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 , en beide diagonaliseren in orthonormale basissen. Dit korte hoofdstuk speelt het euclidische programma van Hoofdstuk 12 over .
13.1 Hermitische inproducten
Definitie 13.1
Een hermitisch inproduct op een complexe vectorruimte is een afbeelding die lineair is in de tweede veranderlijke, geconjugeerd symmetrisch ( — en dus geconjugeerd lineair in de eerste veranderlijke) en positief definiet ( voor ). Het standaardvoorbeeld op :
op continue functies, . Norm: ; een eindigdimensionale complexe ruimte die hiermee is uitgerust, heet een hermitische ruimte.
Voorbeeld 13.2 (Eerste berekeningen)
Neem in de vectoren en . Dan is
en, met conjugatie van het eerste argument,
Cauchy–Schwarz klopt: — dicht bij gelijkheid, omdat dicht bij een veelvoud van ligt. Merk ook op dat : geconjugeerde symmetrie in actie, en de reden waarom altijd reëel is.
Stelling 13.3 (Cauchy–Schwarz, complex)
, met gelijkheid dan en slechts dan als lineair afhankelijk zijn; en is een norm. Bovendien bestaan er orthonormale basissen (Gram–Schmidt verloopt woordelijk hetzelfde), met
Bewijs. Voor en : . Kies :
wat de ongelijkheid is; gelijkheid dwingt af. Driehoeksongelijkheid, volledig:
met en vervolgens Cauchy–Schwarz; homogeniteit en scheiding zijn onmiddellijk, dus 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 zijn; het volgende voorbeeld doorloopt het algoritme eenmaal volledig). ∎
Voorbeeld 13.4 (Complexe Gram–Schmidt, volledig doorlopen)
Orthonormaliseer de basis , van . Eerste vector: , dus . Projecteer — met de conjugatie in de eerste sleuf:
De norm hiervan is : . Controle: . Coördinaten van in de nieuwe basis: met — let op de volgorde: 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 gebruikt stilzwijgend de positiviteit — het axioma dat de hele meetkunde laat werken.
13.2 Adjunct, hermitische en unitaire endomorfismen
Definitie 13.5
De adjunct van is gedefinieerd door ; in een orthonormale basis is (de geconjugeerde getransponeerde) — immers, is de matrix van in de orthonormale basis , dan is , en de definiërende identiteit geeft
En heet hermitisch wanneer (), unitair wanneer (: de groep ), en normaal wanneer .
Propositie 13.6
Eigenwaarden van een hermitisch endomorfisme zijn reëel; eigenwaarden van een unitair endomorfisme hebben modulus ; in beide gevallen staan de eigenruimten bij verschillende eigenwaarden loodrecht op elkaar.
Bewijs. Hermitisch, , :
dus . Unitair: (uit ), dus . Orthogonaliteit (hermitisch geval): voor eigenvectoren met reële . Unitair geval, volledig: voor , met (beide van modulus ) is
en : de factor is niet , dus . ∎
Voorbeeld 13.7 (Een antihermitische matrix, gediagonaliseerd)
voldoet aan : antihermitisch (en ook reëel antisymmetrisch — over heeft zij helemaal geen eigenwaarden). Karakteristieke veelterm : eigenwaarden , zuiver imaginair, zoals Oefening 13.9 in het algemeen voorspelt. Eigenvectoren: geeft , en voor ; zij staan loodrecht op elkaar:
Dus met unitair. Het inzicht om te onthouden: is hermitisch met het reële spectrum en dezelfde eigenvectoren — de bijectie tussen hermitische en antihermitische endomorfismen (Oefening 13.9), matrix voor matrix gezien; over is diezelfde een draaivermenigvuldiging zonder enige eigenvector, en pas de overgang naar onthult haar normaalvorm.
Stelling 13.8 (Hermitische spectraalstelling)
Elk hermitisch endomorfisme van een hermitische ruimte bezit een orthonormale basis van eigenvectoren (met reële eigenwaarden): impliceert met en reëel diagonaal.
