so u and v are orthogonal.

The same argument works for complex Hermitian matrices. If Au=λu, then

λu,u=Au,u=u,Au=λ_u,u.

Since u0 implies u,u>0, we get λ=λ_, so Hermitian eigenvalues are real.

5.22. Spectral theorem for real symmetric matrices

For a real symmetric matrix A in finite dimensions,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A=QDQT.

Here Q is an orthogonal matrix直交行列ちょっこうぎょうれつ, D is diagonal with real eigenvalues, and the columns of Q are orthonormal eigenvectors of A.

In the complex Hermitian case,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A=UDU*,

where U is unitary and the diagonal entries of D are real.

5.33. Relation with normal matrices

Over finite-dimensional complex inner product spaces,

A*A=AA*Aisunitarilydiagonalizable.

Hermitian matrices are the normal matrices whose eigenvalues are real. Real symmetric matrices are the real version of this self-adjoint situation.

6具体例ぐたいれい

A=(2112)

対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixである。固有ベクトルeigenvectorとして

q1=12(11),q2=12(1-1)

採用さいようすると、対応たいおうする固有値こゆうちeigenvalue3,1 である。したがって

Q=12(111-1),D=(3001)

により

A=QDQT

直交対角化ちょっこうたいかくかされる。

6Concrete example

Let

A=(2112).

This matrix is symmetric. Take

q1=12(11),q2=12(1-1).

The corresponding eigenvalues are 3 and 1. Therefore

Q=12(111-1),D=(3001),

and

A=QDQT.

7べつ観点かんてん

通常つうじょう対角化たいかくかdiagonalizationは、適切てきせつ基底きていbasis選択せんたくして行列ぎょうれつmatrix単純化たんじゅんかする操作そうさoperationである。直交対角化ちょっこうたいかくかは、さらにその基底きていbasis正規直交基底せいきちょっこうきていorthonormal basisにできるというつよ主張しゅちょうである。

この差異さい計算上けいさんじょう幾何学上きかがくじょう重要じゅうようである。直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrixながさと角度かくど保存ほぞんするため、座標変換ざひょうへんかんによって内積構造ないせきこうぞう破壊はかいされない。

7Another viewpoint

Ordinary diagonalization chooses a basis that simplifies a matrix. Orthogonal diagonalization makes the stronger claim that this basis can be orthonormal. Because orthogonal and unitary matrices preserve lengths and angles, the change of coordinates does not destroy the inner-product structure.

8判定基準はんていきじゅん

  • 実対称行列じつたいしょうぎょうれつなら、直交対角化ちょっこうたいかくかできる。
  • エルミート行列ぎょうれつmatrixなら、ユニタリ対角化たいかくかdiagonalizationできる。
  • 複素ふくそcomplexでは、ユニタリ対角化たいかくかdiagonalizationできる行列ぎょうれつmatrix正規行列せいきぎょうれつである。
  • ことなる固有値こゆうちeigenvalue対応たいおうする固有ベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalする。
  • 固有値こゆうちeigenvalueは、主方向しゅほうこうごとの伸縮率しんしゅくりつとして解釈かいしゃくできる。

8Criteria

  • A real symmetric matrix is orthogonally diagonalizable.
  • A Hermitian matrix is unitarily diagonalizable.
  • Over complex finite-dimensional spaces, a matrix is unitarily diagonalizable exactly when it is normal.
  • Eigenvectors for distinct eigenvalues of a symmetric or Hermitian matrix are orthogonal.
  • Eigenvalues describe stretch factors along principal directions.

9どこまで成立せいりつするか

直交対角化ちょっこうたいかくか任意にんい対角化可能行列たいかくかかのうぎょうれつ成立せいりつするわけではない。直交対角化ちょっこうたいかくかには、内積ないせきinner product両立りょうりつする対称性たいしょうせい必要ひつようである。複素ふくそcomplexでは対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixではなくエルミート行列ぎょうれつmatrix基本対象きほんたいしょうにする。

9Scope and limitations

Orthogonal diagonalization does not hold for every diagonalizable matrix. It requires symmetry compatible with the inner product. In complex linear algebra, the correct analogue of a real symmetric matrix is a Hermitian matrix, not merely a matrix satisfying AT=A.

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]AT=AA=QDQT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A*=AA=UDU*
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A*A=AA*Aisunitarilydiagonalizable
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λμEλEμ

10Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]AT=AA=QDQT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A*=AA=UDU*
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A*A=AA*Aisunitarilydiagonalizable
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λμEλEμ

11一言ひとことでいうと

  • 対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixは、空間くうかん直交ちょっこうorthogonalする固有方向こゆうほうこうごとの伸縮しんしゅく分解ぶんかいできる行列ぎょうれつmatrixである。

じつreal対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixは、たがいに直交ちょっこうorthogonalする固有ベクトルeigenvector十分じゅうぶんち、それらから正規直交基底せいきちょっこうきていorthonormal basisつくれる。したがって A=QDQT同値どうちQTAQ=Dける。ここで Q直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrixD対角行列たいかくぎょうれつdiagonal matrixである。

