Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2

13Hermitische vormen

Complexe vectorruimten hebben hun eigen meetkunde van het inproduct, met één wending: lineariteit in de ene veranderlijke, geconjugeerde lineariteit in de andere. De beloning voor het aanvaarden van die wending is een spectraaltheorie die nog schoner is dan de reële — hermitische endomorfismen hebben reële eigenwaarden, unitaire endomorfismen hebben eigenwaarden van modulus 11, en beide diagonaliseren in orthonormale basissen. Dit korte hoofdstuk speelt het euclidische programma van Hoofdstuk 12 over C\C.

13.1 Hermitische inproducten

Definitie 13.1

Een hermitisch inproduct op een complexe vectorruimte EE is een afbeelding , ⁣:E×EC\langle\cdot,\cdot\rangle \colon E \times E \to \C die lineair is in de tweede veranderlijke, geconjugeerd symmetrisch (y,x=x,y\langle y, x\rangle = \conj{\langle x, y\rangle} — en dus geconjugeerd lineair in de eerste veranderlijke) en positief definiet (x,x>0\langle x, x\rangle > 0 voor x0x \neq 0). Het standaardvoorbeeld op Cn\C^n:

x,y=i=1nxiyi;\langle x, y \rangle = \sum_{i=1}^{n} \conj{x_i}\, y_i ;

op continue functies, f,g=abfg\langle f, g\rangle = \int_a^b \conj f\,g. Norm: x=x,x\norm x = \sqrt{\langle x,x\rangle}; een eindigdimensionale complexe ruimte die hiermee is uitgerust, heet een hermitische ruimte.

Voorbeeld 13.2 (Eerste berekeningen)

Neem in C2\C^2 de vectoren x=(1+i, 2i)x = (1+\iu,\ 2-\iu) en y=(i, 1)y = (\iu,\ 1). Dan is

x2=1+i2+2i2=2+5=7,y2=1+1=2,\norm x^2 = \abs{1+\iu}^2 + \abs{2-\iu}^2 = 2 + 5 = 7, \qquad \norm y^2 = 1 + 1 = 2,

en, met conjugatie van het eerste argument,

x,y=(1+i)i+(2i)1=(1i)i+(2+i)=(i+1)+(2+i)=3+2i.\langle x, y\rangle = \conj{(1+\iu)}\,\iu + \conj{(2-\iu)}\cdot1 = (1-\iu)\iu + (2+\iu) = (\iu + 1) + (2 + \iu) = 3 + 2\iu .

Cauchy–Schwarz klopt: x,y2=9+4=1314=x2y2\abs{\langle x, y\rangle}^2 = 9 + 4 = 13 \leq 14 = \norm x^2\norm y^2 — dicht bij gelijkheid, omdat xx dicht bij een veelvoud van yy ligt. Merk ook op dat y,x=3+2i=32i\langle y, x\rangle = \conj{3 + 2\iu} = 3 - 2\iu: geconjugeerde symmetrie in actie, en de reden waarom x,x\langle x, x\rangle altijd reëel is.

Stelling 13.3 (Cauchy–Schwarz, complex)

x,yxy\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x \norm y, met gelijkheid dan en slechts dan als x,yx, y lineair afhankelijk zijn; en \norm\cdot is een norm. Bovendien bestaan er orthonormale basissen (Gram–Schmidt verloopt woordelijk hetzelfde), met

x=iei,xei,x2=iei,x2.x = \sum_i \langle e_i, x\rangle\, e_i, \qquad \norm x^2 = \sum_i \abs{\langle e_i, x\rangle}^2 .

Bewijs. Voor y0y \neq 0 en tCt \in \C: 0xty2=x22(ty,x)+t2y20 \leq \norm{x - ty}^2 = \norm x^2 - 2\Re\bigl(\conj t\langle y, x\rangle\bigr) + \abs t^2\norm y^2. Kies t=y,xy2t = \frac{\langle y, x\rangle}{\norm y^2}:

0x2y,x2y2,0 \leq \norm x^2 - \frac{\abs{\langle y, x\rangle}^2}{\norm y^2},

wat de ongelijkheid is; gelijkheid dwingt x=tyx = ty af. Driehoeksongelijkheid, volledig:

x+y2=x2+2x,y+y2x2+2x,y+y2(x+y)2,\norm{x + y}^2 = \norm x^2 + 2\,\Re\langle x, y\rangle + \norm y^2 \leq \norm x^2 + 2\,\abs{\langle x, y\rangle} + \norm y^2 \leq \bigl(\norm x + \norm y\bigr)^2 ,

met zz\Re z \leq \abs z en vervolgens Cauchy–Schwarz; homogeniteit en scheiding zijn onmiddellijk, dus \norm\cdot is een norm. Gram–Schmidt: als in het reële geval, met de conjugaten op de plaatsen die de definitie voorschrijft (let op de afspraak: onze producten zijn geconjugeerd lineair in de eerste sleuf, zodat de coördinaten ei,x\langle e_i, x\rangle zijn; het volgende voorbeeld doorloopt het algoritme eenmaal volledig).

Voorbeeld 13.4 (Complexe Gram–Schmidt, volledig doorlopen)

Orthonormaliseer de basis v1=(1,i)v_1 = (1, \iu), v2=(0,1)v_2 = (0, 1) van C2\C^2. Eerste vector: v12=12+i2=2\norm{v_1}^2 = \abs1^2 + \abs\iu^2 = 2, dus e1=12(1,i)e_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, \iu). Projecteer v2v_2 — met de conjugatie in de eerste sleuf:

e1,v2=12(10+i1)=i2,v2e1,v2e1=(0,1)+i2(1,i)=(i2, 12).\langle e_1, v_2\rangle = \frac{1}{\sqrt2}\bigl(\conj{1}\cdot0 + \conj{\iu}\cdot1\bigr) = \frac{-\iu}{\sqrt2} , \qquad v_2 - \langle e_1, v_2\rangle e_1 = (0,1) + \frac{\iu}{2}\,(1, \iu) = \Bigl(\frac\iu2,\ \frac12\Bigr) .

De norm hiervan is 14+14=12\sqrt{\frac14 + \frac14} = \frac{1}{\sqrt2}: e2=12(i,1)e_2 = \frac{1}{\sqrt2}(\iu, 1). Controle: e1,e2=12(1i+i1)=12(ii)=0\langle e_1, e_2\rangle = \frac12(\conj1\cdot\iu + \conj\iu\cdot1) = \frac12(\iu - \iu) = 0. Coördinaten van v2v_2 in de nieuwe basis: v2=e1,v2e1+e2,v2e2v_2 = \langle e_1, v_2\rangle e_1 + \langle e_2, v_2\rangle e_2 met e2,v2=12\langle e_2, v_2\rangle = \frac{1}{\sqrt2} — let op de volgorde: v2,e1\langle v_2, e_1\rangle zou de geconjugeerde coëfficiënt geven. Het inzicht om te onthouden: het algoritme is woordelijk het euclidische; de enige valkuil is waar de conjugatie valt, en het berekenen van v2proj2>0\norm{v_2 - \text{proj}}^2 > 0 gebruikt stilzwijgend de positiviteit — het axioma dat de hele meetkunde laat werken.

13.2 Adjunct, hermitische en unitaire endomorfismen

Definitie 13.5

De adjunct uu^* van uL(E)u \in \mathcal{L}(E) is gedefinieerd door u(x),y=x,u(y)\langle u^*(x), y\rangle = \langle x, u(y)\rangle; in een orthonormale basis is Mat(u)=AT=:A\operatorname{Mat}(u^*) = \conj{A}^{\mathsf T} =: A^{\dagger} (de geconjugeerde getransponeerde) — immers, is B=(bij)B = (b_{ij}) de matrix van uu^* in de orthonormale basis (ei)(e_i), dan is bij=ei,u(ej)b_{ij} = \langle e_i, u^*(e_j)\rangle, en de definiërende identiteit geeft

bij=u(ej),ei=ej,u(ei)=aji,dusB=AT.\conj{b_{ij}} = \langle u^*(e_j), e_i\rangle = \langle e_j, u(e_i)\rangle = a_{ji} , \qquad\text{dus}\qquad B = \conj{A}^{\mathsf T} .

En uu heet hermitisch wanneer u=uu^* = u (A=AA^\dagger = A), unitair wanneer uu=idu^*u = \mathrm{id} (AA=IA^\dagger A = I: de groep U(n)U(n)), en normaal wanneer uu=uuu^*u = uu^*.

Propositie 13.6

Eigenwaarden van een hermitisch endomorfisme zijn reëel; eigenwaarden van een unitair endomorfisme hebben modulus 11; in beide gevallen staan de eigenruimten bij verschillende eigenwaarden loodrecht op elkaar.

Bewijs. Hermitisch, u(x)=λxu(x) = \lambda x, x0x \neq 0:

λx2=x,u(x)=u(x),x=x,u(x)=λx2,\lambda \norm x^2 = \langle x, u(x)\rangle = \langle u(x), x\rangle = \conj{\langle x, u(x)\rangle} = \conj\lambda\,\norm x^2 ,

dus λR\lambda \in \R. Unitair: u(x)=x\norm{u(x)} = \norm x (uit uu=idu^*u = \mathrm{id}), dus λx=x\abs\lambda\norm x = \norm x. Orthogonaliteit (hermitisch geval): λx,y=u(x),y=x,u(y)=μx,y\lambda\langle x, y\rangle = \langle u(x), y\rangle = \langle x, u(y)\rangle = \mu\langle x, y\rangle voor eigenvectoren met reële λμ\lambda \neq \mu. Unitair geval, volledig: voor u(x)=λxu(x) = \lambda x, u(y)=μyu(y) = \mu y met λμ\lambda \neq \mu (beide van modulus 11) is

x,y=u(x),u(y)=λμx,y,\langle x, y\rangle = \langle u(x), u(y)\rangle = \conj\lambda\mu\,\langle x, y\rangle ,

en λμ=μλ1\conj\lambda\mu = \frac{\mu}{\lambda} \neq 1: de factor is niet 11, dus x,y=0\langle x, y\rangle = 0.