Bewijs. Over valt de karakteristieke veelterm in lineaire factoren uiteen: er bestaat een eigenvector (Hoofdstuk 3) — geen compactheidsargument nodig, een voordeel van . Normaliseer haar. Haar orthogonale complement is stabiel: voor is
( reëel). De beperking is hermitisch; pas inductie naar de dimensie toe en plak aaneen. In detail: de beperking is een endomorfisme van de hermitische ruimte (dimensie ) met , geërfd van ; de inductiehypothese levert een orthonormale basis van uit eigenvectoren, en is orthonormaal in () en bestaat uit eigenvectoren van . Matricieel vertaald: de kolommen van zijn de , drukt hun orthonormaliteit uit, en verzamelt de eigenwaardevergelijkingen, waaruit met reëel diagonaal (Propositie 13.6). ∎
Voorbeeld 13.9
is hermitisch (): eigenwaarden uit : (reëel, zoals beloofd), met orthonormale eigenvectoren en . (Natuurkundigen kennen 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)
: hermitisch, want de diagonaal is reëel en de elementen buiten de diagonaal zijn elkaars complex geconjugeerde. Karakteristieke veelterm:
spectrum , reëel en positief — is positief definiet. Eigenvectoren: voor geeft het stelsel dat (controleer de tweede rij: ); voor : . Orthogonaliteit, met de conjugatie in de eerste sleuf:
Normaliseren (, ) geeft de unitaire met . Het inzicht om te onthouden: de lezing volgens Rayleigh is onmiddellijk — op de eenheidssfeer van doorloopt precies , aangenomen in de twee eigenvectoren; dit is de kiem voor 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 is
zoals het bewijsmechanisme van Propositie 13.6 (geconjugeerde symmetrie tegen ) voor elke garandeert.
Voorbeeld 13.11 (Een unitaire matrix gediagonaliseerd)
(unitair volgens Oefening 13.2). Haar karakteristieke veelterm is , met nulpunten
van modulus zoals Propositie 13.6 beloofde, en met orthonormale eigenvectoren . Dus : in de juiste basis is een paar vlakke rotaties over — een reële rotatiematrix heeft geen reële eigenvectoren, maar over valt zij uiteen in twee scalairen van modulus . 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 (hermitisch, spectrum , orthonormale eigenvectoren ). In de eigenbasis is alles scalair: de transformatie zendt
(vermenigvuldig met de geconjugeerde van de noemer), dus is de unitaire matrix met eigenwaarden op diezelfde eigenvectoren:
Controle: , en , zoals de theorie belooft. Het inzicht om te onthouden: de reële rechte wordt afgebeeld op de eenheidscirkel zonder het punt — eigenwaarde voor eigenwaarde is de Cayley-transformatie de möbiusafbeelding , 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 zijn en ; veel teksten conjugeren in plaats daarvan de tweede sleuf — vertaal dus voordat je formules vergelijkt, of tekens van gaan stilzwijgend mis. (ii) Complexe polarisatie is sterker: geldt over dat voor alle , dan is (werk en uit: zowel het reële als het imaginaire deel van verdwijnt); over faalt dit — de rotatie over voldoet overal aan . Bijgevolg dwingt, alleen over , de uitspraak “ voor alle ” al af dat 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 , en over krijgt men slechts blokreducties. (iv) Unitariteit nagaan: betekent dat de kolommen orthonormaal zijn voor het hermitische product — 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 is het dat niet: geldt voor alle , dan is . Immers, is hermitisch en voldoet aan voor elke ; volgens de complexe polarisatie (valkuil (ii) hierboven) is een afbeelding met identiek verdwijnende “diagonaal” nul: . Concreet verloopt de polarisatie als
en de twee regels samen dwingen af voor alle . 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 (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 vormen een orthonormale familie voor , 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 (, orthogonaal unitair, Rayleigh reëel in beide).