重複固有値ちょうふくこゆうち場合ばあいあやまりやすい。ことなる固有値こゆうちeigenvalueぞくする固有ベクトルeigenvector自動的じどうてき直交ちょっこうorthogonalするが、おな固有空間こゆうくうかんeigenspaceなかでは、さらにグラム・シュミットの直交化ちょっこうか正規直交基底せいきちょっこうきていorthonormal basisえらぶことがある。直交対角化ちょっこうたいかくかながさと角度かくどたもつため、二次形式にじけいしきquadratic form主軸しゅじく計算けいさんてきしている。

11In one sentence

A symmetric matrix対称行列たいしょうぎょうれつ decomposes space into mutually orthogonal eigendirections, each with its own stretch factor.

A real symmetric matrix対称行列たいしょうぎょうれつ has enough mutually orthogonal eigenvectors to form an orthonormal basis. Thus it can be written as A=QDQT, or equivalently QTAQ=D, where Q is orthogonal and D is diagonal.

The repeated-eigenvalue case is the main place where mistakes occur. Eigenvectors for different eigenvalues are automatically orthogonal, but inside one eigenspace one may still need Gram-Schmidt to choose an orthonormal basis. Orthogonal diagonalization preserves lengths and angles, which is why it is the right form for quadratic forms and principal-axis calculations.

12定理ていり:スペクトル定理ていり実数版じっすうばん複素数版ふくそすうばん

実数じっすう有限次元ゆうげんじげん内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは、実対称行列じつたいしょうぎょうれつ A=AT について、正規直交基底せいきちょっこうきていorthonormal basis q1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],qn存在そんざいし、それぞれ

Aqi=λiqi

たす。したがって

A=QDQT

である。

複素ふくそ有限次元ゆうげんじげん内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは、正規行列せいきぎょうれつnormal matrix A*A=AA* について、ユニタリ行列ぎょうれつ (unitary matrix) U対角行列たいかくぎょうれつdiagonal matrix D存在そんざいして

A=UDU*

である。エルミート行列ぎょうれつHermitian matrixはこの特別とくべつ場合ばあいで、D対角成分たいかくせいぶん実数じっすうになる。

12Theorem: real and complex spectral theorems

In a finite-dimensional real inner product space, every real symmetric matrix A=AT has an orthonormal basis q1,,qn of eigenvectors:

Aqi=λiqi.

Equivalently,

A=QDQT.

In a finite-dimensional complex inner product space, every normal matrix正規行列せいきぎょうれつ satisfying A*A=AA* is unitarily diagonalizable:

A=UDU*.

Hermitian matrices are the special case in which the diagonal entries of D are real.

13証明しょうめい方針ほうしん:1 ほん固有こゆうベクトルから直交補空間ちょっこうほくうかん

実対称行列じつたいしょうぎょうれつ場合ばあい特性多項式とくせいたこうしき実根じつこんつことをもちいて、まず単位たんい固有ベクトルeigenvector q1る。つぎに q1かんがえる。xq1 なら

Ax,q1=x,Aq1=λ1x,q1=0

なので、Axq1 である。つまり q1A不変ふへんである。この不変部分空間ふへんぶぶんくうかん帰納法きのうほう適用てきようすると、のこりの正規直交せいきちょっこう固有ベクトルeigenvectorる。

この証明しょうめい要点ようてんは、対称性たいしょうせい直交補空間ちょっこうほくうかんorthogonal complementたもつことである。ここが一般いっぱん行列ぎょうれつでは失敗しっぱいする。

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13Proof idea: from one eigenvector to its orthogonal complement

For a real symmetric matrix, one first chooses a unit eigenvector q1. Then consider the orthogonal complement q1. If xq1, then

Ax,q1=x,Aq1=λ1x,q1=0.

Thus Axq1, so q1 is invariant under A. Applying induction to this invariant subspace gives the remaining orthonormal eigenvectors.

The crucial point is that symmetry preserves orthogonal complements. This is exactly what fails for a general matrix.

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14反例はんれい対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableでも直交対角化ちょっこうたいかくかできない場合ばあい

A=(1102)

固有値こゆうちeigenvalue 1,2つので対角化可能たいかくかかのうである。しかし ATA であり、直交対角化ちょっこうたいかくかはできない。実際じっさい直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrix QQTAQ=Dけるなら A=QDQT となり、右辺うへん対称行列たいしょうぎょうれつになるため A対称たいしょうでなければならない。これは矛盾むじゅんである。

この反例はんれいは、「対角化可能たいかくかかのう」と「直交対角化可能ちょっこうたいかくかかのう」がことなる条件じょうけんであることをしめしている。

14Non-example: diagonalizable does not imply orthogonally diagonalizable

The matrix

A=(1102)

has distinct eigenvalues 1 and 2, so it is diagonalizable. But ATA, and it cannot be orthogonally diagonalized. If QTAQ=D with Q orthogonal and D diagonal, then A=QDQT, which is symmetric. That contradicts ATA.

This example separates diagonalizability from orthogonal diagonalizability.

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