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parent: Theorems
title: 定理集1
date: 2018-12-11
tags: 行列, 定理
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# ヴァンデルモンドの行列式
```math
$$
det \left(\begin{array}{cccc}
1 & 1 & \ldots & 1 \\
x_1 & x_2 & & x_n \\
x_1^2 & x_2^2 & & x_n^2 \\
\vdots & \vdots & & \vdots \\
x_1^{n-2} & x_2^{n-2} & & x_n^{n-2} \\
x_1^{n-1} & x_2^{n-1} & & x_n^{n-2}
\end{array}\right)=\prod_{i>j}(x_i - x_j)
$$
```
----------------------------------------------------------------------------
(i) $n-1$で成り立つと仮定.
$n$において,$i行-(i-1)行\times x_1$を$i=n,n-1,\cdots,1$の順に行う.
```math
$$
\begin{split}
(左辺)&=\left|\begin{array}{cccc}
1 & 1 & \ldots & 1 \\
0 & 1(x_2 - x_1) & & 1(x_n - x_1) \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & x_2^{n-2}(x_2 - x_1) & \ldots & x_n^{n-2}(x_2 - x_1)
\end{array}\right| \\
&=\left|\begin{array}{ccc}
(x_2 - x_1) & \ldots & (x_n -x_1) \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
x_2^{n-2}(x_2 - x_1) & \ldots & x_n^{n-2}(x_n - x_1)
\end{array}\right|\quad (行列式の性質より) \\
&=\left|(x_2 - x_1)(x_3 - x_1)\ldots(x_n - x_1)\left(\begin{array}{ccc}
1 & \ldots & 1 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
x_2^{n-2} & \ldots & x_n^{n-2}
\end{array}\right)\right| \\
&=\left|(x_2 - x_1)(x_3 - x_1)\ldots(x_n - x_1)\right|\left|\begin{array}{ccc}
1 & \ldots & 1 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
x_2^{n-2} & \ldots & x_n^{n-2}
\end{array}\right| \quad(|AB|=|A||B|より)\\
&=(x_2 - x_1)(x_3 - x_1)\ldots(x_n - x_1)\left|\begin{array}{ccc}
1 & \ldots & 1 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
x_2^{n-2} & \ldots & x_n^{n-2}
\end{array}\right| \\
\end{split}
$$
```
$(n-1)$から$n$が示せた.
(ii) $n=2$のとき
```math
$$
\left|\begin{array}{cc}
1 & 1 \\
x_1 & x_2
\end{array}\right| = (x_2 - x_1)
$$
```
より成立
# 直交補空間
$n$次元空間$V$の部分空間$W$のすべてのベクトルと直交するベクトル全体を$W^\perp$として,
これを$W$の直交補空間という. (つまり, $p \in W \quad q \in W^\perp$ならば, 内積$(p,q)=0$)
このとき, 以下が成り立つ.
a) $W^\perp$は$V$の部分空間
b) $W^\perp\cap W={0}$
----------------------------------------------------------------------------
a)
$x\in W, a,b \in W^\perp$ $(x,a)=(x,b)=0$を仮定
(i) 明らかに$0\in W^\perp$
(ii)
```math
$$
\begin{split}
(a+b, x) &= (a+b)\cdot x \\
&= ax + bx \\
&= 0 \quad (仮定より)
\end{split}
$$
```
(iii)
```math
$$
\begin{split}
(ka, x) &= kax \\
&= 0 \quad (仮定より)
\end{split}
$$
```
以上から,
$W^\perp \subset V$
b)
$0\in W^\perp \cap W$は明らか
$\bf{a} \neq 0, \bf{a} \in W^\perp \cap W$について ($\bf{a}=0$以外について)
$\bf{a} \in W, W^\perp$ より
```math
$$
\begin{split}
(\bf{a}, \bf{a})&=0 \\
\bf{a} \cdot \bf{a} &= 0 \\
\bf{a} &= 0
\end{split}
$$
```
[部分空間]
===========
ベクトル空間$V$野からではない部分集合$W$が和及びスカラー倍について閉じているとき
$W$を$V$の部分空間という.
(i) $0 \in W$
(ii) $a, b \in W \quad a+b \in W$
(iii) $a \in W \quad ka \in W \quad (k \in K)$
===========
# 直交射影
一次独立なベクトル$a, b$が与えられたとき, $b$の$a$への直交射影は,
```math
$$x=\frac{(a,b)}{(a,a)} a$$
```
と表せる.