Opmerking 13.16 (Normale endomorfismen)
Over luidt de definitieve uitspraak: is unitair diagonaliseerbaar dan en slechts dan als normaal is () — 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 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 de grootheden , , voor , ; staan zij loodrecht op elkaar? Geef een orthonormale basis die bevat.
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.1.
: orthogonaal. . Orthonormale basis: — het genormaliseerde paar zelf.
Oefening 13.2 ★
Welke zijn hermitisch? Unitair? Normaal?
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.2.
Eerste: gelijk aan haar geconjugeerde getransponeerde (reële diagonaal, en verwisseld): hermitisch (en dus normaal); niet unitair (: de kolommen hebben geen norm ).
Tweede: : unitair (en dus normaal); niet hermitisch.
Derde: : niet normaal (dus noch hermitisch noch unitair) — het standaard nilpotente tegenvoorbeeld.
Oefening 13.3 ★
Bewijs dat een matrix zich op precies één manier laat schrijven als met hermitisch (de “reële en imaginaire delen” , ), en dat normaal is dan en slechts dan als en commuteren.
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.3.
Eenduidigheid: met , dwingt af, dus en ; deze formules zijn hermitisch (controle: ) en bouwen opnieuw op: bestaan.
Normaliteit: : dit verdwijnt dan en slechts dan als .
Oefening 13.4 ★★
Diagonaliseer in een orthonormale basis: , en bereken voor .
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.4.
: eigenwaarden en . Eigenvectoren, door rechtstreekse berekening:
Orthonormale eigenbasis: (eigenwaarde ), (eigenwaarde ); de orthogonaliteit als in Oefening 13.1. Machten, via de spectrale projecties :
(Controleer : dit geeft terug.)
Oefening 13.5 ★★
Bewijs dat compact is en dat de eigenwaardeafbeelding surjectief is: elke van modulus treedt op bij een zekere unitaire matrix. Bewijs dat (de eenheidscirkel) voor .
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.5.
Compact: gesloten (origineel van onder de continue afbeelding ) en begrensd (de kolommen zijn eenheidsvectoren: elementen van modulus ) in .
Eigenwaarden: is unitair voor elke . Determinant: (met ): ligt op de eenheidscirkel.
Oefening 13.6 ★★
(Cayley-transformatie) Zij hermitisch. Bewijs dat inverteerbaar is en dat unitair is, met . (Werk spectraal: op een eigenbasis van is alles scalair.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.6.
Werk volgens de spectraalstelling in een orthonormale eigenbasis van : alles herleidt tot scalairen (de eigenwaarden). heeft eigenwaarden : inverteerbaar. heeft eigenwaarden , van modulus ( voor reële ): geldt omdat unitair diagonaliseerbaar is met eigenwaarden van modulus (zij is diagonaal in de gekozen orthonormale basis). En zou afdwingen: onmogelijk, dus . (De Cayley-transformatie beeldt het hermitische geval af op het unitaire min één punt — de matrixversie van de afbeelding van naar de cirkel.)
Oefening 13.7 ★★
Bewijs voor hermitische positief definiete ( voor ) dat , dat voor een hermitische positief definiete , en dat .
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.7.
Voor een eigenpaar () is , dus (reëel was zij al, Propositie 13.6). Vierkantswortel: in een spectrale basis is : hermitisch, positief definiet, . Determinant: het product van de positieve eigenwaarden.
Oefening 13.8 ★★★
(Spectraalstelling voor normale endomorfismen) Zij normaal op een hermitische ruimte.
- Bewijs dat voor alle , en leid af dat .
- Bewijs dat de eigenruimten van bij verschillende eigenwaarden orthogonaal zijn, en dat het orthogonale complement van een eigenruimte -stabiel is.
- Besluit met inductie dat unitair diagonaliseerbaar is; en omgekeerd.
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.8.
- . Toegepast op de normale (haar adjunct is , en de normaliteit wordt geërfd): , dus de kernen vallen samen.
Voor eigenvectoren , () geeft (1) dat ; dan is
dus . Stabiliteit van : voor en is .
