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練習問題メモ 12(行列の指数関数)

https://www2.itc.kansai-u.ac.jp/~afujioka/2012-2016/2012/la1/120627la1.pdf

問1

正方行列 (λ10λ)\left(\begin{array}{ll}\lambda & 1 \\ 0 & \lambda\end{array}\right) の指数関数を求めよ。

A=(λ10λ)A = \begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix}

とする。

数学的帰納法により、

An=(λnnλn−10λn)A^n = \begin{pmatrix} \lambda^n & n \lambda^{n-1}\\ 0 & \lambda^n \end{pmatrix}

であるため

証明

n=1n=1のとき $$ A^1 =

(λ11×λ00λ1)\begin{pmatrix} \lambda^1 & 1 \times \lambda^{0}\\ 0 & \lambda^1 \end{pmatrix}
Can't use function '$' in math mode at position 1: $̲n = 2$のとき

$n = 2$のとき

A^2 =

(λ10λ)\begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix}
(λ10λ)\begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix}

=

(λ22λ0λ2)\begin{pmatrix} \lambda^2 & 2 \lambda\\ 0 & \lambda^2 \end{pmatrix}
Can't use function '$' in math mode at position 1: $̲n=k$とおくと

$n=k$とおくと
Ak=Ak−1A=(λk−1k−1λk−20λk−1)(λ10λ)=(λkkλk−10λk)\begin{align} A^k &= A^{k-1} A\\ &= \begin{pmatrix} \lambda^{k-1} & k-1 \lambda^{k-2}\\ 0 & \lambda^{k-1} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} \lambda^k & k \lambda^{k-1}\\ 0 & \lambda^k \end{pmatrix} \end{align}
Can't use function '$' in math mode at position 1: $̲n = k+1$のとき

$n = k+1$のとき
Ak+1=AkA=(λkkλk−10λk)(λ10λ)=(λk+1(k+1)λk0λk+1)\begin{align} A^{k+1} &= A^{k} A\\ &= \begin{pmatrix} \lambda^k & k \lambda^{k-1}\\ 0 & \lambda^k \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} \lambda^{k+1} & (k+1) \lambda^{k}\\ 0 & \lambda^{k+1} \end{pmatrix} \end{align}
よってよって

A^n =

(λnnλn−10λn)\begin{pmatrix} \lambda^n & n \lambda^{n-1}\\ 0 & \lambda^n \end{pmatrix}

$$

AAの指数関数eAe^Aは

eA=∑n=0∞1n!An=I+A+A22!+⋯=(1001)+(λ10λ)+12!(λ22λ0λ2)+⋯\begin{aligned} e^A &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} A^n\\ &= I + A + \frac{A^2}{2 !} + \cdots \\ &= \begin{pmatrix} 1 & 0\\ 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix} + \frac{1}{2!} \begin{pmatrix} \lambda^2 & 2\lambda\\ 0 & \lambda^2 \end{pmatrix} + \cdots\\ \end{aligned}

(1,1)(1,1)要素と(2,2)(2,2)要素は

A11=A22=1+λ+λ22!+λ33!+⋯=∑n=0∞xnn!=eλ\begin{align} A_{11} = A_{22} &= 1 + \lambda + \frac{\lambda^2}{2!} + \frac{\lambda^3}{3!} + \cdots\\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n !}\\ &= e^\lambda \end{align}

である。

(1,2)(1,2)要素もまた

A12=0+1+2λ2!+3λ23!+⋯=1+λ+λ22!+⋯=∑n=0∞xnn!=eλ\begin{align} A_{12} &= 0 + 1 + \frac{2\lambda}{2!} + \frac{3\lambda^2}{3!} + \cdots\\ &= 1 + \lambda + \frac{\lambda^2}{2!} + \cdots\\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n !}\\ &= e^\lambda \end{align}

よって

eA=(eλeλ0eλ)e^A = \begin{pmatrix} e^{\lambda} & e^{\lambda}\\ 0 & e^{\lambda} \end{pmatrix}
行列指数関数

nn次正方行列XXの指数関数eXe^Xは以下のように定義される

eX=∑n=0∞1n!Xne^X = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} X^n

例:

A=(3004)A=\left(\begin{array}{ll}3 & 0 \\ 0 & 4\end{array}\right)

のような対角行列なら

Ak=(3k004k)A^k = \begin{pmatrix} 3^k & 0\\ 0 & 4^k \end{pmatrix}

となるので、

eA=I+A+A22!+⋯=(1001)+(3004)+12!(320042)+⋯=(e300e4)\begin{aligned} e^A & =I+A+\frac{A^2}{2 !}+\cdots \\ & =\left(\begin{array}{ll} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}\right)+\left(\begin{array}{ll} 3 & 0 \\ 0 & 4 \end{array}\right)+\frac{1}{2 !}\left(\begin{array}{cc} 3^2 & 0 \\ 0 & 4^2 \end{array}\right)+\cdots \\ & =\left(\begin{array}{cc} e^3 & 0 \\ 0 & e^4 \end{array}\right) \end{aligned}
別解

https://www2.itc.kansai-u.ac.jp/~afujioka/2012-2016/2012/la1/120627la1.pdf

2つのnn次正方行列A,BA,Bについて、両者が可換ならば

exp⁡(A+B)=exp⁡(A)exp⁡(B)\exp(A+B) = \exp(A) \exp(B)