Voorbeeld 13.7 (Een antihermitische matrix, gediagonaliseerd)

A=(0220)A = \begin{pmatrix} 0 & -2\\ 2 & 0\end{pmatrix} voldoet aan A=AT=AA^\dagger = A^{\mathsf T} = -A: antihermitisch (en ook reëel antisymmetrisch — over R\R heeft zij helemaal geen eigenwaarden). Karakteristieke veelterm X2+4X^2 + 4: eigenwaarden ±2i\pm2\iu, zuiver imaginair, zoals Oefening 13.9 in het algemeen voorspelt. Eigenvectoren: (A2iI)v=0(A - 2\iu I)v = 0 geeft v1=12(1,i)v_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, \iu), en v2=12(1,i)v_2 = \frac{1}{\sqrt2}(1, -\iu) voor 2i-2\iu; zij staan loodrecht op elkaar:

v1,v2=12(11+i(i))=12(11)=0.\langle v_1, v_2\rangle = \tfrac12\bigl(\conj{1}\cdot1 + \conj{\iu}\cdot(-\iu)\bigr) = \tfrac12(1 - 1) = 0 .

Dus A=Udiag(2i,2i)UA = U\operatorname{diag}(2\iu, -2\iu)\,U^\dagger met U=(v1 v2)U = (v_1\ v_2) unitair. Het inzicht om te onthouden: H=iA=(02i2i0)H = -\iu A = \begin{pmatrix} 0 & 2\iu\\ -2\iu & 0\end{pmatrix} is hermitisch met het reële spectrum {±2}\{\pm2\} en dezelfde eigenvectoren — de bijectie uiuu \mapsto \iu u tussen hermitische en antihermitische endomorfismen (Oefening 13.9), matrix voor matrix gezien; over R\R is diezelfde AA een draaivermenigvuldiging zonder enige eigenvector, en pas de overgang naar C\C onthult haar normaalvorm.

Stelling 13.8 (Hermitische spectraalstelling)

Elk hermitisch endomorfisme van een hermitische ruimte bezit een orthonormale basis van eigenvectoren (met reële eigenwaarden): A=AA^\dagger = A impliceert A=UDUA = U D U^{\dagger} met UU(n)U \in U(n) en DD reëel diagonaal.

Bewijs. Over C\C valt de karakteristieke veelterm in lineaire factoren uiteen: er bestaat een eigenvector e1e_1 (Hoofdstuk 3) — geen compactheidsargument nodig, een voordeel van C\C. Normaliseer haar. Haar orthogonale complement F=e1F = e_1^\perp is stabiel: voor xe1x \perp e_1 is

e1,u(x)=u(e1),x=λ1e1,x=0\langle e_1, u(x)\rangle = \langle u(e_1), x\rangle = \lambda_1\langle e_1, x\rangle = 0

(λ1\lambda_1 reëel). De beperking is hermitisch; pas inductie naar de dimensie toe en plak aaneen. In detail: de beperking uFu|_F is een endomorfisme van de hermitische ruimte FF (dimensie n1n - 1) met uF(x),y=x,uF(y)\langle u|_F(x), y\rangle = \langle x, u|_F(y)\rangle, geërfd van uu; de inductiehypothese levert een orthonormale basis (e2,,en)(e_2, \dots, e_n) van FF uit eigenvectoren, en (e1,e2,,en)(e_1, e_2, \dots, e_n) is orthonormaal in EE (e1Fe_1 \perp F) en bestaat uit eigenvectoren van uu. Matricieel vertaald: de kolommen van UU zijn de eie_i, UU=IU^\dagger U = I drukt hun orthonormaliteit uit, en AU=UDAU = UD verzamelt de eigenwaardevergelijkingen, waaruit A=UDUA = UDU^\dagger met DD reëel diagonaal (Propositie 13.6).

Voorbeeld 13.9

A=(0ii0)A = \begin{pmatrix} 0 & -\iu\\ \iu & 0\end{pmatrix} is hermitisch (A=AA^\dagger = A): eigenwaarden uit χA=X21\chi_A = X^2 - 1: ±1\pm 1 (reëel, zoals beloofd), met orthonormale eigenvectoren 12(1,i)T\frac{1}{\sqrt2}(1, \iu)^{\mathsf T} en 12(1,i)T\frac{1}{\sqrt2}(1, -\iu)^{\mathsf T}. (Natuurkundigen kennen AA als een Pauli-matrix; dat hermitische spectra reëel zijn, is de reden waarom kwantumobservabelen door hermitische operatoren worden gemodelleerd.)

Voorbeeld 13.10 (Een positief definiete hermitische matrix, uitgewerkt)

A=(21i1+i3)A = \begin{pmatrix} 2 & 1-\iu\\ 1+\iu & 3\end{pmatrix}: hermitisch, want de diagonaal is reëel en de elementen buiten de diagonaal zijn elkaars complex geconjugeerde. Karakteristieke veelterm:

(2λ)(3λ)1i2=λ25λ+4=(λ1)(λ4):(2-\lambda)(3-\lambda) - \abs{1-\iu}^2 = \lambda^2 - 5\lambda + 4 = (\lambda - 1)(\lambda - 4) :

spectrum {1,4}\{1, 4\}, reëel en positief — AA is positief definiet. Eigenvectoren: voor λ=4\lambda = 4 geeft het stelsel (A4I)v=0(A - 4I)v = 0 dat v4=(1i, 2)v_4 = (1 - \iu,\ 2) (controleer de tweede rij: (1+i)(1i)2=0(1+\iu)(1-\iu) - 2 = 0); voor λ=1\lambda = 1: v1=(1i, 1)v_1 = (1 - \iu,\ -1). Orthogonaliteit, met de conjugatie in de eerste sleuf:

v4,v1=(1i)(1i)+2(1)=22=0.\langle v_4, v_1\rangle = \conj{(1-\iu)}\,(1-\iu) + \conj{2}\,(-1) = 2 - 2 = 0 . \checkmark

Normaliseren (v42=2+4=6\norm{v_4}^2 = 2 + 4 = 6, v12=2+1=3\norm{v_1}^2 = 2 + 1 = 3) geeft de unitaire U=(v46 v13)U = \bigl(\frac{v_4}{\sqrt6}\ \frac{v_1}{\sqrt3}\bigr) met A=Udiag(4,1)UA = U\operatorname{diag}(4,1)U^\dagger. Het inzicht om te onthouden: de lezing volgens Rayleigh is onmiddellijk — op de eenheidssfeer van C2\C^2 doorloopt x,Ax\langle x, Ax\rangle precies [1,4]\intcc{1}{4}, aangenomen in de twee eigenvectoren; dit is de kiem voor n=2n = 2 van de theorie van Courant en Fischer die in de weekendopgave wordt opgebouwd. Ga ook buiten de eigenvectoren na dat de vorm reëel is: in x=(1,i)x = (1, \iu) is

Ax=(2+(1i)i, (1+i)+3i)=(3+i, 1+4i),Ax = \bigl(2 + (1-\iu)\iu,\ (1+\iu) + 3\iu\bigr) = (3 + \iu,\ 1 + 4\iu),
x,Ax=1(3+i)+i(1+4i)=(3+i)+(i)(1+4i)=3+ii+4=7R,\langle x, Ax\rangle = \conj{1}\,(3+\iu) + \conj{\iu}\,(1+4\iu) = (3 + \iu) + (-\iu)(1 + 4\iu) = 3 + \iu - \iu + 4 = 7 \in \R ,

zoals het bewijsmechanisme van Propositie 13.6 (geconjugeerde symmetrie tegen A=AA^\dagger = A) voor elke xx garandeert.

Voorbeeld 13.11 (Een unitaire matrix gediagonaliseerd)

U=12(1ii1)U = \frac{1}{\sqrt2}\begin{pmatrix} 1 & \iu\\ \iu & 1 \end{pmatrix} (unitair volgens Oefening 13.2). Haar karakteristieke veelterm is (X12)2+12\bigl(X - \frac{1}{\sqrt2}\bigr)^2 + \frac12, met nulpunten

λ±=1±i2=e±iπ/4,\lambda_\pm = \frac{1 \pm \iu}{\sqrt2} = \eu^{\pm\iu\pi/4},

van modulus 11 zoals Propositie 13.6 beloofde, en met orthonormale eigenvectoren 12(1,±1)\frac{1}{\sqrt2}(1, \pm1). Dus U=Vdiag(eiπ/4,eiπ/4)VU = V\operatorname{diag}(\eu^{\iu\pi/4}, \eu^{-\iu\pi/4})V^\dagger: in de juiste basis is UU een paar vlakke rotaties over ±π4\pm\frac\pi4 — een reële rotatiematrix heeft geen reële eigenvectoren, maar over C\C valt zij uiteen in twee scalairen van modulus 11. Het inzicht om te onthouden: hermitische spectra leven op de reële rechte, unitaire spectra op de eenheidscirkel; beide zijn schaduwen van dezelfde normaliteit, en de Cayley-transformatie van Oefening 13.6 beeldt het ene beeld op het andere af.

Voorbeeld 13.12 (De Cayley-transformatie, berekend)

Voer Oefening 13.6 uit op H=(0110)H = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix} (hermitisch, spectrum {1,1}\{1, -1\}, orthonormale eigenvectoren 12(1,±1)\frac{1}{\sqrt2}(1, \pm1)). In de eigenbasis is alles scalair: de transformatie λλiλ+i\lambda \mapsto \frac{\lambda - \iu}{\lambda + \iu} zendt

11i1+i=i,11i1+i=i,1 \longmapsto \frac{1 - \iu}{1 + \iu} = -\iu, \qquad -1 \longmapsto \frac{-1 - \iu}{-1 + \iu} = \iu ,

(vermenigvuldig met de geconjugeerde van de noemer), dus U=(HiI)(H+iI)1U = (H - \iu I)(H + \iu I)^{-1} is de unitaire matrix met eigenwaarden i\mp\iu op diezelfde eigenvectoren:

U=12(1111)(i00i)(1111)=(0ii0).U = \frac{1}{2}\begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -\iu & 0\\ 0 & \iu\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -\iu\\ -\iu & 0\end{pmatrix} .

