Hermite 変換, Unitary 変換, 正規変換

定義12.4.1 (1) V の線形変換 T が T^∗ =T を満たすとき, T は Hermite 変換と呼ばれ, T^∗ =−T を満たすとき,歪 Hermite 変換と呼ばれる.

(2) また,正方行列 A が A^∗ =A を満たすとき, AはHermite行列と呼ばれ, A^∗ =−A を 満たすとき, A は歪Hermite 行列と呼ばれる.

注意12.4.2 12.3.6(1) により, 線形変換 T が Hermite 変換であることと, 任意の

::::::::::::正規直交基 に関する T の表現行列が Hermite 行列であることは同値である.

問12.4.3 A が Hermite 行列でも歪 Hermite 行列でもあるならば A=O であることを示せ. 問12.4.4 線形変換 T に対して T^∗T およびT T^∗ は Hermite変換であることを示せ. また,正

方行列 A に対して A^∗A およびAA^∗ は Hermite 行列であることを示せ.

問12.4.5 T が Hermite 変換であるとき, 任意の自然数 n に対しTⁿ も Hermite 変換である ことを示せ. さらに T が正則なHermite 変換であるとき,任意の n ∈Z に対しTⁿ はHermite 変換であることを示せ.

問12.4.6 A が Hermite 行列であるとき^tA も Hermite 行列であることを示せ. 定理12.4.7 Hermite 変換, Hermite 行列の固有値はすべて実数である.

証明 V の Hermite 変換 T が固有値 λ∈C を持つとき, 06=u∈V が存在して

T(u) = λu となる. このとき

(T(u),u) = (λu,u) =λ(u,u) = λkuk².

一方,T は Hermite 変換だから

(T(u),u) = (u, T(u)) = (u, λu) =λ(u,u) = λkuk². 従つて λkuk² =λkuk² であるが, u6=0 ゆゑλ=λ で λ∈R.

Hermite 行列に関しては問 (次の12.4.8)とする.

問12.4.8 Hermite 行列の固有値はすべて実数であることを示せ. 問12.4.9 歪 Hermite 行列の固有値はすべて純虚数であることを示せ.

定義12.4.10 すべての固有値が正である Hermite 行列を正定値Hermite 行列といふ. 定義12.4.11 V の線形変換T がHermite内積の値を変へないとき,即ち,任意のu,v∈V について

T(u), T(v)

= (u,v)

注意12.4.12 T が V の unitary 変換であるためには, V の 1つの基 (正規直交基でなくても よい){u1,· · · ,un} について

T(u_i), T(u_j)

= (u_i,u_j) が成り立つこととが必要十分である.

命題12.4.13 T を Hermite 空間V の線形変換とする. 次の3 つは同値である. (1) T は unitary 変換である.

(2) T^∗T =I_V. (3) T T^∗ =I_V.

証明 (1) ⇒ (2). 任意の u, v ∈ V について, (u,v) = T(u), T(v)

= u, T^∗T(v) ゆゑ, T^∗T(v) = v である. つまり(2) が成り立つ.

(2) ⇒ (1) は上の議論を逆に辿ればよい.

(2) ⇔ (3). V の基を決めて, それに関する T の表現行列を A とすれば, 仮定から A^∗A =I.

3.5.2 により,A^∗ =A⁻¹ であり AA^∗ =I が成り立つ. これは T T^∗ =I_V を意味する. (3) ⇔ (2) は上の議論を逆に辿ればよい.

定義12.4.14 正方行列U がU^∗U =I,つまり^tU U =Iを満たすとき,U はunitary 行列で あると言はれる.

注意12.4.15 Unitary 行列は絶対値1 の複素数e^iθ (θ ∈R) の類似であると考へられる.

問12.4.16 U が unitary 行列であるとき^tU も unitary 行列であることを示せ. 問12.4.17 Unitary 行列の行列式の絶対値は 1 であることを示せ.

例題12.4.18 V の正規直交基を固定する. T が V の unitary 変換であるためには,この基に 関する表現行列が unitary 行列であることが必要十分であることを示せ.

証明 dim(V) =n として, 与へられた正規直交基を {u₁,· · · ,u_n} とし, T の表現行列を A = [a₁ · · · a_n] とせよ. このとき

T(u_i), T(u_j)

= Xⁿ

k=1

a_kiu_k, Xn k=1

a_kju_k

=^ta_ia_j. T が unitary 変換であることは T(u_i), T(u_j)

= (u_i,u_j) = δ_ij であることに他ならず, そ れは

ta_ia_j =δ_ij,

即ち^tAA=I であることと同値である. 従つて A は unitary 行列である.

命題12.4.19 n 次正方行列 U = [a₁ · · · a_n] について, 次の3 条件は同値である. (1) U は unitary 行列.

(2) T_U は Cⁿ の標準Hermite 内積に関してunitary 変換である.

(3) {a₁, · · · ,a_n} は Cⁿ の標準 Hermite 内積に関して正規直交基である.

証明 (1) ⇔ (2) は 12.4.18 から直ちにわかる. また (1) を仮定すれば U^∗U =I であるが, こ れは, すべての 1 ≤i, j ≤ n について ^taiaj =δij, 即ち ^taiaj =δij であることと同値であり, これは (a_i,a_j) =δ_ij を意味するから, (3) が結論される. この議論は可逆だから (3) ⇒ (1) も 示された.

定理12.4.20 T をV の線形変換とせよ. T が V のunitary 変換であるためには, 任意の u∈V に対し, kT(u)k=kuk であることが必要十分である.

証明 (必要性) これは定義より明らか. (十分性) u,v ∈V について ku+vk² =kuk²+ (u,v) + (u,v) +kuk²,

kT(u+v)k² =k(Tu)k²+ (T(u), T(v)) + (T(u), T(v)) +kT(u)k² であることとT についての仮定から

(u,v) + (u,v) = (T(u), T(v)) + (T(u), T(v))

である. ここで実数部分を real, 虚数部分を imag で表せば, 上のことから real(u,v) = real(T(u), T(v)). 一方 u の代りにiuをとるとreal(−i(u,v)) = real(−i(T(u), T(v))),つまり imag(u,v) = imag(T(u), T(v))が示され, 結局, 任意の u, v について

(u,v) = T(u), T(v) となるから T は unitary 変換である.

注意12.4.21 次の様な類似があると考へればわかり易いかも知れない :

複素数を成分に持つ行列 ←→ 複素数 随伴行列 ←→ 複素共役

Hermite行列 ←→ 実数

正定値 Hermite行列 ←→ 正の数

歪 Hermite行列 ←→ 純虚数

Unitary 行列 ←→ 絶対値1 の複素数.

演 習 問 題 12.4

12.4.22 一般に 2つのHermite 行列の和, 積はHermite 行列になるか. 理由をつけて答へよ. 12.4.23 任意の正方行列 Aは Hermite 行列 H を歪 Hermite行列 S の和A=H+S として 一意的に表されることを示せ.

12.4.24 行列A ∈Mat(n,C) を任意にとり固定する. このとき, 2 つの集合 H ={X ∈Mat(n,C)|X^∗A+AX =O, φ_X(−1)6= 0},

U ={T ∈Mat(n,C)|T^∗AT =A, φ_T(−1)6= 0}

がCayley 変換T = (I−X)(I+X)⁻¹ により 1対1に対応することを証明せよ. とくにA =I

とすれば unitary 行列のある集合と歪 Hermite 行列のある集合との対応が得られる.