----------------------------------------------------------------------------
```math
$$
\begin{split}
x=\lambda a \quad (\lambda は任意) \\
(b - \lambda a, a) &= 0 \\
(b - \lambda a) \cdot a &= 0 \\
(b,a) - \lambda (a, a) &= 0 \\
\lambda = \frac{(b,a)}{(a,a)}
\end{split}
$$
```
よって,
```math
$$x=\frac{(a,b)}{(a,a)} a$$
```
# ユニタリ行列の行列式
ユニタリ行列$U$ $(UU^H=U^HU=I)$の行列式の絶対値は1
----------------------------------------------------------------------------
```math
$$
\begin{split}
|UU^H| &= |U||U^H| \\
&= |U||\overline{U}^T| \\
&= |U||\overline{U}| \quad (|A^T|=|A|) \\
&= \alpha \overline{\alpha} \\
&= |\alpha|^2
\end{split}
$$
```
$|UU^H|=1$より,
```math
$$
\begin{split}
|\alpha|^2 &= 1 \\
|\alpha| &= 1
\end{split}
$$
```
よって、$|U|=1$
[::NOTE]
========
* 実対称行列$A$は, エルミート行列$H$の一種
* 直交行列$P$は, ユニタリ行列$U$の一種
========
# エルミート行列の固有値
エルミート行列$A$ $(A^H = A)$の固有値はすべて実数
----------------------------------------------------------------------------
$Ax = \lambda x \quad$ ($x \neq 0$とする)
```math
$$
\begin{split}
x^H Ax &= x^H \lambda x \\
&= \lambda x^H x
\end{split}
$$
```
```math
$$
\begin{split}
x^H A^H x &= (Ax)^H x \\
&= (\lambda x)^H x \\
&= \overline{\lambda}x^H x
\end{split}
$$
```
$x^H Ax=x^H A^H x$より,
```math
$$
\lambda x^H x = \overline{\lambda}x^H x
$$
```
$\overline{\lambda}=\lambda$より, $\lambda$は実数. ($x^H x \neq 0$より)
# 実対称行列の固有値
実対象行列A $(A=A^T)$の固有値はすべて実数
----------------------------------------------------------------------------
エルミート行列の固有値はすべて実数 であることから, 成立する.
# ユニタリ行列の固有値
ユニタリ行列$U$の固有値の絶対値は1 ($U^H U = U U^H = I$)
----------------------------------------------------------------------------
$Ux=\lambda x (x \neq 0)$とする.
```math
$$
\begin{split}
x^H Ux &= \lambda x^H x \\
&= \lambda x^H U^H U x \quad (U^HU=Iより) \\
&= \lambda (Ux)^H Ux \\
&= \lambda (\lambda x)^H Ux \quad (Ux=\lambda x より) \\
&= \lambda \overline{\lambda} x^H Ux
\end{split}
$$
```
$x^H Ux = \lambda x^H x$より,
```math
$$
\begin{split}
(\lambda \overline{\lambda} - 1)x^H x &= 0 \\
\lambda \overline{\lambda} &= 1 \quad (x^H x \neq 0) \\
|\lambda|^2 &= 1 \\
|\lambda| &= 1 \quad (|\lambda | > 0 より)
\end{split}
$$
```
# 直交行列の固有値
直交行列の固有値の絶対値は1 ($U^T U = U U^T = I$)
----------------------------------------------------------------------------
ユニタリ行列の固有値の絶対値は1であることより, 成立する.
# エルミート行列の固有ベクトルの直交性
エルミート行列$A$において, 重複のない固有値に対応する固有ベクトルは直交する.
----------------------------------------------------------------------------
次のように置く.
```math
$$
\begin{split}
Ax &= \lambda x \quad (x \neq 0) \\
Ay &= \mu y \quad (y \neq 0) \\
\lambda &\neq \mu \quad (重複のない固有値)
\end{split}
$$
```
次式が成立.
```math
$$
y^H A x = \lambda y^H x
$$
```
また, これも成立.
```math
$$
\begin{split}
x^H A y &= \mu x^H y \\
(x^H A y)^H &= (\mu x^H y)^H \\
y^H A^H x &= \overline{\mu} y^H x \\
y^H A^H x &= \mu y^H x \quad (エルミート行列の固有値は実数) \\
y^H A x &= \mu y^H x
\end{split}
$$
```
よって,
```math
$$
\begin{split}
(\lambda - \mu)y^H x &= 0 \\
y^H x &= 0 \quad (\lambda \neq \mu)
\end{split}
$$
```
$x$と$y$は直交する.
# 正規行列の固有値
$A$が正規行列($AA^H = A^H A$)のとき, $Ax=\lambda x$ならば, $A^H x = \overline{\lambda}x$
つまり, $A^H$の固有値は$\overline{\lambda}$である.