という定理を使う方法。

N=(0100)N= \begin{pmatrix} 0 & 1\\ 0 & 0 \end{pmatrix}

とおいて、

(λ10λ)=λI+N\begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix} = \lambda I + N

として、

exp⁡(λ10λ)=exp⁡(λI+N)=exp⁡(λI)exp⁡(N)(∵λIとNは可換)=(eλI)(I+N)(∵N2=O)=(eλeλ0eλ)\begin{align} \exp \begin{pmatrix} \lambda & 1\\ 0 & \lambda \end{pmatrix} &= \exp(\lambda I + N)\\ &= \exp(\lambda I) \exp(N)\quad (\because \lambda IとNは可換)\\ &= (e^\lambda I) (I + N) \quad (\because N^2=O)\\ &= \begin{pmatrix} e^\lambda & e^\lambda\\ 0 & e^\lambda \end{pmatrix} \end{align}

とする。

問2

AA が交代行列ならば、exp⁡(A)\exp(A)は直交行列であることを示せ。

  • 交代行列:AT=−AA^T = -A

  • 直交行列:AT=A−1A^T = A^{-1}

AAが交代行列、すなわちAT=−AA^T=-Aであれば

exp⁡(A)T=exp⁡(AT)(∵転置の定理(AB)T=BTATより、(An)T=(AT)n)=exp⁡(−A)(∵Aが交代行列という仮定)=exp⁡(A)−1(∵exp⁡(A)exp⁡(−A)=exp⁡(A−A)=Iよりexp⁡(−A)=exp⁡(A)−1)\begin{align} \exp(A)^T &= \exp(A^T) \quad (\because 転置の定理 (AB)^T = B^T A^T より、 (A^n)^T = (A^T)^n )\\ &= \exp(-A) \quad (\because Aが交代行列という仮定) \\ &= \exp(A)^{-1} \quad (\because \exp(A)\exp(-A) = \exp(A-A) = I より \exp(-A) = \exp(A)^{-1}) \end{align}
(eA)T=0(e^A)^T = 0とはならないのか?
(eA)T=(∑n=0∞1n!An)T=∑n=0∞1n!(An)T=∑n=0∞1n!(−A)n=∑n=0∞1n!(−1)nAn=∑n∈{x∈N∣xは偶数}1n!An−∑n∈{x∈N∣xは奇数}1n!An\begin{align} (e^A)^T &= \left( \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} A^n \right)^T\\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} \left( A^n \right)^T\\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} \left( -A \right)^n\\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !} (-1)^n A^n\\ &= \sum_{n \in \{x \in \mathbb{N}|xは偶数\} } \frac{1}{n !} A^n - \sum_{n \in \{x \in \mathbb{N}|xは奇数\} } \frac{1}{n !} A^n \\ \end{align}

問3

次の文章の\boxed{ }を埋めよ。

A,BA, B を nn 次の正方行列とする。トレースについて、次の 1∼31 \sim 3 が成り立つことを 示す。

  1. tr⁡(AT)=tr⁡A\operatorname{tr}\left(A^{\mathrm{T}}\right)=\operatorname{tr} A

  2. tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\operatorname{tr}(A B)=\operatorname{tr}(B A)

  3. BB が正則行列のとき、 tr⁡(B−1AB)=tr⁡A\operatorname{tr}\left(B^{-1} A B\right)=\operatorname{tr} A

  4. ATA^{\mathrm{T}} の (i,i)(i, i) 成分は AA の 1\boxed{1} 成分に一致するから、トレースの定義より、 1 が成り立つ。

  5. A,BA, B の (i,j)(i, j) 成分をそれぞれ aij,bija_{i j}, b_{i j} とおくと、

tr⁡(AB)=∑i=1n∑j=1n2=∑j=1n∑i=1nbjiaij=tr⁡(3)\operatorname{tr}(A B) =\sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^n \boxed{ 2 } = \sum_{j=1}^n \sum_{i=1}^n b_{j i} a_{i j} =\operatorname{tr}(\boxed{3})

よって、2が成り立つ。

  1. BB が正則行列ならば、 BB の逆行列 B−1B^{-1} が存在し、

tr⁡(B−1AB)=tr⁡(B−1(AB))=tr⁡(4)=tr⁡(5)\operatorname{tr}\left(B^{-1} A B\right) =\operatorname{tr}\left(B^{-1}(A B)\right) =\operatorname{tr}(\boxed{4}) =\operatorname{tr}(\boxed{5})

よって、3が成り立つ。

  • 1:(i,i)\boxed{1}: (i,i)

  • 2:aijbji\boxed{2}: a_{ij} b_{ji}

  • 3:BA\boxed{3}: BA

  • 4:(AB)B−1\boxed{4}: (AB)B^{-1}

  • 5:A\boxed{5}: A