Controle: UU=IU^\dagger U = I, en 1SpU={±i}1 \notin \operatorname{Sp}U = \{\pm\iu\}, zoals de theorie belooft. Het inzicht om te onthouden: de reële rechte wordt afgebeeld op de eenheidscirkel zonder het punt 11eigenwaarde voor eigenwaarde is de Cayley-transformatie de möbiusafbeelding λiλ+i\frac{\lambda-\iu}{\lambda+\iu}, en matrices volgen eenvoudigweg hun spectrum.

Opmerking 13.13 (Klassieke valkuilen)

(i) Waar de streep valt: dit boek conjugeert de eerste sleuf, zodat de coördinaten ei,x\langle e_i, x\rangle zijn en λx,y=λx,y\langle\lambda x, y\rangle = \conj\lambda\langle x, y\rangle; veel teksten conjugeren in plaats daarvan de tweede sleuf — vertaal dus voordat je formules vergelijkt, of tekens van i\iu gaan stilzwijgend mis. (ii) Complexe polarisatie is sterker: geldt over C\C dat x,u(x)=0\langle x, u(x)\rangle = 0 voor alle xx, dan is u=0u = 0 (werk x+yx + y en x+iyx + \iu y uit: zowel het reële als het imaginaire deel van x,u(y)\langle x, u(y)\rangle verdwijnt); over R\R faalt dit — de rotatie over π2\frac\pi2 voldoet overal aan x,u(x)=0\langle x, u(x)\rangle = 0. Bijgevolg dwingt, alleen over C\C, de uitspraak “x,u(x)R\langle x, u(x)\rangle \in \R voor alle xx” al af dat uu hermitisch is. (iii) Reëel normaal is niet diagonaliseerbaar: de matrix van Voorbeeld 13.7 is normaal maar heeft geen reële eigenwaarde; unitaire diagonalisatie is een stelling over C\C, en over R\R krijgt men slechts blokreducties. (iv) Unitariteit nagaan: UU=IU^\dagger U = I betekent dat de kolommen orthonormaal zijn voor het hermitische product — UUTUU^{\mathsf T} testen, of de conjugatie in de kolomproducten vergeten, zijn de twee klassieke manieren om een verkeerde matrix goed te keuren.

Voorbeeld 13.14 (Isometrieën zijn precies de unitaire afbeeldingen)

Normbehoud lijkt zwakker dan unitariteit, maar over C\C is het dat niet: geldt u(x)=x\norm{u(x)} = \norm x voor alle xx, dan is uu=idu^*u = \mathrm{id}. Immers, v=uuidv = u^*u - \mathrm{id} is hermitisch en voldoet aan x,v(x)=u(x)2x2=0\langle x, v(x)\rangle = \norm{u(x)}^2 - \norm x^2 = 0 voor elke xx; volgens de complexe polarisatie (valkuil (ii) hierboven) is een afbeelding met identiek verdwijnende “diagonaal” nul: v=0v = 0. Concreet verloopt de polarisatie als

0=x+y,v(x+y)=x,v(y)+y,v(x),0=x+iy,v(x+iy)=ix,v(y)iy,v(x),0 = \langle x + y, v(x+y)\rangle = \langle x, v(y)\rangle + \langle y, v(x)\rangle, \qquad 0 = \langle x + \iu y, v(x + \iu y)\rangle = \iu\langle x, v(y)\rangle - \iu\langle y, v(x)\rangle ,

en de twee regels samen dwingen x,v(y)=0\langle x, v(y)\rangle = 0 af voor alle x,yx, y. Het inzicht om te onthouden: hierdoor kan “unitair” louter door lengten te meten worden nagegaan — starheid die het hoofdstuk over Fourierreeksen zal uitbuiten, waar het behoud van de energie f2\norm f_2 (Parseval) hetzelfde is als het behoud van alle inproducten van coëfficiënten.

Opmerking 13.15 (Vooruitblik binnen dit volume)

De hermitische machinerie die hier wordt gebouwd, wordt vrijwel onmiddellijk verbruikt. Het hoofdstuk over Fourierreeksen is hermitische meetkunde in oneindige dimensie: de exponentiëlen (en)(e_n) vormen een orthonormale familie voor f,g=12πfg\langle f, g\rangle = \frac{1}{2\pi}\int\conj fg, de ongelijkheid van Bessel is de projectieschatting uit Stelling 13.3 van dit hoofdstuk, en Parseval is haar gelijkheid in de limiet. De eindige Fouriertransformatie (Oefening 13.10) duikt telkens op wanneer een convolutie gediagonaliseerd moet worden. En de weekendopgave van dit hoofdstuk — Courant–Fischer, Weyl, interlacering — levert de stabiliteit van eigenwaarden waarop het hoofdstuk over differentiaalvergelijkingen zich beroept wanneer het beweert dat kleine verstoringen van een systeem zijn frequenties slechts weinig verplaatsen. Terugkijkend is alles hier de complexe spiegel van het hoofdstuk over kwadratische vormen: houd de twee woordenboeken naast elkaar (ATAA^{\mathsf T} \leftrightarrow A^\dagger, orthogonaal \leftrightarrow unitair, Rayleigh reëel in beide).

Opmerking 13.16 (Normale endomorfismen)

Over C\C luidt de definitieve uitspraak: uu is unitair diagonaliseerbaar dan en slechts dan als uu normaal is (uu=uuu^*u = uu^*) — waarmee hermitische, unitaire en antihermitische afbeeldingen in één klap gedekt zijn. Het bewijs is een aangename versterking van het argument hierboven (Oefening 13.8). Over R\R levert normaliteit daarentegen alleen blokdiagonalisatie op (rotatieblokken): de complexe meetkunde is werkelijk eenvoudiger.

Opmerking 13.17 (Waar dit wordt gebruikt)

De hermitische spectraaltheorie is de wiskunde van de kwantummechanica: observabelen worden gemodelleerd door hermitische operatoren (reële spectra = meetbare waarden), de tijdsevolutie door unitaire operatoren (normbehoud = behoud van waarschijnlijkheid). Binnen dit boek rust het hoofdstuk over Fourierreeksen op de orthonormaliteit van de exponentiëlen — een uitspraak over een hermitisch inproduct — en de diagonalisatie van circulante matrices (Oefening 13.10) is de eindige Fouriertransformatie. De weekendopgave ontwikkelt de variationele rekening van eigenwaarden (Courant–Fischer, Weyl, interlacering), het dagelijks brood van de numerieke wiskunde en de wiskundige fysica; het volume van bachelorjaar 3 breidt haar uit tot compacte zelftoegevoegde operatoren op hilbertruimten.

13.3 Oefeningen

Oefening 13.1

Bereken op C2\C^2 de grootheden x,y\langle x, y\rangle, x\norm x, y\norm y voor x=(1,i)x = (1, \iu), y=(i,1)y = (\iu, 1); staan zij loodrecht op elkaar? Geef een orthonormale basis die xx\frac{x}{\norm x} bevat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.1.

x,y=1i+i1=ii=0\langle x, y\rangle = \conj{1}\cdot\iu + \conj{\iu}\cdot 1 = \iu - \iu = 0: orthogonaal. x=y=1+1=2\norm x = \norm y = \sqrt{1 + 1} = \sqrt2. Orthonormale basis: (12(1,i),  12(i,1))\bigl(\frac{1}{\sqrt2}(1, \iu),\; \frac{1}{\sqrt2}(\iu, 1)\bigr) — het genormaliseerde paar zelf.

Oefening 13.2

Welke zijn hermitisch? Unitair? Normaal?

(1ii2),12(1ii1),(0100).\begin{pmatrix} 1 & \iu\\ -\iu & 2 \end{pmatrix}, \qquad \frac{1}{\sqrt2}\begin{pmatrix} 1 & \iu\\ \iu & 1\end{pmatrix}, \qquad \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 0 & 0 \end{pmatrix}.
Oplossing

Oplossing van Oefening 13.2.

Eerste: gelijk aan haar geconjugeerde getransponeerde (reële diagonaal, en i=i\conj{\iu} = -\iu verwisseld): hermitisch (en dus normaal); niet unitair (AAIA^\dagger A \neq I: de kolommen hebben geen norm 11).

Tweede: AA=12(1ii1)(1ii1)=12(2002)=IA^\dagger A = \frac12\begin{pmatrix} 1 & -\iu\\ -\iu & 1\end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & \iu\\ \iu & 1\end{pmatrix} = \frac12\begin{pmatrix} 2 & 0\\ 0 & 2\end{pmatrix} = I: unitair (en dus normaal); niet hermitisch.

Derde: AA=E22E11=AAA^\dagger A = E_{22} \neq E_{11} = AA^\dagger: niet normaal (dus noch hermitisch noch unitair) — het standaard nilpotente tegenvoorbeeld.

Oefening 13.3

Bewijs dat een matrix AMn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) zich op precies één manier laat schrijven als A=H+iKA = H + \iu K met H,KH, K hermitisch (de “reële en imaginaire delen” H=A+A2H = \frac{A + A^\dagger}{2}, K=AA2iK = \frac{A - A^\dagger}{2\iu}), en dat AA normaal is dan en slechts dan als HH en KK commuteren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.3.