- Inductie naar de dimensie: over heeft een eigenvector (normaliseer haar); haar orthogonale complement is stabiel onder (volgens (2)) en onder (hetzelfde argument met verwisselde rollen), dus de beperking is normaal: pas inductie toe en plak de orthonormale eigenbasissen aaneen. Omgekeerd voldoet een unitair diagonaliseerbare aan : normaal.
Oefening 13.9 ★
Een endomorfisme heet antihermitisch wanneer . Bewijs dat zijn eigenwaarden zuiver imaginair zijn, dat 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 , :
dus : zuiver imaginair. Omdat (de adjunct is geconjugeerd lineair in de scalairen), geeft dat : de afbeelding zendt hermitisch naar antihermitisch, met inverse : een bijectie. Een antihermitische voldoet aan : normaal, en dus unitair diagonaliseerbaar volgens Oefening 13.8.
Oefening 13.10 ★★
(De eindige Fouriertransformatie) Zij de cyclische verschuiving van : , en .
- Toon aan dat unitair is en dat de vectoren , , een orthonormale basis van eigenvectoren vormen: .
- Leid af dat elke circulante matrix normaal is, gediagonaliseerd door dezelfde basis, met eigenwaarden .
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.10.
permuteert een orthonormale basis: , dus is unitair. Indexeren we de coördinaten met modulo , dan is , dus voor :
Orthonormaliteit: (de meetkundige som van een niet-triviale eenheidswortel verdwijnt).
- : elke circulante matrix is diagonaal in de orthonormale Fourierbasis, en dus normaal, met spectrum . (De basisovergang is de discrete Fouriertransformatie: convolutie wordt vermenigvuldiging.)
Oefening 13.11 ★★
Zij een idempotent () endomorfisme van een hermitische ruimte. Bewijs dat de orthogonale projectie op is dan en slechts dan als . Geef de matrix van de orthogonale projectie op (), en op een deelruimte met orthonormale basis .
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.11.
() Zij . Elke splitst als met en . De twee stukken zijn orthogonaal: voor alle is
, dus is de orthogonale projectie op haar beeld. () Is de orthogonale projectie op , dan is voor alle (de component valt weg) en symmetrisch : dus , dat wil zeggen . Matrices: op (): , dat wil zeggen ; op orthonormaal: .
Oefening 13.12 ★★★
(Spectrale projectoren via interpolatie) Zij hermitisch met verschillende eigenwaarden en eigenruimteontbinding . Definieer de Lagrange-veeltermen . Bewijs dat de orthogonale projectie op is, dat voor , dat en dat (de spectrale ontbinding); druk voor een willekeurige veelterm uit in de .
Oplossing
Oplossing van Oefening 13.12.
Diagonaliseer (spectraalstelling), met diagonaal met elementen uit de . Dan is , en is diagonaal met elementen : enen precies op de plaatsen van . Dus is hermitisch ( reëel, reëel), idempotent, met beeld en kern (orthogonaliteit van de eigenruimten): de orthogonale projectie op (Oefening 13.11). Disjuncte diagonaalpatronen geven (); (graad , waarde in punten), dus ; en geeft . Voor een willekeurige veelterm heeft de diagonaal , dus
functies van worden spectraal berekend — de rekenkunde die het volume van bachelorjaar 3 uitbreidt tot continue 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 hermitisch op met eigenwaarden in dalende volgorde opgesomd, , en is voor het Rayleigh-quotiënt.
Deel I — Rayleigh-quotiënten en min-max. Leg een orthonormale eigenbasis vast met .
Toon aan dat reëel is en dat
waarbij beide grenzen worden aangenomen: , .
- Toon aan dat de kritieke punten van precies de eigenvectoren van zijn (werk uit in voor willekeurige , en vervang vervolgens door ).
Zij en . Toon aan dat
Bewijs de stelling van Courant–Fischer: voor is
(voor elke van dimensie is volgens Grassmann, dus ; vraag 3 toont dat de grens wordt aangenomen).
