Для установки нажмите кнопочку Установить расширение. И это всё.

Исходный код расширения WIKI 2 регулярно проверяется специалистами Mozilla Foundation, Google и Apple. Вы также можете это сделать в любой момент.

4,5
Келли Слэйтон
Мои поздравления с отличным проектом... что за великолепная идея!
Александр Григорьевский
Я использую WIKI 2 каждый день
и почти забыл как выглядит оригинальная Википедия.
Статистика
На русском, статей
Улучшено за 24 ч.
Добавлено за 24 ч.
Что мы делаем. Каждая страница проходит через несколько сотен совершенствующих техник. Совершенно та же Википедия. Только лучше.
.
Лео
Ньютон
Яркие
Мягкие

Из Википедии — свободной энциклопедии

В математике комплексная квадратная матрица A называется нормальной, если

где A — это сопряженно-транспонированная матрица к A. Таким образом, матрица нормальна тогда и только тогда, когда она коммутирует со своей сопряженно-транспонированной.

Для вещественной матрицы A выполняется A = AT, и поэтому она нормальна, если ATA = AAT.

Нормальность является удобным тестом для приводимости к диагональной форме — матрица нормальна тогда и только тогда, когда она унитарно подобна диагональной матрице, а потому любая матрица A, удовлетворяющая уравнению AA = AA, допускает приведение к диагональной форме. (Две матрицы A и B называются унитарно подобными, если существует унитарная матрица S, для которой A = S-1BS.)

Понятие нормальной матрицы можно распространить на нормальные операторы в бесконечномерных гильбертовых пространствах и нормальные элементы в C*-алгебрах.

Специальные случаи

Среди комплексных матриц все унитарные, эрмитовы и косоэрмитовы матрицы нормальны. Среди вещественных матриц все ортогональные, симметричные и кососимметричные матрицы нормальны. Однако неверно, что все нормальные матрицы либо унитарны, либо эрмитовы, либо косоэрмитовы. Например,

не является ни унитарной, ни эрмитовой, ни косоэрмитовой, хотя и нормальна, поскольку

Следствия

Предложение. Нормальная треугольная матрица диагональна.

Пусть A — нормальная верхне-треугольная матрица. Поскольку (AA)ii = (AA)ii, первая строка должна иметь ту же норму, что и первый столбец:

Первые элементы первой строки и первого столбца совпадают, а остаток первого столбца состоит из нулей. Из этого следует, что и в строке все элементы от 2 до n должны быть нулевыми. Продолжая эти рассуждения для пар строка/столбец с номерами от 2 до n, получим, что A диагональна.

Понятие нормальности важно, поскольку нормальные матрицы — это в точности те, которых касается спектральная теорема:

Предложение. Матрица A нормальна тогда и только тогда, когда существует диагональная матрица Λ и унитарная матрица U, такие что A = UΛU.

Диагональные элементы матрицы Λ являются собственными числами, а столбцы Uсобственными векторами матрицы A. (собственные значения в Λ идут в том же порядке, что и соответствующие им собственные вектора в U).

Другим способом высказать утверждение спектральной теоремы является утверждение, что нормальные матрицы — это в точности те матрицы, которые можно представить в виде диагональной матрицы путём выбора подходящего ортонормального базиса пространства Cn. Также можно утверждать, что матрица нормальна тогда и только тогда, когда её собственное пространство совпадает с Cn и собственные вектора ортогональны по стандартному скалярному произведению в Cn.

Спектральная теорема для нормальных матриц является специальным случаем более общего разложения Шура, которое выполняется для всех квадратных матриц. Пусть A — квадратная матрица. Тогда, согласно разложению Шура, она унитарно подобна верхней треугольной матрице, скажем, B. Если A нормальна, то и B нормальна тоже. Но тогда B должна быть диагональной по причине, изложенной выше.

Спектральная теорема позволяет классифицировать нормальные матрицы в терминах спектра, например:

Предложение. Нормальная матрица унитарна тогда и только тогда, когда её спектр лежит на единичном круге комплексной плоскости.
Предложение. Нормальная матрица является самосопряжённой тогда и только тогда, когда её спектр содержится в R.

В общем случае сумма или произведение двух нормальных матриц не обязательно будет нормальной матрицей. Однако выполняется следующее:

Предложение. Если A и B нормальны и выполняется AB = BA, то и AB, и A + B также нормальны. Более того, существует унитарная матрица U, такая, что UAU и UBU диагональны. Другими словами, A и B совместно приводимы к диагональной форме[en].

В этом частном случае столбцы матрицы U являются собственными векторами, как A, так и B, и образуют ортонормальный базис в Cn. Утверждение следует из теорем, что над алгебраически замкнутым полем коммутирующие матрицы совместно приводимы к треугольному виду[en] и что нормальная матрица приводима к диагональной, в последнем случае с дополнением, что это можно сделать одновременно.

Эквивалентные определения

Можно дать довольно длинный список эквивалентных определений нормальной матрицы. Пусть An × n комплексная матрица. Следующие высказывания эквивалентны:

  1. A нормальна.
  2. A является приводимой к диагональной форме[en] с помощью унитарной матрицы.
  3. Все точки пространства можно получить как линейные комбинации некоторого набора ортонормальных собственных векторов матрицы A.
  4. ||Ax|| = ||Ax|| для любого x.
  5. Норму Фробениуса матрицы A можно вычислить по собственным значениям матрицы A:
  6. Эрмитова часть и косоэрмитова часть матрицы A коммутируют.
  7. A является многочленом (степени n − 1) от A[1].
  8. A = AU для некоторой унитарной матрицы U[2].
  9. U и P коммутируют, где U и P представляют полярное разложение A = UP на унитарную матрицу U и некую положительно определённую матрицу P.
  10. A коммутирует с некоторой нормальной матрицей N, имеющей различные собственные значения.
  11. σi = |λi| для всех 1 ≤ in, где A имеет сингулярные собственные значения[en] σ1 ≥ ... ≥ σn и собственные вектора |λ1| ≥ ... ≥ |λn|.[3]
  12. Операторная норма нормальной матрицы A равна числовому[en] и спектральному радиусу[en] матрицы A. Это означает:

Некоторые, но не все перечисленные выше определения можно обобщить до нормальных операторов в бесконечномерных гильбертовых пространствах. Например, ограниченный оператор, удовлетворяющий (9), является лишь квазинормальным[en].

Аналогии

Иногда полезно (а иногда это и вводит в заблуждение) рассматривать связи различных видов нормальных матриц как аналогию различных видов комплексных чисел:

Можно комплексные числа вложить в нормальные 2 × 2 вещественные матрицы путём отображения

и при этом вложении сохраняются сложение и умножение. Легко проверить, что при этом сохранятся все вышеперечисленные аналогии.

Примечания

  1. Доказательство: Если A нормальна, используем формулу интерполяции Лагранжа для построения многочлена P , такого, что λj = P(λj), где λj — собственные значения матрицы A.
  2. Horn, pp. 109
  3. Roger A. Horn, Charles R. Johnson. Topics in Matrix Analysis. — Cambridge University Press, 1991. — С. 157. — ISBN 978-0-521-30587-7.

Ссылки

Эта страница в последний раз была отредактирована 17 августа 2021 в 16:50.
Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.
Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License. Нетекстовые медиаданные доступны под собственными лицензиями. Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. WIKI 2 является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).