Eenduidigheid: A=H+iKA = H + \iu K met H=HH^\dagger = H, K=KK^\dagger = K dwingt A=HiKA^\dagger = H - \iu K af, dus H=A+A2H = \frac{A + A^\dagger}{2} en K=AA2iK = \frac{A - A^\dagger}{2\iu}; deze formules zijn hermitisch (controle: (AA2i)=AA2i=K\bigl(\frac{A - A^\dagger}{2\iu}\bigr)^\dagger = \frac{A^\dagger - A}{-2\iu} = K) en bouwen AA opnieuw op: bestaan.

Normaliteit: AAAA=(HiK)(H+iK)(H+iK)(HiK)=2i(HKKH)A^\dagger A - AA^\dagger = (H - \iu K)(H + \iu K) - (H + \iu K)(H - \iu K) = 2\iu(HK - KH): dit verdwijnt dan en slechts dan als HK=KHHK = KH.

Oefening 13.4 ★★

Diagonaliseer in een orthonormale basis: A=(2ii2)A = \begin{pmatrix} 2 & \iu\\ -\iu & 2\end{pmatrix}, en bereken AkA^k voor kNk \in \N.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.4.

χA=(X2)21\chi_A = (X-2)^2 - 1: eigenwaarden 33 en 11. Eigenvectoren, door rechtstreekse berekening:

A(1i)=(2+i(i)i+2(i))=(33i)=3(1i),A(1i)=(2+iii+2i)=(1i).A\begin{pmatrix}1\\ -\iu\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 + \iu(-\iu)\\ -\iu + 2(-\iu)\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3\\ -3\iu \end{pmatrix} = 3\begin{pmatrix}1\\ -\iu\end{pmatrix}, \qquad A\begin{pmatrix}1\\ \iu\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 + \iu\cdot\iu\\ -\iu + 2\iu\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1\\ \iu\end{pmatrix}.

Orthonormale eigenbasis: u1=12(1,i)u_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, -\iu) (eigenwaarde 33), u2=12(1,i)u_2 = \frac{1}{\sqrt2}(1, \iu) (eigenwaarde 11); de orthogonaliteit als in Oefening 13.1. Machten, via de spectrale projecties Ak=3ku1u1+1ku2u2A^k = 3^k u_1u_1^\dagger + 1^k\, u_2u_2^\dagger:

Ak=U(3k001)U=3k2(1ii1)+12(1ii1)=12(3k+1(3k1)i(3k1)i3k+1).A^k = U\begin{pmatrix} 3^k & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix}U^\dagger = \frac{3^k}{2}\begin{pmatrix} 1 & \iu\\ -\iu & 1\end{pmatrix} + \frac{1}{2}\begin{pmatrix} 1 & -\iu\\ \iu & 1\end{pmatrix} = \frac12\begin{pmatrix} 3^k + 1 & (3^k - 1)\iu\\ -(3^k-1)\iu & 3^k + 1 \end{pmatrix}.

(Controleer k=1k = 1: dit geeft AA terug.)

Oefening 13.5 ★★

Bewijs dat U(n)U(n) compact is en dat de eigenwaardeafbeelding surjectief is: elke λ\lambda van modulus 11 treedt op bij een zekere unitaire matrix. Bewijs dat detUU\det U \in \mathbb{U} (de eenheidscirkel) voor UU(n)U \in U(n).

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.5.

Compact: gesloten (origineel van II onder de continue afbeelding UUUU \mapsto U^\dagger U) en begrensd (de kolommen zijn eenheidsvectoren: elementen van modulus 1\leq 1) in Mn(C)R2n2\mathcal{M}_n(\C) \simeq \R^{2n^2}.

Eigenwaarden: diag(λ,1,,1)\operatorname{diag}(\lambda, 1, \dots, 1) is unitair voor elke λ=1\abs\lambda = 1. Determinant: detU2=detUdetU=det(UU)=1\abs{\det U}^2 = \det U^\dagger \det U = \det(U^\dagger U) = 1 (met detA=detA\det A^\dagger = \conj{\det A}): detU\det U ligt op de eenheidscirkel.

Oefening 13.6 ★★

(Cayley-transformatie) Zij HH hermitisch. Bewijs dat H+iIH + \iu I inverteerbaar is en dat U=(HiI)(H+iI)1U = (H - \iu I)(H + \iu I)^{-1} unitair is, met 1Sp(U)1 \notin \operatorname{Sp}(U). (Werk spectraal: op een eigenbasis van HH is alles scalair.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.6.

Werk volgens de spectraalstelling in een orthonormale eigenbasis van HH: alles herleidt tot scalairen λR\lambda \in \R (de eigenwaarden). H+iIH + \iu I heeft eigenwaarden λ+i0\lambda + \iu \neq 0: inverteerbaar. UU heeft eigenwaarden μ=λiλ+i\mu = \frac{\lambda - \iu}{\lambda + \iu}, van modulus 11 (λi=λ+i\abs{\lambda - \iu} = \abs{\lambda + \iu} voor reële λ\lambda): UU=IU^\dagger U = I geldt omdat UU unitair diagonaliseerbaar is met eigenwaarden van modulus 11 (zij is diagonaal in de gekozen orthonormale basis). En μ=1\mu = 1 zou i=i-\iu = \iu afdwingen: onmogelijk, dus 1SpU1 \notin \operatorname{Sp} U. (De Cayley-transformatie beeldt het hermitische geval af op het unitaire min één punt — de matrixversie van de afbeelding van R\R naar de cirkel.)

Oefening 13.7 ★★

Bewijs voor hermitische positief definiete AA (x,Ax>0\langle x, Ax\rangle > 0 voor x0x \neq 0) dat Sp(A)(0,)\operatorname{Sp}(A) \subseteq \intoo{0}{\infty}, dat A=B2A = B^2 voor een hermitische positief definiete BB, en dat detA>0\det A > 0.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.7.

Voor een eigenpaar Ax=λxAx = \lambda x (x0x \neq 0) is λx2=x,Ax>0\lambda\norm x^2 = \langle x, Ax\rangle > 0, dus λ>0\lambda > 0 (reëel was zij al, Propositie 13.6). Vierkantswortel: in een spectrale basis is B=Udiag(λi)UB = U\operatorname{diag}(\sqrt{\lambda_i})U^\dagger: hermitisch, positief definiet, B2=AB^2 = A. Determinant: het product van de positieve eigenwaarden.

Oefening 13.8 ★★★

(Spectraalstelling voor normale endomorfismen) Zij uu normaal op een hermitische ruimte.

  1. Bewijs dat u(x)=u(x)\norm{u(x)} = \norm{u^*(x)} voor alle xx, en leid af dat ker(uλ)=ker(uλ)\ker(u - \lambda) = \ker(u^* - \conj\lambda).
  2. Bewijs dat de eigenruimten van uu bij verschillende eigenwaarden orthogonaal zijn, en dat het orthogonale complement van een eigenruimte uu-stabiel is.
  3. Besluit met inductie dat uu unitair diagonaliseerbaar is; en omgekeerd.
Oplossing

Oplossing van Oefening 13.8.

  1. u(x)2=u(x),u(x)=x,uu(x)=x,uu(x)=u(x)2\norm{u(x)}^2 = \langle u(x), u(x)\rangle = \langle x, u^*u(x)\rangle = \langle x, uu^*(x)\rangle = \norm{u^*(x)}^2. Toegepast op de normale uλidu - \lambda\,\mathrm{id} (haar adjunct is uλu^* - \conj\lambda, en de normaliteit wordt geërfd): (uλ)x=(uλ)x\norm{(u - \lambda)x} = \norm{(u^* - \conj\lambda)x}, dus de kernen vallen samen.
  2. Voor eigenvectoren u(x)=λxu(x) = \lambda x, u(y)=μyu(y) = \mu y (λμ\lambda \neq \mu) geeft (1) dat u(x)=λxu^*(x) = \conj\lambda x; dan is

    λy,x=y,u(x)=u(y),x=μy,x=μy,x,\lambda\langle y, x\rangle = \langle y, u(x)\rangle = \langle u^*(y), x\rangle = \langle \conj\mu\, y, x\rangle = \mu \langle y, x\rangle ,

    dus y,x=0\langle y, x\rangle = 0. Stabiliteit van EλE_\lambda^\perp: voor xEλx \perp E_\lambda en zEλz \in E_\lambda is z,u(x)=u(z),x=λz,x=0\langle z, u(x)\rangle = \langle u^*(z), x\rangle = \langle\conj\lambda z, x\rangle = 0.

  3. Inductie naar de dimensie: over C\C heeft uu een eigenvector e1e_1 (normaliseer haar); haar orthogonale complement is stabiel onder uu (volgens (2)) en onder uu^* (hetzelfde argument met verwisselde rollen), dus de beperking is normaal: pas inductie toe en plak de orthonormale eigenbasissen aaneen. Omgekeerd voldoet een unitair diagonaliseerbare u=UDUu = UDU^\dagger aan uu=UDDU=UDDU=uuu^*u = U\conj D D U^\dagger = U D\conj D U^\dagger = uu^*: normaal.

Oefening 13.9

Een endomorfisme heet antihermitisch wanneer u=uu^* = -u. Bewijs dat zijn eigenwaarden zuiver imaginair zijn, dat uiuu \mapsto \iu u een bijectie is van de hermitische naar de antihermitische endomorfismen, en dat antihermitische endomorfismen unitair diagonaliseerbaar zijn (Oefening 13.8).

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.9.

Eigenwaarden: voor u(x)=λxu(x) = \lambda x, x0x \neq 0:

λx2=x,u(x)=u(x),x=u(x),x=x,u(x)=λx2,\lambda\norm x^2 = \langle x, u(x)\rangle = \langle u^*(x), x\rangle = -\langle u(x), x\rangle = -\conj{\langle x, u(x)\rangle} = -\conj\lambda\,\norm x^2 ,

dus λ=λ\lambda = -\conj\lambda: zuiver imaginair. Omdat (iu)=iu(\iu u)^* = -\iu\,u^* (de adjunct is geconjugeerd lineair in de scalairen), geeft u=uu^* = u dat (iu)=iu(\iu u)^* = -\iu u: de afbeelding uiuu \mapsto \iu u zendt hermitisch naar antihermitisch, met inverse wiww \mapsto -\iu w: een bijectie. Een antihermitische uu voldoet aan uu=u2=uuu^*u = -u^2 = uu^*: normaal, en dus unitair diagonaliseerbaar volgens Oefening 13.8.