----------------------------------------------------------------------------
```math
$$
\begin{split}
(Ax - \lambda x)^H (Ax - \lambda x) &= x^H(A^H - \overline{\lambda}I)(A - \lambda I)x \quad (x \neq 0)\\
&= x^H(A^H A - \lambda A^H - \overline{\lambda}A + |\lambda|^2)x \\
&= x^H(AA^H - \lambda A^H - \overline{\lambda}A + |\lambda|^2)x \\
&= x^H(A - \lambda I)(A^H - \overline{\lambda}I)x \\
&= ((A - \lambda I)^H x)^H (A - \lambda I)^Hx
\end{split}
$$
```
また, $Ax=\lambda x$より, $(Ax - \lambda x)^H (Ax - \lambda x) = 0$
よって,
```math
$$
\begin{split}
(A - \lambda I)^H x &= 0 \\
A^H x &= \lambda^H x \\
A^H x &= \overline{\lambda}x
\end{split}
$$
```
# 固有ベクトルの一次独立性
$A$の相異なる固有値に対応する固有ベクトルは一次独立である.
特に, $A$が正規行列ならば直交する.
----------------------------------------------------------------------------
次のようにおく.
```math
$$
\begin{split}
Ax &= \lambda x \\
Ay &= \mu y \quad (\lambda \neq \mu)(x \neq 0, y \neq 0)
\end{split}
$$
```
# 一次独立性
$\alpha x + \beta y =0 $について
次が成立.
```math
$$
\begin{split}
\alpha Ax + \beta Ay &= 0 \\
\alpha \lambda x + \beta \mu y &= 0
\end{split}
$$
```
次も成立.
```math
$$
\alpha \mu x + \beta \mu y = 0
$$
```
以上から,
```math
$$
\begin{split}
\alpha(\mu - \lambda)x &= 0 \\
\alpha = 0 \quad (\mu \neq \lambda, x \neq 0 より)
\end{split}
$$
```
これを, $\alpha x + \beta y =0 $に代入
```math
$$
\begin{split}
\beta y &= 0 \\
\beta &= 0 \quad (y \neq 0より)
\end{split}
$$
```
以上から, $x, y$は一次独立
# $A$が正規行列の場合
```math
$$
\begin{split}
\overline{\mu}y^H x &= (\mu y)^H x \\\
&= (Ay)^H x \\
&= y^H A^H x \\
&= \overline{\lambda}y^H x \quad (A^H の固有値は\overline{\lambda}) \\
(\overline{\mu} - \overline{\lambda})y^H x &= 0 \\
y^H x &= 0 \quad (\overline{\mu} \neq \overline{\lambda})
\end{split}
$$
```
よって, 直交する.
# 三角化
行列$A$が適当なユニタリ行列$U$を使って三角化つまり,
固有値を対角成分に持つ三角行列$S$に対して, $U^H AU=S$とできる.
ただし, $A$の固有値$\lambda_i$に対応する固有ベクトルを$u_i$とすると,
$U=(u_1 u_2 \ldots u_n)$である.
特に, $A$が正規行列ならば, $S$を対角行列に選ぶことができる.
```math
$$
\begin{split}
U^H A U &= S \\
\left(\begin{array}{c}u_1^H \\
u_2^H \\
\vdots \\
u_n^H\end{array}\right) A \left(\begin{array}{cccc}u_1 & u_2 & \ldots & u_n\end{array}\right)
&= \left(\begin{array}{cccc}
\lambda_1 & & & \Huge{*} \\
&\lambda_2 & & \\
& & \ddots & \\
\Huge{0} & & & \lambda_n
\end{array}\right) \\
Au_i &= \lambda_i u_i \\
u_i^H u_j &= 0 \quad (i \neq j)
\end{split}
$$
```
----------------------------------------------------------------------------
特に以下の証明
```math
$$
\begin{split}
U^H AU &= S \\
UU^H AUU^H &= USU^H \\
A &= USU^H
\end{split}
$$
```
$A^H$について
```math
$$
\begin{split}
A^H &= (USU^H)^H \\
&= US^HU^H
\end{split}
$$
```
$AA^H=A^H A$なので, ($A$は正規行列なので)
```math
$$
\begin{split}
USU^H US^H U^H &= U S^H U^H U S U^H \\
USS^H U^H &= US^H SU^H \\
USS^H U^H U &= US^H SU^H U \quad (右からUをかける) \\
USS^H &= US^H S \\
SS^H &= S^H S \\
\left(\begin{array}{ccc}
* & & \Huge{*} \\
& \ddots & \\
\Huge{0} & & *
\end{array}\right)
\left(\begin{array}{ccc}
* & & \Huge{0} \\
& \ddots & \\
\Huge{*} & & *
\end{array}\right) &=
\left(\begin{array}{ccc}
* & & \Huge{0} \\
& \ddots & \\
\Huge{*} & & *
\end{array}\right)
\left(\begin{array}{ccc}
* & & \Huge{*} \\
& \ddots & \\
\Huge{0} & & *
\end{array}\right)
\end{split}
$$
```
数学的帰納法を用いての証明は略
```math
$$
S = \left(\begin{array}{ccc}
* & & \Huge{0} \\
& \ddots & \\
\Huge{0} & & *
\end{array}\right)
$$
```
# 対角化
行列$A(n \times n)$が適当な正則な行列$P$を使って対角化つまり, $P^{-1}AP$が
対角行列にできるための必要十分条件は, 固有値$\lambda_i$の重複度と
同じ数の独立な固有ベクトルが選べることである.
