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練習問題メモ 23(正規直交基底)

問1

R3\mathbb{R}^3 の基底 {a1,a2,a3}\left\{\boldsymbol{a}_1, \boldsymbol{a}_2, \boldsymbol{a}_3\right\}

a1=(111),a2=(011),a3=(001)\boldsymbol{a}_1=\left(\begin{array}{l} 1 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right), \quad \boldsymbol{a}_2=\left(\begin{array}{l} 0 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right), \quad \boldsymbol{a}_3=\left(\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right)

により定める。 R3\mathbb{R}^3 の標準内積を考え、グラムーシュミットの直交化法を用いて、基底 {a1,a2,a3}\left\{\boldsymbol{a}_1, \boldsymbol{a}_2, \boldsymbol{a}_3\right\} から正規直交基底 {b1,b2,b3}\left\{\boldsymbol{b}_1, \boldsymbol{b}_2, \boldsymbol{b}_3\right\} を求めよ。

(1) b1b_1を求める

a1=12+12+12=3\|a_1 \| = \sqrt{|1|^2 + |1|^2 + |1|^2} = \sqrt{3}
b1=a1a1=13(111)b_1 = \frac{a_1}{\|a_1\|} = \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix}

(2) b2b_2を求める

c=a2,b1=1a1a2,a1=13(011)(111)=23\begin{aligned} c &= \langle a_2, b_1 \rangle\\ &= \frac{1}{\|a_1\|} \langle a_2, a_1 \rangle\\ &= \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix}\\ &= \frac{2}{\sqrt{3}} \end{aligned}
a2cb1=a22313a1=a223a1=(011)23(111)=(231313)\begin{aligned} a_2 - c b_1 &= a_2 - \frac{2}{\sqrt{3}} \frac{1}{\sqrt{3}} a_1\\ &= a_2 - \frac{2}{3} a_1\\ &= \begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix} - \frac{2}{3} \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} -\frac{2}{3}\\ \frac{1}{3}\\ \frac{1}{3} \end{pmatrix}\\ \end{aligned}
a2cb1=232+132+132=49+19+19=69=63\begin{aligned} \| a_2 - c b_1 \| &= \sqrt{ |-\frac{2}{3}|^2 + |\frac{1}{3}|^2 + |\frac{1}{3}|^2}\\ &= \sqrt{ \frac{4}{9} + \frac{1}{9} + \frac{1}{9} }\\ &= \sqrt{ \frac{6}{9} }\\ &= \frac{ \sqrt{6} }{3} \end{aligned}
b2=a2cb1a2cb1=36(231313)=3666(231313)=366(231313)=(2666666)\begin{aligned} b_2 &= \frac{a_2 - c b_1} { \| a_2 - c b_1 \| }\\ &= \frac{ 3 }{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} -\frac{2}{3}\\ \frac{1}{3}\\ \frac{1}{3} \end{pmatrix} \\ &= \frac{ 3 }{\sqrt{6}} \frac{ \sqrt{6}}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} -\frac{2}{3}\\ \frac{1}{3}\\ \frac{1}{3} \end{pmatrix}\\ &= \frac{3\sqrt{6}}{6} \begin{pmatrix} -\frac{2}{3}\\ \frac{1}{3}\\ \frac{1}{3} \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} -\frac{2\sqrt{6}}{6}\\ \frac{\sqrt{6}}{6}\\ \frac{\sqrt{6}}{6} \end{pmatrix}\\ \end{aligned}