- (Monotonie) Schrijf wanneer positief semidefiniet is. Leid uit vraag 4 af: uit volgt voor elke .
Deel II — De ongelijkheden van Weyl.
- Toon aan dat deelruimten met elkaar niet-triviaal snijden, en veralgemeen: .
Bewijs de ongelijkheid van Weyl: voor is
(snijd de deelruimten , en uit vraag 3 en tel dimensies).
Definieer en toon aan dat voor hermitische . Leid de verstoringsstelling van Weyl af:
elke eigenwaarde is een -lipschitzfunctie van de matrix.
(Verstoringen van rang één) Zij hermitisch positief semidefiniet van rang . Toon aan dat
samen met : de nieuwe eigenwaarden interlaceren de oude.
- Ga vraag 8 numeriek na: (Oefening 13.4: spectrum ) en (spectrum ): bereken het spectrum van en beide leden van de ongelijkheid.
Deel III — Interlacering en spoorongelijkheden.
(Interlacering van Cauchy) Zij de leidende hoofdondermatrix van van formaat . Bewijs dat
(beschouw ; daarop is de beperking van ; pas Courant–Fischer op beide niveaus toe).
- Herhaal: voor een hoofdondermatrix van formaat geldt .
(Schur) Zij de gesorteerde diagonaalelementen van . Bewijs voor elke :
met gelijkheid bij (het spoor) (de gekozen diagonaalelementen vormen een hoofdondermatrix van formaat ; begrens haar spoor met vraag 12).
(Ky Fan) Bewijs dat
Ga de vragen 11 en 13 na op
tegenover haar leidende blok van formaat (spectrum ) en haar diagonaal.
Deel IV — De ordening van Loewner. betekent nog altijd dat positief semidefiniet is; alle matrices in dit deel zijn hermitisch.
- Toon aan: uit volgt voor alle , , en voor elke complexe matrix .
Toon aan dat kwadrateren niet monotoon is: ga voor
na dat maar .
- Bewijs dat de vierkantswortel wel monotoon is: uit volgt (zij een eigenwaarde van met eigenvector van norm ; bereken en bespreek).
- Bewijs dat inverteren antitoon is op positief definiete matrices: uit volgt (congrueer met om te herleiden tot , wat in een spectrale basis scalair is).
Zijn positief definiet. Toon aan dat de eigenwaarden van (in het algemeen niet hermitisch!) reëel en positief zijn, en dat
(conjugeer met : ).
Deel V — De discrete laplaciaan, uitgewerkt. Zij de tridiagonale matrix van formaat met op de diagonaal en op de twee aangrenzende diagonalen.
Ga met na dat de vectoren voldoen aan (identiteit die een product in een som omzet; controleer de randrijen ). Besluit:
alle enkelvoudig, alle positief: is positief definiet.
(Een potentiaal) Klem voor een reële diagonaalmatrix het spectrum in: voor elke geldt
- Ga de interlacering van Cauchy tussen en expliciet na (spectra en ), en interpreteer: is met één uiteinde van het pad verwijderd.
Toon aan dat de extreme eigenwaarden voor voldoen aan
zodat het conditiegetal groeit als : het discretiseren van een tweede afgeleide op een steeds fijner rooster is intrinsiek slecht geconditioneerd.
- 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 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. : reëel. Schrijven we , dan is
een gewogen gemiddelde van de eigenwaarden: het ligt in , met de grenzen aangenomen in en .
2. Werk voor reële en willekeurige uit dat met
De afgeleide in is
Zij verdwijnt voor alle dan en slechts dan als voor alle , met ; door vervangen doodt ook het imaginaire deel: , dat wil zeggen . De kritieke punten van zijn dus precies de eigenvectoren, met als kritieke waarde de eigenwaarde.
3. Voor is een gewogen gemiddelde van , en dus , met gelijkheid in : . Symmetrisch betreft het gemiddelde op de waarden : .