このとき, 各固有ベクトル$v_i$は一次独立であり,
$P=(v_1 v_2 \ldots v_n)$とすると, $P^{-1}AP=\Sigma=diag(\lambda_1 \lambda_2 \ldots \lambda_n$)となる.
----------------------------------------------------------------------------
# エルミート行列の対角化
$A$がエルミート行列ならば$P$をユニタリ行列に選ぶことができる.
----------------------------------------------------------------------------
エルミート行列$A$において, 重複のない固有値に対応する固有ベクトルは直交するので, 成立する.
# 実対称行列の対角化
$A$が実対称行列ならば, $P$を直交行列に選ぶことができる.
----------------------------------------------------------------------------
# エルミート行列であるための必要十分条件
正規行列$A$がエルミート行列であるための必要十分条件は, $A$の固有値が実数であることである.
----------------------------------------------------------------------------
$A$がエルミート行列ならば, $A$の固有値が実数であることは証明済み.
$A$の固有値が実数であるならば, $A$がエルミート行列であることについて.
$A$が正規行列であることから, 対角化可能.
```math
$$
\begin{split}
U^H AU &= \Sigma = \left(\begin{array}{cccc}
\lambda_1 & & & \Huge{0} \\
& \lambda_2 & & \\
& & \ddots & \\
\Huge{0} & & & \lambda_n
\end{array}\right) \\
(U^H A U)^H &= (\Sigma)^H \\
U^H A^H U &= \Sigma \\
U^H A^H U &= U^H A U \\
U U^H A^H U U^H &= U U^H A U U^H \\
A^H &= A
\end{split}
$$
```
# ユニタリ行列であるための必要十分条件
正規行列$A$がユニタリ行列であるための必要十分条件は, $A$の固有値$\lambda_i$の絶対値が1であることである.
----------------------------------------------------------------------------
$A$がユニタリ行列ならば, $A$の固有値の絶対値が1であることは証明済み.
$A$の固有値の絶対値が1ならば, $A$がユニタリ行列であることについて.
$A$が正規行列であることから, 対角化可能.
```math
$$
\begin{split}
U^H AU &= \Sigma = \left(\begin{array}{cccc}
\lambda_1 & & & \Huge{0} \\
& \lambda_2 & & \\
& & \ddots & \\
\Huge{0} & & & \lambda_n
\end{array}\right) \\
U^H A A^H U &= (U^H A U)(U^H A^H U) \\
&= \Sigma \Sigma^H \\
&= \left(\begin{array}{cccc}
|\lambda_1|^2 & & & \Huge{0} \\
& |\lambda_2|^2 & & \\
& & \ddots & \\
\Huge{0} & & & |\lambda_n|^2
\end{array}\right) \\
&= I \\
UU^H AA^H UU^H &= UIU^H \\
AA^H &= I
\end{split}
$$
```
[::NOTE]
=========
$A^H = (\overline{A})^T$
=========
# トレースと行列式
a) $tr(AB) = tr(BA)$
b) $|AB| = |A||B| = |BA|$
----------------------------------------------------------------------------
a)について
```math
$$
\begin{split}
tr(AB) &= \sum_{i=1}^m(AB)_{ii} \quad (A: m \times n, B: n \times m) \\
&= \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n A_{ij} B_{ji} \\
&= \sum_{j=1}^n \sum_{i=1}^m B_{ji} A_{ij} \\
&= \sum_{j=1}^n (BA)_{jj} \\
&= tr(BA)
\end{split}
$$
```
# トレースと固有値
$tr(A) = \lambda_1 + \lambda_2 + \cdots + \lambda_n$
----------------------------------------------------------------------------
```math
$$
\begin{split}
U^H A U &= S \\
UU^H AUU^H &= USU^H \\
A &= USU^H
\end{split}
$$
```
なので,
```math
$$
\begin{split}
tr(A) &= tr(USU^H) \\
&= tr(SU^H U) \quad tr(ABC)=tr(BCA)=tr(CAB)\\
&= \lambda_1 + \lambda_2 + \cdots + \lambda_n
\end{split}
$$
```
[::NOTE]
========
固有値の検算に最適
========
# 行列式と固有値
$|A|=|USU^H|=|SUU^H|=\lambda_1 \cdot \lambda_2 \cdots \lambda_n$
----------------------------------------------------------------------------