(3) b3b_3を求める

c1=a3,b1=13(001)(111)=13c_1 = \langle a_3, b_1 \rangle = \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix} = \frac{1}{\sqrt{3}}
c2=a3,b2=(001)(2666666)=66c_2 = \langle a_3, b_2 \rangle = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -\frac{2\sqrt{6}}{6}\\ \frac{\sqrt{6}}{6}\\ \frac{\sqrt{6}}{6} \end{pmatrix} = \frac{\sqrt{6}}{6}
a3(c1b1+c2b2)=a31313(111)66(2666666)=a313(111)(261616)=a3(262626)(261616)=(001)(03636)=(01212)\begin{aligned} a_3 - (c_1 b_1 + c_2 b_2) &= a_3 - \frac{1}{\sqrt{3}} \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix} - \frac{\sqrt{6}}{6} \begin{pmatrix} -\frac{2\sqrt{6}}{6}\\ \frac{\sqrt{6}}{6}\\ \frac{\sqrt{6}}{6} \end{pmatrix} \\ &= a_3 - \frac{1}{3} \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1\\ \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} -\frac{2}{6}\\ \frac{1}{6}\\ \frac{1}{6} \end{pmatrix} \\ &= a_3 - \begin{pmatrix} \frac{2}{6}\\ \frac{2}{6}\\ \frac{2}{6}\\ \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} -\frac{2}{6}\\ \frac{1}{6}\\ \frac{1}{6} \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0\\ \frac{3}{6} \\ \frac{3}{6} \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 0\\ -\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2} \end{pmatrix} \end{aligned}
a3(c1b1+c2b2)=(12)2+(12)2=12=12\|a_3 - (c_1 b_1 + c_2 b_2)\| = \sqrt{(\frac{1}{2})^2 + (\frac{1}{2})^2} = \sqrt{\frac{1}{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}
b3=a3(c1b1+c2b2)a3(c1b1+c2b2)=2(01212)=(02222)\begin{aligned} b_3 &= \frac{a_3 - (c_1 b_1 + c_2 b_2)}{\|a_3 - (c_1 b_1 + c_2 b_2)\|}\\ &= \sqrt{2} \begin{pmatrix} 0\\ -\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2} \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} 0\\ -\frac{\sqrt{2}}{2}\\ \frac{\sqrt{2}}{2} \end{pmatrix}\\ \end{aligned}
import sympy as sp

a1 = sp.Matrix([1, 1, 1])
a2 = sp.Matrix([0, 1, 1])
a3 = sp.Matrix([0, 0, 1])

b1 = a1 / a1.norm()
b1
Loading...
c = (a2.T @ b1)[0]
b2 = (a2 - c * b1) / (a2 - c * b1).norm()
b2
Loading...
c1 = (a3.T @ b1)[0]
c2 = (a3.T @ b2)[0]
b3 = (a3 - (c1 * b1 + c2 * b2)) / (a3 - (c1 * b1 + c2 * b2)).norm()
b3
Loading...
sp.GramSchmidt([a1,a2,a3], True)
[Matrix([ [sqrt(3)/3], [sqrt(3)/3], [sqrt(3)/3]]), Matrix([ [-sqrt(6)/3], [ sqrt(6)/6], [ sqrt(6)/6]]), Matrix([ [ 0], [-sqrt(2)/2], [ sqrt(2)/2]])]
sp.GramSchmidt([a1,a2,a3], orthonormal=False)
[Matrix([ [1], [1], [1]]), Matrix([ [-2/3], [ 1/3], [ 1/3]]), Matrix([ [ 0], [-1/2], [ 1/2]])]

問2

次の問いに答えよ。

  1. 直交行列の定義を書け。

  2. A,BA, Bnn 次の直交行列とすると、積 ABA B も直交行列であることを示せ。

  3. AA を直交行列とすると、 AA は正則で、逆行列 A1A^{-1} も直交行列であることを示せ。

  1. 直交行列の定義を書け。

転置行列と逆行列が等しくなる行列のこと。すなわち、AMn(R)A \in M_n(\mathbb{R})について

ATA=AAT=EA^T A = A A^T = E

を満たすような行列のこと

  1. A,BA, Bnn 次の直交行列とすると、積 ABA B も直交行列であることを示せ。

(AB)(AB)=BAAB(転置の法則(AB)=BAより)=BEB=BB=E\begin{aligned} (AB)^\top (AB) &= B^\top A^\top AB \quad ( 転置の法則 (AB)^\top = B^\top A^\top より)\\ &= B^\top E B\\ &= B^\top B\\ &= E \end{aligned}
(AB)(AB)=ABBA(転置の法則(AB)=BAより)=AEA=AA=E\begin{aligned} (AB) (AB)^\top &= AB B^\top A^\top \quad ( 転置の法則 (AB)^\top = B^\top A^\top より)\\ &= A E A\\ &= A^\top A\\ &= E \end{aligned}

より、積ABABも直交行列である

  1. AA を直交行列とすると、 AA は正則で、逆行列 A1A^{-1} も直交行列であることを示せ。

AAが直交行列であれば、その転置行列AA^\topは逆行列A1A^{-1}に等しい。 行列AAに逆行列A1A^{-1}が存在することとAAが正則であることは同値であるため、AAは正則である。