Oefening 13.10 ★★

(De eindige Fouriertransformatie) Zij SS de cyclische verschuiving van Cn\C^n: S(x0,x1,,xn1)=(xn1,x0,,xn2)S(x_0, x_1, \dots, x_{n-1}) = (x_{n-1}, x_0, \dots, x_{n-2}), en ω=e2iπ/n\omega = \eu^{2\iu\pi/n}.

  1. Toon aan dat SS unitair is en dat de vectoren fk=1n(1,ωk,ω2k,,ω(n1)k)f_k = \frac{1}{\sqrt n}\bigl(1, \omega^k, \omega^{2k}, \dots, \omega^{(n-1)k}\bigr), 0k<n0 \leq k < n, een orthonormale basis van eigenvectoren vormen: Sfk=ωkfkSf_k = \omega^{-k} f_k.
  2. Leid af dat elke circulante matrix C=j=0n1cjSjC = \sum_{j=0}^{n-1} c_jS^j normaal is, gediagonaliseerd door dezelfde basis, met eigenwaarden c^(k)=jcjωjk\widehat c(k) = \sum_j c_j\,\omega^{-jk}.
Oplossing

Oplossing van Oefening 13.10.

  1. SS permuteert een orthonormale basis: Sx=x\norm{Sx} = \norm x, dus SS is unitair. Indexeren we de coördinaten met j=0,,n1j = 0, \dots, n-1 modulo nn, dan is (Sx)j=xj1(Sx)_j = x_{j-1}, dus voor (fk)j=ωjkn(f_k)_j = \frac{\omega^{jk}}{\sqrt n}:

    (Sfk)j=ω(j1)kn=ωk(fk)j:Sfk=ωkfk.(Sf_k)_j = \frac{\omega^{(j-1)k}}{\sqrt n} = \omega^{-k}\,(f_k)_j : \qquad Sf_k = \omega^{-k}f_k .

    Orthonormaliteit: fk,fl=1njωj(lk)=δkl\langle f_k, f_l\rangle = \frac1n \sum_j \omega^{j(l-k)} = \delta_{kl} (de meetkundige som van een niet-triviale eenheidswortel verdwijnt).

  2. Cfk=jcjSjfk=(jcjωjk)fk=c^(k)fkCf_k = \sum_j c_j S^jf_k = \bigl(\sum_j c_j\omega^{-jk}\bigr)f_k = \widehat c(k)\,f_k: elke circulante matrix is diagonaal in de orthonormale Fourierbasis, en dus normaal, met spectrum {c^(k)}\{\widehat c(k)\}. (De basisovergang is de discrete Fouriertransformatie: convolutie wordt vermenigvuldiging.)

Oefening 13.11 ★★

Zij PP een idempotent (P2=PP^2 = P) endomorfisme van een hermitische ruimte. Bewijs dat PP de orthogonale projectie op imP\operatorname{im} P is dan en slechts dan als P=PP^* = P. Geef de matrix van de orthogonale projectie op Cv\C v (v=1\norm v = 1), en op een deelruimte met orthonormale basis (v1,,vk)(v_1, \dots, v_k).

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.11.

(\Leftarrow) Zij P2=P=PP^2 = P = P^*. Elke vv splitst als v=Pv+(vPv)v = Pv + (v - Pv) met PvimPPv \in \operatorname{im} P en P(vPv)=0P(v - Pv) = 0. De twee stukken zijn orthogonaal: voor alle x,yx, y is

Px,(IP)y=x,P(IP)y=x,(PP2)y=0:\langle Px, (I - P)y\rangle = \langle x, P(I-P)y\rangle = \langle x, (P - P^2)y\rangle = 0 :

kerPimP\ker P \perp \operatorname{im} P, dus PP is de orthogonale projectie op haar beeld. (\Rightarrow) Is PP de orthogonale projectie op F=imPF = \operatorname{im}P, dan is voor alle x,yx, y Px,y=Px,Py\langle Px, y\rangle = \langle Px, Py\rangle (de component yPyFy - Py \perp F valt weg) en symmetrisch x,Py=Px,Py\langle x, Py\rangle = \langle Px, Py\rangle: dus Px,y=x,Py\langle Px, y\rangle = \langle x, Py\rangle, dat wil zeggen P=PP^* = P. Matrices: op Cv\C v (v=1\norm v = 1): Px=vv,xPx = v\,\langle v, x\rangle, dat wil zeggen P=vvP = vv^\dagger; op Vect(v1,,vk)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_k) orthonormaal: P=iviviP = \sum_i v_iv_i^\dagger.

Oefening 13.12 ★★★

(Spectrale projectoren via interpolatie) Zij AA hermitisch met verschillende eigenwaarden λ1,,λp\lambda_1, \dots, \lambda_p en eigenruimteontbinding E=iEiE = \bigoplus_i E_i. Definieer de Lagrange-veeltermen Li(X)=jiXλjλiλjL_i(X) = \prod_{j\neq i}\frac{X - \lambda_j}{\lambda_i - \lambda_j}. Bewijs dat Pi=Li(A)P_i = L_i(A) de orthogonale projectie op EiE_i is, dat PiPj=0P_iP_j = 0 voor iji \neq j, dat iPi=I\sum_i P_i = I en dat A=iλiPiA = \sum_i \lambda_iP_i (de spectrale ontbinding); druk f(A)f(A) voor een willekeurige veelterm ff uit in de PiP_i.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.12.

Diagonaliseer A=UDUA = U D U^\dagger (spectraalstelling), met DD diagonaal met elementen uit de λi\lambda_i. Dan is Pi=Li(A)=ULi(D)UP_i = L_i(A) = U L_i(D)U^\dagger, en Li(D)L_i(D) is diagonaal met elementen Li(λj)=δijL_i(\lambda_j) = \delta_{ij}: enen precies op de plaatsen van EiE_i. Dus PiP_i is hermitisch (LiL_i reëel, DD reëel), idempotent, met beeld EiE_i en kern jiEj=Ei\bigoplus_{j\neq i}E_j = E_i^\perp (orthogonaliteit van de eigenruimten): de orthogonale projectie op EiE_i (Oefening 13.11). Disjuncte diagonaalpatronen geven PiPj=0P_iP_j = 0 (iji \neq j); iLi=1\sum_i L_i = 1 (graad <p< p, waarde 11 in pp punten), dus Pi=I\sum P_i = I; en iλiLi(λj)=λj\sum_i \lambda_iL_i(\lambda_j) = \lambda_j geeft A=λiPiA = \sum \lambda_iP_i. Voor een willekeurige veelterm ff heeft f(D)f(D) de diagonaal f(λj)f(\lambda_j), dus

f(A)=i=1pf(λi)Pi:f(A) = \sum_{i=1}^{p} f(\lambda_i)\,P_i :

functies van AA worden spectraal berekend — de rekenkunde die het volume van bachelorjaar 3 uitbreidt tot continue ff en verder.

13.4 Probleem: Courant–Fischer, Weyl en de rekening met eigenwaarden

Probleem 13.1

De eigenwaarden van een hermitische matrix zijn niet zomaar nulpunten van een veelterm: het zijn oplossingen van optimalisatieproblemen. Dat variationele standpunt — Rayleigh-quotiënten en de min-maxstelling van Courant–Fischer — maakt eigenwaarden vergelijkbaar, stabiel en berekenbaar, en deze opgave oogst haar klassieke gewassen: de verstoringsongelijkheden van Weyl, de interlacering van Cauchy, de spoorongelijkheden van Schur en Ky Fan, de monotonie van de matrixvierkantswortel, en het spectrum van de discrete laplaciaan. Overal zijn A,B,EA, B, E hermitisch op E=CnE = \C^n met eigenwaarden in dalende volgorde opgesomd, λ1(A)λn(A)\lambda_1(A) \geq \dots \geq \lambda_n(A), en is RA(x)=x,Axx,xR_A(x) = \frac{\langle x, Ax\rangle}{\langle x, x\rangle} voor x0x \neq 0 het Rayleigh-quotiënt.

Deel I — Rayleigh-quotiënten en min-max. Leg een orthonormale eigenbasis (e1,,en)(e_1, \dots, e_n) vast met Aei=λieiAe_i = \lambda_ie_i.

  1. Toon aan dat RA(x)R_A(x) reëel is en dat

    λnRA(x)λ1(x0),\lambda_n \leq R_A(x) \leq \lambda_1 \qquad (x \neq 0),

    waarbij beide grenzen worden aangenomen: λ1=maxRA\lambda_1 = \max R_A, λn=minRA\lambda_n = \min R_A.

  2. Toon aan dat de kritieke punten van RAR_A precies de eigenvectoren van AA zijn (werk tRA(x+tv)t \mapsto R_A(x + tv) uit in t=0t = 0 voor willekeurige vv, en vervang vv vervolgens door iv\iu v).
  3. Zij Vk=Vect(e1,,ek)V_k = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_k) en Wk=Vect(ek,,en)W_k = \operatorname{Vect}(e_k, \dots, e_n). Toon aan dat

    minxVk{0}RA(x)=λk=maxxWk{0}RA(x).\min_{x \in V_k\setminus\{0\}} R_A(x) = \lambda_k = \max_{x \in W_k\setminus\{0\}} R_A(x) .
  4. Bewijs de stelling van Courant–Fischer: voor 1kn1 \leq k \leq n is

    λk=maxdimV=k  minxV{0}RA(x)=mindimW=nk+1  maxxW{0}RA(x)\lambda_k = \max_{\dim V = k}\;\min_{x \in V\setminus\{0\}} R_A(x) = \min_{\dim W = n-k+1}\;\max_{x \in W\setminus\{0\}} R_A(x)

    (voor elke VV van dimensie kk is VWk{0}V \cap W_k \neq \{0\} volgens Grassmann, dus minVRAλk\min_V R_A \leq \lambda_k; vraag 3 toont dat de grens wordt aangenomen).

