この行列の転置 との積をとると 両辺の行列式を取ると より なので は正則で逆行列 が存在する. の右から をかけると がわかる. となる行列を一般に 直交行列 (orthogonal matrix) という. さてこの直交行列 を使って を計算すると, となる. 固有ベクトルの直交性から結局 を得る. 実対称行列 の固有ベクトルからつくった直交行列 を使って は対角成分に固有値が並びそれ以外は の行列を得ることができる. これを行列の 対角化 といい,実対称行列の場合は必ず直交行列によって対角化可能である. すべての行列が対角化可能ではないことに注意せよ. 成分が の対角行列を記号で と書くことがある. 分布定数回路におけるF行列の導出・高周波測定における同軸ケーブルの効果 Imaginary Dive!!. 対角化行列の行列式は である. 直交行列の行列式の2乗は に等しいから が成立する. Problems 次の 次の実対称行列を固有値,固有ベクトルを求めよ: また を対角化する直交行列 を求めよ. まず固有値を求めるために固有値方程式 を解く. 1行目についての余因子展開より よって固有値は . 次にそれぞれの固有値に属する固有ベクトルを求める. のとき, これを解くと . 大きさ を課せば固有ベクトルは と求まる. 同様にして の場合も固有ベクトルを求めると 直交行列 は行列 を対角化する.
この項目では,wxMaxiam( インストール方法 )を用いて固有値,固有ベクトルを求めて比較的簡単に行列を対角化する方法を解説する. 類題2. 1 次の行列を対角化せよ. 出典:「線形代数学」掘内龍太郎. 浦部治一郎共著(学術出版社)p. 171 (解答) ○1 行列Aの成分を入力するには メニューから「代数」→「手入力による行列の生成」と進み,入力欄において行数:3,列数:3,タイプ:一般,変数名:AとしてOKボタンをクリック 入力欄に与えられた成分を書き込む. (タブキーを使って入力欄を移動するとよい) A: matrix( [0, 1, -2], [-3, 7, -3], [3, -5, 5]); のように出力され,行列Aに上記の成分が代入されていることが分かる. ○2 Aの固有値と固有ベクトルを求めるには wxMaximaで,固有値を求めるコマンドは eigenvalus(A),固有ベクトルを求めるコマンドは eigenvectors(A)であるが,固有ベクトルを求めると各固有値,各々の重複度,固有ベクトルの順に表示されるので,直接に固有ベクトルを求めるとよい. 画面上で空打ちして入力欄を作り, eigenvectors(A)+Shift+Enterとする.または,上記の入力欄のAをポイントしてしながらメニューから「代数」→「固有ベクトル」と進む [[[ 1, 2, 9], [ 1, 1, 1]], [[ [1, 1/3, -1/3]], [ [1, 0, -1]], [ [1, 3, -3]]]] のように出力される. これは 固有値 λ 1 = 1 の重複度は1で,対応する固有ベクトルは 整数値を選べば 固有値 λ 2 = 2 の重複度は1で,対応する固有ベクトルは 固有値 λ 3 = 9 の重複度は1で,対応する固有ベクトルは となることを示している. ○3 固有値と固有ベクトルを使って対角化するには 上記の結果を行列で表すと これらを束ねて書くと 両辺に左から を掛けると ※結果のまとめ に対して, 固有ベクトル を束にした行列を とおき, 固有値を対角成分に持つ行列を とおくと …(1) となる.対角行列のn乗は各成分のn乗になるから,(1)を利用すれば,行列Aのn乗は簡単に求めることができる. 行列式の値の求め方を超わかりやすく解説する – 「なんとなくわかる」大学の数学・物理・情報. (※) より もしくは,(1)を変形しておいて これより さらに を用いると, A n を成分に直すこともできるがかなり複雑になる.
\bar A \bm z=\\ &{}^t\! (\bar A\bar{\bm z}) \bm z= \overline{{}^t\! (A{\bm z})} \bm z= \overline{{}^t\! (\lambda{\bm z})} \bm z= \overline{(\lambda{}^t\! \bm z)} \bm z= \bar\lambda\, {}^t\! \bar{\bm z} \bm z (\lambda-\bar\lambda)\, {}^t\! \bar{\bm z} \bm z=0 \bm z\ne \bm 0 の時、 {}^t\! 行列 の 対 角 化传播. \bar{\bm z} \bm z\ne 0 より、 \lambda=\bar \lambda を得る。 複素内積、エルミート行列 † 実は、複素ベクトルを考える場合、内積の定義は (\bm x, \bm y)={}^t\bm x\bm y ではなく、 (\bm x, \bm y)={}^t\bar{\bm x}\bm y を用いる。 そうすることで、 (\bm z, \bm z)\ge 0 となるから、 \|\bm z\|=\sqrt{(\bm z, \bm z)} をノルムとして定義できる。 このとき、 (A\bm x, \bm y)=(\bm x, A\bm y) を満たすのは対称行列 ( A={}^tA) ではなく、 エルミート行列 A={}^t\! \bar A である。実対称行列は実エルミート行列でもある。 上記の証明を複素内積を使って書けば、 (A\bm x, \bm x)=(\bm x, A\bm x) と A\bm x=\lambda\bm x を仮定して、 (左辺)=\bar{\lambda}(\bm x, \bm x) (右辺)=\lambda(\bm x, \bm x) \therefore (\lambda-\bar{\lambda})(\bm x, \bm x)=0 (\bm x, \bm x)\ne 0 であれば \lambda=\bar\lambda となり、実対称行列に限らずエルミート行列はすべて固有値が実数となる。 実対称行列では固有ベクトルも実数ベクトルに取れる。 複素エルミート行列の場合、固有ベクトルは必ずしも実数ベクトルにはならない。 以下は実数の範囲のみを考える。 実対称行列では、異なる固有値に属する固有ベクトルは直交する † A\bm x=\lambda \bm x, A\bm y=\mu \bm y かつ \lambda\ne\mu \lambda(\bm x, \bm y)=(\lambda\bm x, \bm y)=(A\bm x, \bm y)=(\bm x, \, {}^t\!
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