線形代数⑯ 直交行列による上三角化 このエントリーをはてなブックマークに追加

直交行列による上三角化を行う

上三角行列とは対角成分と行列の右上にしか0以外の成分を持たない行列のことです。固有ベクトルをグラム・シュミットの方法で正規直交化したのちに、対角化と同じような作業を行います。

直交行列とは?

すべての成分が実数の$n$次正方行列$R$に対して、
\begin{align*} {}^tRR=E_n \end{align*}
となる行列$R$を直交行列といいます。
このような直交行列をもちいて対角化もどきを行います。今回は証明は大変なので、例題のみです...

直交行列による上三角化

固有ベクトルを求める

\begin{align*} A=\begin{pmatrix} 1 & 3 & 0\\ 2 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix} \end{align*}
この行列の固有値$\lambda$に属する固有ベクトルを$\boldsymbol{u}_\lambda$と書きます。この結果は、固有値・固有ベクトル・固有多項式の記事で書いているのでそちらを参照して、
\begin{align*} \boldsymbol{u}_{-1}&= \begin{pmatrix} -3 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} \\ \boldsymbol{u}_3&= \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \\ \boldsymbol{u}_4&= \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} \end{align*}
とします。これで一次独立な3本のベクトルが得られました。これを正規直交基底に書き直します。

グラム・シュミットの方法で正規直交基底を作る

$\boldsymbol{v}_1$,$\boldsymbol{v}_2$,$\boldsymbol{v}_3$の三つのベクトルを作ります。一旦ノルムを無視して計算したものを$\boldsymbol{v}_i^\prime$とおき、それを正規化します。
\begin{align*} \boldsymbol{v}_1=\dfrac{\boldsymbol{u}_{-1}}{\|\boldsymbol{u}_{-1}\|}= \dfrac{1}{\sqrt{13}} \begin{pmatrix} -3 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} \end{align*}
次のベクトルを
\begin{align*} \boldsymbol{v}^\prime_2=\boldsymbol{u}_3-(\boldsymbol{u}_3\cdot\boldsymbol{v}_1)\boldsymbol{v}_1= \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \end{align*}
として正規化して、
\begin{align*} \boldsymbol{v}_2=\dfrac{\boldsymbol{v}^\prime_2}{\|\boldsymbol{v}^\prime_2\|}= \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \end{align*}
3本目のベクトルは、
\begin{align*} \boldsymbol{v}^\prime_3 &=\boldsymbol{u}_4-(\boldsymbol{u}_4\cdot\boldsymbol{v}_1)\boldsymbol{v}_1-(\boldsymbol{u}_4\cdot\boldsymbol{v}_2)\boldsymbol{v}_2 \\ &= \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} - \dfrac{(-1)}{13} \begin{pmatrix} -3 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \\ &= \dfrac{1}{13} \begin{pmatrix} 10 \\ 15 \\ 0 \end{pmatrix} \end{align*}
\begin{align*} \boldsymbol{v}_3 &=\dfrac{ \boldsymbol{v}^\prime_3}{\| \boldsymbol{v}^\prime_3\|} \\ &= \dfrac{1}{\sqrt{13}} \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix} \end{align*}
以上をまとめると、
\begin{align*} \boldsymbol{v}_1&= \dfrac{1}{\sqrt{13}}\begin{pmatrix} -3 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} \\ \boldsymbol{v}_2&= \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \\ \boldsymbol{v}_3&= \dfrac{1}{\sqrt{13}}\begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix} \end{align*}


変換行列を用意する

ここで、以下のような行列を用意します。各ベクトルは一次独立なので、これは正則行列になります。
\begin{align*} P&= \begin{pmatrix} \boldsymbol{v}_1 & \boldsymbol{v}_2 & \boldsymbol{v}_3 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} -3/\sqrt{13} & 0 & 2/\sqrt{13} \\ 2/\sqrt{13} & 0 & 3/\sqrt{13} \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix} \\ &= \dfrac{1}{\sqrt{13}}\begin{pmatrix} -3 & 0 & 2 \\ 2 & 0 & 3 \\ 0 & \sqrt{13} & 0 \end{pmatrix} \end{align*}
ちなみに、計算はものすごく大変ですが、逆行列を計算すると、
\begin{align*} P^{-1} &= \begin{pmatrix} -3/\sqrt{13} & 2/\sqrt{13} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 2/\sqrt{13} & 3/\sqrt{13} & 0 \end{pmatrix} \\ &= \dfrac{1}{\sqrt{13}}\begin{pmatrix} -3 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & \sqrt{13} \\ 2 & 3 & 0 \end{pmatrix} \end{align*}
これらに対して、$P^{-1}AP$を計算すると、
\begin{align*} P^{-1}AP&= \dfrac{1}{\sqrt{13}}\begin{pmatrix} -3 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & \sqrt{13} \\ 2 & 3 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0\\ 2 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix} \dfrac{1}{\sqrt{13}}\begin{pmatrix} -3 & 0 & 2 \\ 2 & 0 & 3 \\ 0 & \sqrt{13} & 0 \end{pmatrix} \\ &=\dfrac{1}{13} \begin{pmatrix} 1 & -5 & 0 \\ 0 & 0 & 3\sqrt{13} \\ 8 & 12 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -3 & 0 & 2 \\ 2 & 0 & 3 \\ 0 & \sqrt{13} & 0 \end{pmatrix}\\ &=\dfrac{1}{13} \begin{pmatrix} -13 & 0 & -13 \\ 0 & 39 & 0 \\ 0 & 0 & 52 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} -1 & 0 & -1 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{pmatrix} \end{align*}
これで上三角化が完了しました。



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