  5. (Monotonie) Schrijf ABA \leq B wanneer BAB - A positief semidefiniet is. Leid uit vraag 4 af: uit ABA \leq B volgt λk(A)λk(B)\lambda_k(A) \leq \lambda_k(B) voor elke kk.

Deel II — De ongelijkheden van Weyl.

  1. Toon aan dat deelruimten V,WCnV, W \subseteq \C^n met dimV+dimW>n\dim V + \dim W > n elkaar niet-triviaal snijden, en veralgemeen: dim(V1V2V3)dimV1+dimV2+dimV32n\dim(V_1 \cap V_2 \cap V_3) \geq \dim V_1 + \dim V_2 + \dim V_3 - 2n.
  2. Bewijs de ongelijkheid van Weyl: voor i+j1ni + j - 1 \leq n is

    λi+j1(A+B)λi(A)+λj(B)\lambda_{i+j-1}(A + B) \leq \lambda_i(A) + \lambda_j(B)

    (snijd de deelruimten Wi(A)W_i(A), Wj(B)W_j(B) en Vi+j1(A+B)V_{i+j-1}(A+B) uit vraag 3 en tel dimensies).

  3. Definieer E2=maxx=1Ex\vertiii{E}_2 = \max_{\norm x = 1}\norm{Ex} en toon aan dat E2=maxkλk(E)\vertiii E_2 = \max_k\abs{\lambda_k(E)} voor hermitische EE. Leid de verstoringsstelling van Weyl af:

    λk(A+E)λk(A)E2(1kn):\bigl|\lambda_k(A + E) - \lambda_k(A)\bigr| \leq \vertiii{E}_2 \qquad (1 \leq k \leq n) :

    elke eigenwaarde is een 11-lipschitzfunctie van de matrix.

  4. (Verstoringen van rang één) Zij PP hermitisch positief semidefiniet van rang 11. Toon aan dat

    λk(A)λk(A+P)λk1(A)(2kn),\lambda_k(A) \leq \lambda_k(A + P) \leq \lambda_{k-1}(A) \qquad (2 \leq k \leq n),

    samen met λ1(A)λ1(A+P)\lambda_1(A) \leq \lambda_1(A+P): de nieuwe eigenwaarden interlaceren de oude.

  5. Ga vraag 8 numeriek na: A=(2ii2)A = \begin{pmatrix} 2 & \iu\\ -\iu & 2\end{pmatrix} (Oefening 13.4: spectrum {3,1}\{3, 1\}) en E=(0110)E = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix} (spectrum {1,1}\{1, -1\}): bereken het spectrum van A+EA + E en beide leden van de ongelijkheid.

Deel III — Interlacering en spoorongelijkheden.

  1. (Interlacering van Cauchy) Zij BB de leidende hoofdondermatrix van AA van formaat (n1)×(n1)(n-1)\times(n-1). Bewijs dat

    λk+1(A)λk(B)λk(A)(1kn1)\lambda_{k+1}(A) \leq \lambda_k(B) \leq \lambda_k(A) \qquad (1 \leq k \leq n-1)

    (beschouw Cn1Cn\C^{n-1} \subseteq \C^n; daarop is RBR_B de beperking van RAR_A; pas Courant–Fischer op beide niveaus toe).

  2. Herhaal: voor een hoofdondermatrix BB van formaat nmn - m geldt λk+m(A)λk(B)λk(A)\lambda_{k+m}(A) \leq \lambda_k(B) \leq \lambda_k(A).
  3. (Schur) Zij d1d2dnd_1 \geq d_2 \geq \dots \geq d_n de gesorteerde diagonaalelementen van AA. Bewijs voor elke kk:

    i=1kdii=1kλi(A),\sum_{i=1}^{k} d_i \leq \sum_{i=1}^{k}\lambda_i(A),

    met gelijkheid bij k=nk = n (het spoor) (de kk gekozen diagonaalelementen vormen een hoofdondermatrix van formaat k×kk\times k; begrens haar spoor met vraag 12).

  4. (Ky Fan) Bewijs dat

    i=1kλi(A)=max{i=1kxi,Axi:(x1,,xk) orthonormaal}.\sum_{i=1}^{k}\lambda_i(A) = \max\Bigl\{\sum_{i=1}^{k}\langle x_i, Ax_i\rangle : (x_1, \dots, x_k) \text{ orthonormaal}\Bigr\} .
  5. Ga de vragen 11 en 13 na op

    A=(210121012)(Sp={22, 2, 2+2})A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0\\ 1 & 2 & 1\\ 0 & 1 & 2\end{pmatrix} \qquad \bigl(\operatorname{Sp} = \{2 - \sqrt2,\ 2,\ 2+\sqrt2\}\bigr)

    tegenover haar leidende blok van formaat 2×22\times2 (spectrum {1,3}\{1, 3\}) en haar diagonaal.

Deel IV — De ordening van Loewner. ABA \leq B betekent nog altijd dat BAB - A positief semidefiniet is; alle matrices in dit deel zijn hermitisch.

  1. Toon aan: uit ABA \leq B volgt aiibiia_{ii} \leq b_{ii} voor alle ii, trAtrB\operatorname{tr} A \leq \operatorname{tr} B, en CACCBCC^\dagger AC \leq C^\dagger BC voor elke complexe matrix CC.
  2. Toon aan dat kwadrateren niet monotoon is: ga voor

    A=(1000),B=(2111),A = \begin{pmatrix} 1 & 0\\ 0 & 0\end{pmatrix}, \qquad B = \begin{pmatrix} 2 & 1\\ 1 & 1\end{pmatrix},

    na dat 0AB0 \leq A \leq B maar A2≰B2A^2 \not\leq B^2.

  3. Bewijs dat de vierkantswortel wel monotoon is: uit 0AB0 \leq A \leq B volgt AB\sqrt A \leq \sqrt B (zij μ\mu een eigenwaarde van BA\sqrt B - \sqrt A met eigenvector vv van norm 11; bereken v,(BA)v=μ(v,Bv+v,Av)\langle v, (B - A)v\rangle = \mu\bigl(\langle v, \sqrt B\,v\rangle + \langle v, \sqrt A\,v\rangle\bigr) en bespreek).
  4. Bewijs dat inverteren antitoon is op positief definiete matrices: uit 0<AB0 < A \leq B volgt B1A1B^{-1} \leq A^{-1} (congrueer met A1/2A^{-1/2} om te herleiden tot IMM1II \leq M \Rightarrow M^{-1} \leq I, wat in een spectrale basis scalair is).
  5. Zijn A,BA, B positief definiet. Toon aan dat de eigenwaarden van ABAB (in het algemeen niet hermitisch!) reëel en positief zijn, en dat

    λmax(AB)λmax(A)λmax(B)\lambda_{\max}(AB) \leq \lambda_{\max}(A)\,\lambda_{\max}(B)

    (conjugeer met A\sqrt A: ABABAAB \sim \sqrt A\,B\sqrt A).

Deel V — De discrete laplaciaan, uitgewerkt. Zij TnT_n de tridiagonale matrix van formaat n×nn \times n met 22 op de diagonaal en 1-1 op de twee aangrenzende diagonalen.

  1. Ga met θk=kπn+1\theta_k = \frac{k\pi}{n+1} na dat de vectoren vk=(sin(jθk))1jnv_k = \bigl(\sin(j\theta_k)\bigr)_{1\leq j\leq n} voldoen aan Tnvk=(22cosθk)vkT_nv_k = (2 - 2\cos\theta_k)\,v_k (identiteit die een product in een som omzet; controleer de randrijen j=1,nj = 1, n). Besluit:

    Sp(Tn)={4sin2kπ2(n+1):1kn},\operatorname{Sp}(T_n) = \Bigl\{4\sin^2 \frac{k\pi}{2(n+1)} : 1 \leq k \leq n\Bigr\},

    alle enkelvoudig, alle positief: TnT_n is positief definiet.

  2. (Een potentiaal) Klem voor een reële diagonaalmatrix D=diag(d1,,dn)D = \operatorname{diag}(d_1, \dots, d_n) het spectrum in: voor elke kk geldt

    λk(Tn)+minidi    λk(Tn+D)    λk(Tn)+maxidi.\lambda_k(T_n) + \min_i d_i \;\leq\; \lambda_k(T_n + D) \;\leq\; \lambda_k(T_n) + \max_i d_i .
  3. Ga de interlacering van Cauchy tussen T3T_3 en T2T_2 expliciet na (spectra {2±2,2}\{2 \pm \sqrt2, 2\} en {1,3}\{1, 3\}), en interpreteer: T2T_2 is T3T_3 met één uiteinde van het pad verwijderd.
  4. Toon aan dat de extreme eigenwaarden voor nn \to \infty voldoen aan

    λmin(Tn)=4sin2π2(n+1)π2(n+1)2,λmax(Tn)4,\lambda_{\min}(T_n) = 4\sin^2\frac{\pi}{2(n+1)} \sim \frac{\pi^2}{(n+1)^2}, \qquad \lambda_{\max}(T_n) \to 4 ,

    zodat het conditiegetal κn=λmax/λmin\kappa_n = \lambda_{\max}/\lambda_{\min} groeit als 4(n+1)2π2\frac{4(n+1)^2}{\pi^2}: het discretiseren van een tweede afgeleide op een steeds fijner rooster is intrinsiek slecht geconditioneerd.

