正定値 Hermite 行列

S の存在の一意性を示す. いま, S^′ も Hermite 変換で T =S^′2 を満すとせよ. S^′ の異なる固 有値のすべてを µ₁,· · ·, µ_s とし, 各 1≤i≤s について I^′_i を W(µ_i, S^′) の恒等変換とすれば, S^′ は

S^′ =µ₁I^′₁⊕ · · · ⊕µ_sI^′_s

と spectrum 分解される. このとき, S^′2 = T であることから s = r で, 番号を付け替へれば

µ₁² =λ₁,· · ·, µ_r² =λ_r となることがわかる. このことから容易に S^′ =S がわかる. (十分性)これは明らかである.

問11.6.6 (11.6.5)を証明せよ.

11.6.4 を行列の言葉で述べておく.

命題11.6.7 正方行列 A が (半)正定値Hermite 行列であるためには,A が Hermite 行列

で A=B² となる (半) 正定値Hermite 行列B が存在することが必要十分である.

定義11.6.8 半正定値 Hermite 変換 T に対して T = S² となる半正定値 Hermite 変換 S を √

T で表す. 同様に, 半正定値 Hermite 行列 A に対して A = B² となる半正定値

Hermite 行列B を √

A で表す.

補題11.6.9 ℓ ∈N, 対角化可能な線形変換 H と H の固有値 α に関して次が成り立つ : W(α, H) =W(α^ℓ, H^ℓ).

証明 基を定めておき,H の表現行列をAとすれば正則行列P と H の固有値を対角成分に持 つ行列 B が存在して, A =P BP⁻¹ と書ける. このとき A² = (P BP⁻¹)(P BP⁻¹) = P B²P⁻¹ となるから, P の任意の列 vector は A のある固有値 α に関する固有 vector であり, 同時に A² の固有値 α² に関する固有 vector でもある. 具体的に書けば次の様になる. A の固有値の すべてを,重複も込めて α₁,· · ·, α_n と書き,B =

[ α₁ . ..

α_n ]

とおいて,P = [p₁ · · ·, p_n] によつて B =P⁻¹AP となつてゐるものとする. このとき A² の固有値の全体は, 重複も込め て α₁², · · ·, α_n² であり, P⁻¹A²P =B² となつてゐる. つまり Ap_i = α_ip_i, A²p_i = α_i²p_i で ある. それゆゑ W(α_i, A)⊂W(α_i², A²) であるが, 6.7.8 と合はせると

n=

∑r i=1

dim_CW(αi, A)≤

∑r i=1

dim_CW(αi2

, A²) =n.

よつて W(αi, A) =W(αi2, A²). ℓ >2 の場合も同様に示される.

定理11.6.10 (1) Hermite 空間の任意の同型変換 T は, ある正定値 Hermite 変換 H とあ

る unitary 変換 U の積としてT =HU の形に一意的に書かれる. このとき HU =U H で

あるためにはT が正規変換であることが必要十分である.

(2) 任意の正則行列 A は, ある正定値 Hermite 行列 B とある unitary 行列C の積として A =BC の形に一意的に書かれる. このとき BC =CB であるためには A が正規行列で あることが必要十分である.

証明 (1) 仮定より 0 は T の固有値ではない. また T^∗ も正則である. 線形変換 T T^∗ は

Hermite 変換なので 11.4.6 により, T T^∗ の全ての固有値は実数である. ゆゑに

(T T^∗(u),u)

= (T^∗(u), T^∗(u))>0

である. つまり T T^∗ は正定値 Hermite 変換である. 11.6.4 により √

T T^∗ が存在するから, そ れをH とおく. H は正則変換である. さらに U =H⁻¹T とおくと

U U^∗ = (H⁻¹T)(H⁻¹T)^∗ =H⁻¹T T^∗H⁻¹ =H⁻¹H²H⁻¹ =I

であり, U が Unitary 変換であることがわかつた. これで, 所望の表示 T = HU が得られた.

次に, この形の表示の一意性を示さう. いま 2 通りに T = H₁U₁ = H₂U₂ と表されたとせよ. このとき

H₂ =H₁U₁U₂⁻¹, H₂ =H₂^∗ = (U₂⁻¹)^∗U₁^∗U₁^∗ =U₂U₁⁻¹H₁ であるから

H₂² = (H₁U₁U₂⁻¹)(U₂U₁⁻¹H₁) = H₁²

となる. H₁ も H₂ も正定値Hermite 変換なので H₁ =H₂. これより U₁ =U₂ が従ふ.

次に T を正規変換とする. T^∗T = T T^∗ から (HU)^∗HU = HU(HU)^∗ であるが, これは H²U =U H² を意味する. しかるに, 11.6.9 と 9.3.3 により, これはHU =U H と同値である.

逆に,HU =U H ならば T が正規変換になることは, この議論を逆に辿ればよい.

(2) 同型変換の表現行列は正則行列, Hermite 変換の表現行列は Hermite行列, unitary変換の 表現行列は unitary行列であつて, 変換の合成の表現行列は表現行列の積であるから, (1) より (2) が従ふ.

注意11.6.11 1次元空間の場合, H は正の実数倍であり,それは複素数平面の原点を中心にし

た拡大写像であり, U は絶対値 1 の複素数を掛けること, つまり原点中心の回転を表す. 任意 の正則変換はこれらの合成であるから, 11.6.10 は, この事実の一般化である. 行列の言葉で言 へば,任意の複素数 z が z =re^iθ と表示されることの類似である.

問11.6.12 11.6.10の主張の T =HU を T =U H に変へた場合に, 主張は成立するか.

( Hint : 11.4.5, 11.4.13,および^t(HU) =^tU^tH. )