ユークリッド空間Rn上の対称変換

・定義:対称変換 
・性質:対称変換の行列表示

※計量ベクトル空間上で定義される〈一次写像の下位類型〉: ユークリッド空間Rn上の直交変換/計量実ベクトル空間上の対称変換/計量実ベクトル空間上の随伴写像/計量同型写像
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定義:ユークリッド空間Rn上の対称変換 symmetric transformation


定義


・「
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が対称変換である」とは、
 
n次元ユークリッド空間Rnに属す任意の実n次元数ベクトル v1, v2にたいして、
   
f (v1 )・v2 = v1 ・ f (v2 )  
 が満たされること
  
(∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( f (v1 )・v2 = v1 ・ f (v2 ) ) 
 をいう。
 
・
随伴写像という用語を用いると…
 「
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f :Rn→Rn』が対称変換である」とは、
  「『
f : Rn→Rn』の随伴写像」が「f : Rn→Rn」自身であること
 をいう。
 

[文献]
・斎藤『線形代数入門』5章§3(p.149)
・永田『理系のための線形代数の基礎』4.5問3(pp.123-4)

設定

なお、この定義がなされる舞台は、以下のように設定されている。
R :実数体R  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
v1, v2:実n次元数ベクトル
   具体的に書くと、v11, v12, …, v1n∈Rとして、v1=( v11, v12, …, v1n )∈Rn  
           
v21, v22, …, v2n∈Rとして、v2=( v21, v22, …, v2n )∈Rn  
v1・v2:実n次元数ベクトルv1,v2の自然な内積。
     これによって、
Rnは計量実ベクトル空間となる。 
‖
v‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム
           (
自然な内積を用いて定義される) 
d (v1,v2):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
(
Rn,d):n次元ユークリッド空間  

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定理:ユークリッド空間Rn上の対称変換の行列表現 


定理


1.
次の二つの命題は同値。
命題
P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換
命題
Q:「標準基底に関する線型変換fの表現行列は、実対称行列」

2. 次の二つの命題は同値。
命題
P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換
命題
R:「任意の「Rnの正規直交基底」に関する線形変換fの行列表示は、実対称行列」


・「
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換であるならば、
 
標準基底に関する線型変換fの表現行列は、
 
実対称行列となる。  
・「
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」の標準基底に関する表現行列が、
 
実対称行列ならば、
 「
f : Rn→Rn」は対称変換である。  

2.
・「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換であるならば、
 
任意の「Rnの正規直交基底」に関する線形変換fの行列表示は、
 
実対称行列となる。  
・「
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が
 ある「
Rnの正規直交基底」に関して実対称行列で表現されるならば、
 「
f : Rn→Rn」は対称変換である。
  

[文献]
・斎藤『線形代数入門』5章§3(p.149)証明なし・結論だけ。
・永田『
理系のための線形代数の基礎』4.5問3(pp.123-4)

※対称行列について:
 
対称行列の定義/対称行列の固有値/対称行列の対角化/  

設定

なお、この定理は、以下の舞台設定上で得られる。
R :実数体R  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
v1, v2:実n次元数ベクトルの縦ベクトル
   具体的に書くと、
v11, v12, …, v1n∈Rとして、v1=t( v11, v12, …, v1n )∈Rn  
           
v21, v22, …, v2n∈Rとして、v2=t( v21, v22, …, v2n )∈Rn  
v1・v2:実n次元数ベクトルv1,v2の自然な内積。
     これによって、
Rnは計量実ベクトル空間となる。 
‖
v‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム
           (
自然な内積を用いて定義される) 
d (v1,v2):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
(
Rn,d):n次元ユークリッド空間  

証明

1.
[
参照文献なし。自力。]
 命題P「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が対称変換」
 
⇔(∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( f (v1 )・v2 = v1 ・ f (v2 ) ) ∵対称変換の定義  
 
⇔ 線形変換『f : Rn→Rn』の標準基底に関する表現行列をAで表すと、
   
(∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( (Av1 )・v2 = v1 ・ (Av2 ) )  ∵一次変換の標準基底に関する行列表示 
 
⇔ (∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( t (Av1 ) v2 = t v1 (Av2 ) )  ∵行列積を用いた自然な内積の表現  
 
⇔ (∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( t v1 tA v2 = t v1 (Av2 ) )  ∵行列積と転置行列  
 
⇔ (∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( t v1 tA v2 = t v1 A v2 )  ∵行列積の結合則  
 
⇔   tA= A     
 
⇔命題Q「標準基底に関する線型変換fの表現行列Aは実対称行列」 

証明

2.
[
命題P⇒命題R] [参照文献なし。自力。]
(step1)
・{ p1, p2, …, pn }は、任意の「Rnの正規直交基底」を表すものとする。
・「『
Rnの標準基底{ e1, e2, …, en }』から任意の『Rnの正規直交基底{ p1, p2, …, pn }』への基底変換行列」をPとおく。
 つまり、その
第1列をp1, その第2列をp2, …, その第n列をpnとする実n次正方行列を、Pとおく。…(1-1)
・基底変換行列の性質から、Pは正則行列になる。
・
{ p1, p2, …, pn }は「Rnの正規直交基底」だから、p1, p2, …, pnは「n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系」をなす。
  したがって、
Pの各列は「n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系」をなすことになるから、
        Pは
直交行列である。
・
直交行列の性質により、P−1=tP …(1-2)
(step2)
・標準基底に関する線型変換fの表現行列をAとおく。…(2-1)
・任意の「Rnの正規直交基底」{ p1, p2, …, pn }に関する一次変換fの行列表示は
  
P−1AP   ∵一次変換の行列表示に関する基底変換公式と、(1-1),(2-1) 
  =
(tP) AP   ∵(1−2)
(step3)
 命題P「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換」
  
⇒ 「 (tP) APは、実対称行列」 
 なぜなら、
 ・
本定理-1.より、命題P「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換」
          
⇒命題Q「標準基底に関する線型変換fの表現行列Aは、実対称行列」 …(3-1)
 ・t ((tP) AP) =(tP) ( tA) t (tP)  ∵行列積の転置行列  
        
= (tP) ( tA) P       ∵転置行列の転置行列  
          
= (tP) AP          ∵(3-1)より、Aは実対称行列
(step4)
 step3,4より、  
 命題
P「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」が対称変換」
  
⇒命題R「任意の『Rnの正規直交基底』{ p1, p2, …, pn }に関する一次変換fの行列表示(tP) APは、実対称行列」 

[命題R ⇒命題P ] [参照文献なし。自力。]
命題R「任意の『Rnの正規直交基底』に関する一次変換fの行列表示は、実対称行列」
⇒命題Q「標準基底に関する線型変換fの表現行列は、実対称行列」
⇔命題P  ∵本定理-1.より。
よって、命題
R⇒命題P  

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