  5. Synthese. In telkens één zin: (i) waarom de variationele karakterisering, en niet de karakteristieke veelterm, eigenwaarden stabiel maakt (vragen 8–9); (ii) welke vragen alleen λ1=maxRA\lambda_1 = \max R_A gebruikten en welke de volledige min-max nodig hadden; (iii) wat de ordening van Loewner aan het verhaal toevoegt; (iv) waar deze gereedschappen terugkeren (de numerieke wiskunde van de stijfheidsmatrices uit vraag 24; de kwantumverstoringstheorie; en, in het volume van bachelorjaar 3, het min-maxprincipe voor compacte zelftoegevoegde operatoren).
Oplossing

Oplossing van Probleem 13.1.

1. x,Ax=Ax,x=x,Ax=x,Ax\conj{\langle x, Ax\rangle} = \langle Ax, x\rangle = \langle x, A^*x\rangle = \langle x, Ax\rangle: reëel. Schrijven we x=cieix = \sum c_ie_i, dan is

RA(x)=iλici2ici2,R_A(x) = \frac{\sum_i\lambda_i\abs{c_i}^2} {\sum_i\abs{c_i}^2} ,

een gewogen gemiddelde van de eigenwaarden: het ligt in [λn,λ1]\intcc{\lambda_n}{\lambda_1}, met de grenzen aangenomen in e1e_1 en ene_n.

2. Werk voor reële tt en willekeurige vv uit dat RA(x+tv)=N(t)D(t)R_A(x + tv) = \frac{N(t)}{D(t)} met

N(t)=x,Ax+2tv,Ax+t2v,Av,D(t)=x2+2tv,x+t2v2.N(t) = \langle x, Ax\rangle + 2t\Re\langle v, Ax\rangle + t^2\langle v, Av\rangle, \quad D(t) = \norm x^2 + 2t\Re\langle v, x\rangle + t^2\norm v^2 .

De afgeleide in t=0t = 0 is

2x2v, AxRA(x)x.\frac{2}{\norm x^2}\, \Re\bigl\langle v,\ Ax - R_A(x)\,x\bigr\rangle .

Zij verdwijnt voor alle vv dan en slechts dan als v,w=0\Re\langle v, w\rangle = 0 voor alle vv, met w=AxRA(x)xw = Ax - R_A(x)x; vv door iv\iu v vervangen doodt ook het imaginaire deel: w=0w = 0, dat wil zeggen Ax=RA(x)xAx = R_A(x)x. De kritieke punten van RAR_A zijn dus precies de eigenvectoren, met als kritieke waarde de eigenwaarde.

3. Voor x=ikcieiVkx = \sum_{i\leq k}c_ie_i \in V_k is RA(x)R_A(x) een gewogen gemiddelde van λ1,,λk\lambda_1, \dots, \lambda_k, en dus λk\geq \lambda_k, met gelijkheid in eke_k: minVkRA=λk\min_{V_k} R_A = \lambda_k. Symmetrisch betreft het gemiddelde op WkW_k de waarden λk,,λn\lambda_k, \dots, \lambda_n: maxWkRA=λk\max_{W_k}R_A = \lambda_k.

4. Zij dimV=k\dim V = k. Dan is dimV+dimWk=n+1>n\dim V + \dim W_k = n + 1 > n, dus er is een eenheidsvector xVWkx \in V \cap W_k, en RA(x)λkR_A(x) \leq \lambda_k (vraag 3): minVRAλk\min_{V}R_A \leq \lambda_k voor elke zulke VV. Omdat VkV_k de waarde λk\lambda_k aanneemt, is het max-min gelijk aan λk\lambda_k. De min-maxformule is hetzelfde argument met omgekeerde rollen (dimW=nk+1\dim W = n - k + 1 dwingt WVk{0}W \cap V_k \neq \{0\} af, dus maxWRAλk\max_W R_A \geq \lambda_k, aangenomen in WkW_k).

5. RB(x)=RA(x)+x,(BA)xx2RA(x)R_B(x) = R_A(x) + \frac{\langle x, (B-A)x\rangle} {\norm x^2} \geq R_A(x) puntsgewijs. Nemen we het minimum over een willekeurige kk-dimensionale VV en daarna het maximum over VV, dan geeft vraag 4 dat λk(B)λk(A)\lambda_k(B) \geq \lambda_k(A).

6. Grassmann: dim(VW)=dimV+dimWdim(V+W)dimV+dimWn>0\dim(V\cap W) = \dim V + \dim W - \dim(V + W) \geq \dim V + \dim W - n > 0. Tweemaal toegepast:

dim(V1V2V3)dim(V1V2)+dimV3ndimV1+dimV2+dimV32n.\dim(V_1\cap V_2\cap V_3) \geq \dim(V_1\cap V_2) + \dim V_3 - n \geq \dim V_1 + \dim V_2 + \dim V_3 - 2n .

7. De deelruimten Wi(A)W_i(A), Wj(B)W_j(B) (vraag 3, voor AA en BB) en Vi+j1(A+B)V_{i+j-1}(A+B) hebben dimensies (ni+1)+(nj+1)+(i+j1)=2n+1>2n(n-i+1) + (n-j+1) + (i+j-1) = 2n + 1 > 2n: volgens vraag 6 is er een eenheidsvector xx in alle drie. Dan is

λi+j1(A+B)RA+B(x)=RA(x)+RB(x)λi(A)+λj(B),\lambda_{i+j-1}(A+B) \leq R_{A+B}(x) = R_A(x) + R_B(x) \leq \lambda_i(A) + \lambda_j(B),

de linkerongelijkheid omdat xVi+j1(A+B)x \in V_{i+j-1}(A+B) (vraag 3), de rechter wegens de twee WW’s.

8. In een spectrale basis van EE: Ex2=λk(E)2ck2maxkλk(E)2x2\norm{Ex}^2 = \sum \lambda_k(E)^2\abs{c_k}^2 \leq \max_k\lambda_k(E)^2\,\norm x^2, aangenomen in de bijbehorende eigenvector: E2=maxkλk(E)\vertiii E_2 = \max_k\abs{\lambda_k(E)}. Weyl met j=1j = 1: λk(A+E)λk(A)+λ1(E)λk(A)+E2\lambda_k(A+E) \leq \lambda_k(A) + \lambda_1(E) \leq \lambda_k(A) + \vertiii E_2; dit toegepast op (A+E)+(E)(A+E) + (-E) geeft λk(A)λk(A+E)+E2\lambda_k(A) \leq \lambda_k(A+E) + \vertiii E_2. Samen: λk(A+E)λk(A)E2\abs{\lambda_k(A+E) - \lambda_k(A)} \leq \vertiii E_2.

9. Ondergrenzen: P0P \geq 0 en vraag 5. Bovengrens: PP heeft rang 11, dus λ2(P)=0\lambda_2(P) = 0; Weyl met i=k1i = k-1, j=2j = 2:

λk(A+P)λk1(A)+λ2(P)=λk1(A).\lambda_k(A + P) \leq \lambda_{k-1}(A) + \lambda_2(P) = \lambda_{k-1}(A) .

10. A+E=(21+i1i2)A + E = \begin{pmatrix} 2 & 1+\iu\\ 1-\iu & 2\end{pmatrix}: karakteristieke veelterm (2λ)21+i2=(2λ)22(2-\lambda)^2 - \abs{1+\iu}^2 = (2-\lambda)^2 - 2, spectrum {2+2, 22}\{2 + \sqrt2,\ 2 - \sqrt2\}. Tegenover SpA={3,1}\operatorname{Sp}A = \{3, 1\}:

(2+2)3=(22)1=210.4141=E2.\abs{(2+\sqrt2) - 3} = \abs{(2-\sqrt2) - 1} = \sqrt2 - 1 \approx 0.414 \leq 1 = \vertiii E_2 . \checkmark

11. Beschouw Cn1=Vect(e1,,en1)\C^{n-1} = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_{n-1}) binnen Cn\C^n (standaardbasis): voor xx daarin is x,Bx=x,Ax\langle x, Bx\rangle = \langle x, Ax\rangle, dus RBR_B is de beperking van RAR_A. Bovengrens: het max-min voor λk(B)\lambda_k(B) loopt over de kk-dimensionale deelruimten van Cn1\C^{n-1}, een deelfamilie van die van Cn\C^n: λk(B)λk(A)\lambda_k(B) \leq \lambda_k(A). Ondergrens: het min-max voor λk(B)\lambda_k(B) loopt over deelruimten van Cn1\C^{n-1} van dimensie (n1)k+1=nk(n-1)-k+1 = n-k; elk daarvan is ook een deelruimte van Cn\C^n van dimensie n(k+1)+1n - (k+1) + 1, dus haar maximum is λk+1(A)\geq \lambda_{k+1}(A): λk(B)λk+1(A)\lambda_k(B) \geq \lambda_{k+1}(A).

12. Verwijder de rijen en kolommen één voor één en rijg vraag 11 aaneen: elke verwijdering verschuift de onderste index met één, wat λk+m(A)λk(B)λk(A)\lambda_{k+m}(A) \leq \lambda_k(B) \leq \lambda_k(A) geeft.

13. Conjugeren van AA met een permutatiematrix (unitair) verandert noch het spectrum noch de multiverzameling van diagonaalelementen: neem dus aan dat d1,,dkd_1, \dots, d_k de leidende posities innemen. De leidende hoofdondermatrix BB van formaat k×kk\times k heeft dan trB=ikdi\operatorname{tr} B = \sum_{i\leq k}d_i, en haar eigenwaarden voldoen aan μi(B)λi(A)\mu_i(B) \leq \lambda_i(A) (vraag 12): sommeren geeft ikdiikλi(A)\sum_{i\leq k}d_i \leq \sum_{i\leq k}\lambda_i(A). Bij k=nk = n zijn beide leden trA\operatorname{tr} A.