よって

Aは直交行列    Aは正則Aは直交行列 \implies Aは正則

である。

AAが直交行列であれば、定義よりA1=AA^{-1} = A^\topである。

(A)=A(A^\top)^\top = Aのため、

(A1)A1=AA=E(A^{-1})^\top A^{-1} = A A^\top = E

よってA1A^{-1}は直交行列である

問3

2 次の直交行列は 0θ<2π0 \leq \theta<2 \pi をみたす θ\theta を用いて、

(cosθsinθsinθ±cosθ)(複合同順)\left(\begin{array}{ll}\cos \theta & \mp \sin \theta \\ \sin \theta & \pm \cos \theta\end{array}\right) \quad (複合同順)

と表されることを示せ。

A1=(cosθsinθsinθcosθ)A_1 = \left(\begin{array}{ll} \cos \theta & - \sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{array}\right)

とおくと、

A11=1cos2θ+sin2θ=1(cosθsinθsinθcosθ)=(cosθsinθsinθcosθ)=A1TA_1^{-1} = \frac{1}{ \underbrace{ \cos^2\theta + \sin^2\theta }_{=1} } \begin{pmatrix} \cos \theta & \sin \theta \\ - \sin \theta & \cos \theta \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos \theta & \sin \theta \\ - \sin \theta & \cos \theta \end{pmatrix} = A_1^T

のため、A1A_1は直交行列である

A2=(cosθsinθsinθcosθ)A_2 = \left(\begin{array}{ll} \cos \theta & \sin \theta \\ \sin \theta & - \cos \theta \end{array}\right)

とおくと

A21=1cos2θsin2θ=1(cosθsinθsinθcosθ)=(cosθsinθsinθcosθ)=A2TA_2^{-1} = \frac{1}{ \underbrace{ -\cos^2\theta - \sin^2\theta }_{= -1} } \begin{pmatrix} -\cos \theta & -\sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos \theta & \sin \theta \\ \sin \theta & -\cos \theta \end{pmatrix} = A_2^T

であるため、A2A_2は直交行列である。

よって

(cosθsinθsinθ±cosθ)(複合同順)\left(\begin{array}{ll}\cos \theta & \mp \sin \theta \\ \sin \theta & \pm \cos \theta\end{array}\right) \quad (複合同順)

は直交行列である

問4

AMn(R)A \in M_n(\mathbb{R}) に対して、 Rn\mathbb{R}^n の線形変換 fAf_A

fA(x)=Ax(xRn)f_A(\boldsymbol{x})=A \boldsymbol{x} \quad\left(\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n\right)

により定め、 Rn\mathbb{R}^n の標準内積を考える。以下の定理 23.4 の 2 と 3 の同値性を示せ。

定理 23.4
fA(x)=Ax(xRn)f_A(\boldsymbol{x})=A \boldsymbol{x} \quad\left(\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n\right)

により定め、 Rn\mathbb{R}^n の標準内積を考える。このとき、次の 131 \sim 3 は互いに同値である。

  1. fAf_A は直交変換である。

  2. AA は直交行列である。

  3. AAnn 個の列ベクトルは Rn\mathbb{R}^n の正規直交基底である。

info - Unknown Directive
実内積空間 $V$ の線形変換 $f: \mathbf{V} \rightarrow \mathbf{V}$ に対して、$a,b\in V$が

$$
\langle f(a), f(b) \rangle
= \langle a, b \rangle
$$

を満たすとき、 $f$ を**直交変換**という

A=(a1,,an)=(a1an)A=\left(\boldsymbol{a}_1, \cdots, \boldsymbol{a}_n\right)=\left(\begin{array}{c}\boldsymbol{a}_1^{\prime} \\ \vdots \\ \boldsymbol{a}_n^{\prime}\end{array}\right) をそれぞれ AA の列ベクトル表示、行ベクトル表示とする。

2     \iff 3:

A は直交行列     ATA=E    aiTaj=ai,aj=δij(1i,jn)(ATA の (i,j) 成分が aiTaj であるから )    a1,,an は Rn の正規直交基底 \begin{aligned} A \text { は直交行列 } \iff & A^T A = E \\ \iff & \boldsymbol{a}_i^T \boldsymbol{a}_j = \langle \boldsymbol{a}_i, \boldsymbol{a}_j \rangle =\delta_{i j} \quad(1 \leqq i, j \leqq n) \\ & \left( A^T A \text { の }(i, j) \text { 成分が } \boldsymbol{a}_i^T \boldsymbol{a}_j \text { であるから }\right) \\ \iff & \boldsymbol{a}_1, \cdots, \boldsymbol{a}_n \text { は } \mathbb{R}^n \text { の正規直交基底 } \end{aligned}