4. Zij . Dan is , dus er is een eenheidsvector , en (vraag 3): voor elke zulke . Omdat de waarde aanneemt, is het max-min gelijk aan . De min-maxformule is hetzelfde argument met omgekeerde rollen ( dwingt af, dus , aangenomen in ).
5. puntsgewijs. Nemen we het minimum over een willekeurige -dimensionale en daarna het maximum over , dan geeft vraag 4 dat .
6. Grassmann: . Tweemaal toegepast:
7. De deelruimten , (vraag 3, voor en ) en hebben dimensies : volgens vraag 6 is er een eenheidsvector in alle drie. Dan is
de linkerongelijkheid omdat (vraag 3), de rechter wegens de twee ’s.
8. In een spectrale basis van : , aangenomen in de bijbehorende eigenvector: . Weyl met : ; dit toegepast op geeft . Samen: .
9. Ondergrenzen: en vraag 5. Bovengrens: heeft rang , dus ; Weyl met , :
10. : karakteristieke veelterm , spectrum . Tegenover :
11. Beschouw binnen (standaardbasis): voor daarin is , dus is de beperking van . Bovengrens: het max-min voor loopt over de -dimensionale deelruimten van , een deelfamilie van die van : . Ondergrens: het min-max voor loopt over deelruimten van van dimensie ; elk daarvan is ook een deelruimte van van dimensie , dus haar maximum is : .
12. Verwijder de rijen en kolommen één voor één en rijg vraag 11 aaneen: elke verwijdering verschuift de onderste index met één, wat geeft.
13. Conjugeren van met een permutatiematrix (unitair) verandert noch het spectrum noch de multiverzameling van diagonaalelementen: neem dus aan dat de leidende posities innemen. De leidende hoofdondermatrix van formaat heeft dan , en haar eigenwaarden voldoen aan (vraag 12): sommeren geeft . Bij zijn beide leden .
14. De keuze geeft de waarde : het maximum is . Omgekeerd laat een orthonormale familie zich uitbreiden tot een orthonormale basis, dat wil zeggen tot een unitaire met de als eerste kolommen; dan is de som van de eerste diagonaalelementen van , die volgens vraag 13 hoogstens de som van haar grootste eigenwaarden is — namelijk . Het maximumprincipe van Ky Fan volgt.
15. Interlacering (, ):
Schur met diagonaal : ; ; (het spoor). ✓16. ; sommeren geeft de sporen. Voor elke : : .
17. is duidelijk; is positief semidefiniet (eigenwaarden ): . Maar
niet positief semidefiniet. Kwadrateren eerbiedigt de ordening van Loewner niet.
18. Zij en (hermitisch positief semidefiniet; Oefening 13.7 met dezelfde spectrale formule uitgebreid tot het semidefiniete geval). is hermitisch; zij een willekeurige eigenwaarde en een eigenvector van norm . Uit volgt
( is reëel). Is , dan is . Verdwijnt zij, dan verdwijnen beide niet-negatieve termen; dwingt af, en evenzo , dus en . Alle eigenwaarden van zijn : .
19. Congruentie met (vraag 16): . Dus zijn alle eigenwaarden van groter dan of gelijk aan , en die van liggen in : . Maar ; congrueren met geeft .
20. : dus is gelijkvormig met de hermitische positief definiete (definiet: ): haar eigenwaarden zijn reëel en positief. Bovendien is
dus .
21. Met en de identiteit geldt voor :
Rij werkt omdat , rij omdat : de randvoorwaarden selecteren precies . Dus ; de waarden zijn verschillend en liggen in , en de : dit is het hele spectrum, positief, dus is positief definiet.
22. , dus (het optellen van bewaart de ordening); vraag 5 en geven de insluiting.
23. heeft spectrum , en
de interlacering van Cauchy is nagegaan. (Dit zijn dezelfde spectra als in vraag 15: conjugeren met verandert het teken buiten de diagonaal.) Lezing via grafen: 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
Bijgevolg is
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 -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.