14. De keuze xi=eix_i = e_i geeft de waarde ikλi\sum_{i\leq k}\lambda_i: het maximum is \geq. Omgekeerd laat een orthonormale familie (x1,,xk)(x_1, \dots, x_k) zich uitbreiden tot een orthonormale basis, dat wil zeggen tot een unitaire UU met de xix_i als eerste kolommen; dan is ixi,Axi\sum_i\langle x_i, Ax_i\rangle de som van de eerste kk diagonaalelementen van UAUU^\dagger AU, die volgens vraag 13 hoogstens de som van haar kk grootste eigenwaarden is — namelijk ikλi(A)\sum_{i\leq k}\lambda_i(A). Het maximumprincipe van Ky Fan volgt.

15. Interlacering (SpA={2+2,2,22}\operatorname{Sp}A = \{2+\sqrt2, 2, 2-\sqrt2\}, SpB={3,1}\operatorname{Sp}B = \{3, 1\}):

232+2,2212.2 \leq 3 \leq 2 + \sqrt2, \qquad 2 - \sqrt2 \leq 1 \leq 2 . \checkmark

Schur met diagonaal (2,2,2)(2,2,2): 22+22 \leq 2+\sqrt2; 44+24 \leq 4 + \sqrt2; 6=66 = 6 (het spoor). ✓16. biiaii=ei,(BA)ei0b_{ii} - a_{ii} = \langle e_i, (B-A)e_i\rangle \geq 0; sommeren geeft de sporen. Voor elke CC: x,C(BA)Cx=Cx,(BA)(Cx)0\langle x, C^\dagger(B - A)Cx\rangle = \langle Cx, (B-A)(Cx)\rangle \geq 0: CACCBCC^\dagger AC \leq C^\dagger BC.

17. A0A \geq 0 is duidelijk; BA=(1111)B - A = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & 1\end{pmatrix} is positief semidefiniet (eigenwaarden 2,02, 0): ABA \leq B. Maar

B2=(5332),B2A2=(4332),det(B2A2)=1<0:B^2 = \begin{pmatrix} 5 & 3\\ 3 & 2\end{pmatrix}, \qquad B^2 - A^2 = \begin{pmatrix} 4 & 3\\ 3 & 2\end{pmatrix}, \qquad \det(B^2 - A^2) = -1 < 0 :

niet positief semidefiniet. Kwadrateren eerbiedigt de ordening van Loewner niet.

18. Zij S=AS = \sqrt A en T=BT = \sqrt B (hermitisch positief semidefiniet; Oefening 13.7 met dezelfde spectrale formule uitgebreid tot het semidefiniete geval). TST - S is hermitisch; zij μ\mu een willekeurige eigenwaarde en vv een eigenvector van norm 11. Uit T2S2=T(TS)+(TS)ST^2 - S^2 = T(T - S) + (T - S)S volgt

0v,(BA)v=Tv,(TS)v+(TS)v,Sv=μ(v,Tv+v,Sv)0 \leq \langle v, (B - A)v\rangle = \langle Tv, (T-S)v\rangle + \langle (T-S)v, Sv\rangle = \mu\bigl(\langle v, Tv\rangle + \langle v, Sv\rangle\bigr)

(μ\mu is reëel). Is v,Tv+v,Sv>0\langle v, Tv\rangle + \langle v, Sv\rangle > 0, dan is μ0\mu \geq 0. Verdwijnt zij, dan verdwijnen beide niet-negatieve termen; v,Tv=T1/2v2=0\langle v, Tv\rangle = \norm{T^{1/2}v}^2 = 0 dwingt Tv=0Tv = 0 af, en evenzo Sv=0Sv = 0, dus μv=(TS)v=0\mu v = (T - S)v = 0 en μ=0\mu = 0. Alle eigenwaarden van TST - S zijn 0\geq 0: AB\sqrt A \leq \sqrt B.

19. Congruentie met A1/2A^{-1/2} (vraag 16): IM:=A1/2BA1/2I \leq M := A^{-1/2}BA^{-1/2}. Dus zijn alle eigenwaarden van MM groter dan of gelijk aan 11, en die van M1M^{-1} liggen in (0,1]\intoc{0}{1}: M1IM^{-1} \leq I. Maar M1=A1/2B1A1/2M^{-1} = A^{1/2}B^{-1}A^{1/2}; M1IM^{-1} \leq I congrueren met A1/2A^{-1/2} geeft B1A1B^{-1} \leq A^{-1}.

20. A1(AB)A=ABA\sqrt A^{-1}(AB)\sqrt A = \sqrt A\,B\sqrt A: dus is ABAB gelijkvormig met de hermitische positief definiete ABA\sqrt A\,B\sqrt A (definiet: x,ABAx=Ax,BAx>0\langle x, \sqrt AB\sqrt Ax\rangle = \langle \sqrt Ax, B\sqrt Ax\rangle > 0): haar eigenwaarden zijn reëel en positief. Bovendien is

x,ABAxλmax(B)Ax2=λmax(B)x,Axλmax(A)λmax(B)x2,\langle x, \sqrt AB\sqrt Ax\rangle \leq \lambda_{\max}(B)\,\norm{\sqrt Ax}^2 = \lambda_{\max}(B)\,\langle x, Ax\rangle \leq \lambda_{\max}(A)\lambda_{\max}(B)\norm x^2 ,

dus λmax(AB)=maxRABAλmax(A)λmax(B)\lambda_{\max}(AB) = \max R_{\sqrt AB\sqrt A} \leq \lambda_{\max}(A)\lambda_{\max}(B).

21. Met vk=(sinjθk)jv_k = (\sin j\theta_k)_j en de identiteit sin((j1)θ)+sin((j+1)θ)=2sin(jθ)cosθ\sin((j-1)\theta) + \sin((j+1)\theta) = 2\sin(j\theta)\cos\theta geldt voor 2jn12 \leq j \leq n-1:

(Tnvk)j=sin((j1)θk)+2sin(jθk)sin((j+1)θk)=(22cosθk)sin(jθk).(T_nv_k)_j = -\sin((j{-}1)\theta_k) + 2\sin(j\theta_k) - \sin((j{+}1)\theta_k) = (2 - 2\cos\theta_k)\sin(j\theta_k) .

Rij 11 werkt omdat sin(0θk)=0\sin(0\cdot\theta_k) = 0, rij nn omdat sin((n+1)θk)=sin(kπ)=0\sin((n+1)\theta_k) = \sin(k\pi) = 0: de randvoorwaarden selecteren precies θk=kπn+1\theta_k = \frac{k\pi}{n+1}. Dus Tnvk=4sin2(kπ2(n+1))vkT_nv_k = 4\sin^2\bigl(\frac{k\pi}{2(n+1)}\bigr)v_k; de nn waarden zijn verschillend en liggen in (0,4)\intoo04, en de vk0v_k \neq 0: dit is het hele spectrum, positief, dus TnT_n is positief definiet.

22. minidiIDmaxidiI\min_id_i\,I \leq D \leq \max_id_i\,I, dus Tn+minidiITn+DTn+maxidiIT_n + \min_id_i\,I \leq T_n + D \leq T_n + \max_id_i\,I (het optellen van TnT_n bewaart de ordening); vraag 5 en λk(Tn+cI)=λk(Tn)+c\lambda_k(T_n + cI) = \lambda_k(T_n) + c geven de insluiting.

23. T2=(2112)T_2 = \begin{pmatrix} 2 & -1\\ -1 & 2\end{pmatrix} heeft spectrum {3,1}\{3, 1\}, en

22    1    2    3    2+2:2 - \sqrt2 \;\leq\; 1 \;\leq\; 2 \;\leq\; 3 \;\leq\; 2 + \sqrt2 :

de interlacering van Cauchy is nagegaan. (Dit zijn dezelfde spectra als in vraag 15: conjugeren met diag(1,1,1)\operatorname{diag}(1,-1,1) verandert het teken buiten de diagonaal.) Lezing via grafen: T2T_2 is de matrix van laplaciaantype van het pad waarvan het laatste punt is geschrapt — een hoofdondermatrix, precies de situatie van vraag 11.

24. De extreme eigenwaarden gedragen zich als

λmin(Tn)=4sin2π2(n+1)π2(n+1)2,λmax(Tn)=4cos2π2(n+1)4.\lambda_{\min}(T_n) = 4\sin^2\frac{\pi}{2(n+1)} \sim \frac{\pi^2}{(n+1)^2}, \qquad \lambda_{\max}(T_n) = 4\cos^2\frac{\pi}{2(n+1)} \longrightarrow 4 .

Bijgevolg is

κn=λmaxλmin4(n+1)2π2:\kappa_n = \frac{\lambda_{\max}}{\lambda_{\min}} \sim \frac{4(n+1)^2}{\pi^2} :

hoe fijner het rooster, hoe slechter geconditioneerd de discrete tweede afgeleide — een feit dat het ontwerp van de numerieke lineaire algebra stuurt.

25. (i) De nulpunten van de karakteristieke veelterm kunnen bij verstoringen van een algemene matrix wild bewegen, maar de min-maxkarakterisering klemt elke hermitische eigenwaarde tussen expliciete optimalisatiewaarden, wat de 11-lipschitzstabiliteit van de vragen 8–9 afdwingt. (ii) De vragen 1, 5 en 16–20 gebruikten alleen de extreme Rayleigh-waarden; Weyl, interlacering, Schur en Ky Fan (vragen 7–14) hadden werkelijk de volledige min-max over deelruimten nodig. (iii) De ordening van Loewner maakt van deze scalaire ongelijkheden een rekenkunde van matrixongelijkheden — met echte valkuilen (vraag 17) en echte stellingen (vragen 18–19). (iv) Deze gereedschappen zijn het dagelijks brood van de numerieke wiskunde (de stijfheidsmatrices van vraag 24), van de kwantumverstoringstheorie (Weyl: de energieniveaus verplaatsen zich hoogstens over de norm van de verstoring) en van het min-maxprincipe voor compacte zelftoegevoegde operatoren in het volume van bachelorjaar 3.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst