数値解析 第15回 (2)　2次の実対称行列の対角化
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転置行列

　前回も出てきましたが
Def.3　行列 $A=(a_{ij})$ に対し、$a_{ij}$ を $(j,i)$-成分とする行列を「 $A$ の転置行列」と言い、 ${}^tA$ と表す。
　たとえば $\newcommand{\high}{\phantom{\Big(}}$
$\dps{\high^t\!\mat{c}{1 \\ 2} = (1\ \ 2)}$,  $\dps{\high^t\!\mat{cc}{1 & 2 \\ 3 & 4} = \mat{cc}{1 & 3 \\ 2 & 4}}$
であり、$A$ が $m \times n$ 行列ならば ${}^tA$ は $n \times m$ 行列になります。 また、${}^t$ の記号は「$t$ 乗」と間違わないように左肩に書く人が多いです。 もちろん ${}^t({}^tA)=A$ が成り立ちます。
Prop.4　積の転置は、転置を逆順に掛けたものになる：
${}^t(AB)=({}^tB)({}^tA)$,  ${}^t(A\vvv)=({}^t\vvv)({}^tA)$  etc.
Rem.5　角 $\theta$ の回転の行列 $R(\theta)$ の逆行列は、 角 $-\theta$ の回転の行列 $R(-\theta)$ であり、 ${}^tR(\theta)$ でもある。
$R(\theta)^{-1}=R(-\theta)={}^tR(\theta).$
$\because$  逆向きに回せば元に戻るので $R(\theta)^{-1}=R(-\theta)$ であり、
$\dps{R(-\theta) = \mat{rr}{\cos(-\theta) & - \sin(-\theta) \\ \sin(-\theta) & \cos(-\theta)} = \mat{rr}{\cos\theta & \sin\theta \\ -\sin\theta & \cos\theta} ={}^tR(\theta).}$

実対称行列

Def.6　${}^tA=A$ を満たす正方行列を 対称行列 と呼び、 特に実数成分の対称行列を 実対称行列 と呼ぶ。
　対角成分たちを対称軸にして、成分が対称になっている、という意味です。 2次、3次ではそれぞれ次のような行列です。 $$ \require{color} \mat{cc}{a & \textcolor{red}{b} \\ \textcolor{red}{b} & c},  \mat{ccc}{a & \textcolor{red}{b} & \textcolor{blue}{c} \\ \textcolor{red}{b} & d & \textcolor{green}{e} \\ \textcolor{blue}{c} & \textcolor{green}{e} & f} $$

2次の実対称行列の対角化

Th.7　$A=\mat{cc}{a & b \\ b & c}$ を2次の実対称行列とする。角 $\theta$ を
$\theta=\left\{ \begin{array}{lll} \dps{\frac{1}{2}\arctan\left(\frac{2b}{a-c}\right)} & \mbox{ if} & a \neq c \\ \dps{\frac{\pi}{4}} & \mbox{ if} & a = c \end{array} \right.$
と選べば、$R(\theta)$ によって $A$ を対角化することができる：
$R(\theta)^{-1}\,A\,R(\theta) = \mat{cc}{\lambda & 0 \\ 0 & \mu}$,   $\exists\,\lambda$, $\mu$
証明　角 $\theta$ の回転の逆変換は角 $-\theta$ の回転ゆえ $R(\theta)^{-1}=R(-\theta)$ ですから、 \begin{align} &R(\theta)^{-1}\,A\,R(\theta) \\ &  = R(-\theta)\,A\,R(\theta) \\ &  = \mat{rr}{\cos\theta & \sin\theta \\ -\sin\theta & \cos\theta} \mat{cc}{a & b \\ b & c} \mat{rr}{\cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta} \\ &  = \mat{rr}{\cos\theta & \sin\theta \\ -\sin\theta & \cos\theta} \mat{cc}{a\cos\theta + b\sin\theta & -a\sin\theta + b\cos\theta \\ b\cos\theta + c\sin\theta & -b\sin\theta + c\cos\theta} \\ &  = \mat{cc}{a\cos^2\theta + 2b\sin\theta\cos\theta + c \sin^2\theta & (-a+c)\sin\theta\cos\theta + b(\cos^2\theta-\sin^2\theta) \\ (-a+c)\sin\theta\cos\theta + b(\cos^2\theta-\sin^2\theta) & a\sin^2\theta - 2b\sin\theta\cos\theta + c\cos^2\theta}. \\ \end{align} すると、この (1,2)-成分 ( $=$ (2,1)-成分 ) は \begin{align} &(-a+c)\sin\theta\cos\theta + b(\cos^2\theta-\sin^2\theta) \\ &  = -\frac{1}{2}(a-c)\sin(2\theta) + b \cos(2\theta) \\ &  = \left\{ \begin{array}{lll} \dps{-\frac{1}{2}(a-c)\cos(2\theta)\left(\tan(2\theta) - \frac{2b}{a-c} \right) = 0} & \mbox{ if} & a \neq c, \\ \dps{b\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0} & \mbox{ if} & a = c \\ \end{array} \right. \end{align} となります。(証明終)
Ex.8　$A=\mat{rr}{4 & \sqrt{3} \\ \sqrt{3} & 2}$ のとき、
$\dps{ \theta = \frac{1}{2}\arctan\left(\frac{2 \times \sqrt{3}}{3 - 1}\right) = \frac{1}{2}\arctan(\sqrt{3}) = \frac{\pi}{6} }$
を用いて
$\dps{R\left(\frac{\pi}{6}\right)^{-1}\,\mat{rr}{4 & \sqrt{3} \\ \sqrt{3} & 2}\,R\left(\frac{\pi}{6}\right) = \mat{cc}{5 & 0 \\ 0 & 1}}$

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