線型代数のエッセンス(12)(ユニタリ空間-3)
線型代数のエッセンスの§4.ユニタリ空間の続きです。
[定義4-32](汎関数):Lを複素数体Cの上の任意の有限次元線型空間とする。x∈Lの各々にf(x)∈Cを対応させる写像f:L→Cがあるとき,このx→f(x)の対応fをLの上で定義された汎関数(functional)という。
[定義4-33](線型汎関数):Lを複素数体Cの上の任意の有限次元線型空間とする。Lの上の汎関数fが∀x,y∈L,∀α,β∈Cに対しf(αx+βy)=αf(x)+βf(y)を満たすとき,汎関数fは線型汎関数であるという。
[定義4-34](共役空間):Lを複素数体Cの上の任意の有限次元線型空間とするとき,Lの上の線型汎関数全体の集合L*:すなわちL*≡{f|fはLの上の線型汎関数}をLの共役空間(conjugate space),または双対空間(dual space)という。
[定理4-35]:Lを複素数体Cの上の任意の有限次元線型空間とするとき,その共役空間L*はf∈L*の複素数値f(x)の和と積で定義される演算について線型空間をなす。
(証明) L*の元の和とその複素数倍の積演算について以下の線形空間の公理が満たされるのは明らかです。
(ⅰ)f+g=g+f (f,g∈L*),(ⅱ)(f+g)+h=f+(g+h) (f,g,h∈L*),(ⅲ)∀f,g∈Lに対してf+φ=gを満たすφ∈L*が存在する。このφをg-fと書く。(ⅳ)α(βf)=(αβ)f (α,β∈C,f∈L*),
(ⅴ)α(f+g)=αf+αg (α∈C,f,g∈L*),(ⅵ) (α+β)f=αf+βf (α,β∈C,f∈L*),(ⅶ)∀f∈L*に対し1・f=f
(証明終わり)
[定理4-35]:Lを任意の有限次元線型空間とし(e1,e2,..,en)をLにおけるある座標系とする。Cの数の列α1,α2,..,αnを全く任意に与えたとき,Lの上で定義された線型汎関数f∈L*でf(ej)=αj(j=1,2,..,n)を満足するものが1つ,しかも唯1つに限って存在する。
(証明)x=ξ1e1+ξ2e2+..+ξnen=Σj=1nξjejに対してf(x)≡α1ξ1+α2ξ2+..+αnξn=Σj=1nαjξjと定義すればf(ej)=αj(j=1,2,..,n)です。
さらにy=η1e1+η2e2+..+ηnen=Σj=1nηjejとすれば,α,β∈Cに対してαx+βy=(αξ1+βη1)e1+(αξ2+βη2)e2+..+(αξn+βηn)en=Σj=1n(αξj+βηj)ejです。
それ故,f(αx+βy)=Σj=1nαj(αξj+βηj)=α(Σj=1nαjξj)+β(Σk=1nαkηk)=αf(x)+βf(y)が成立します。
したがってfはLの線型汎関数です。
次にgをg(ej)=αj(j=1,2,..,n)を満たすLの上の線型汎関数とすると,x=ξ1e1+ξ2e2+..+ξnen=Σj=1nξjejに対して常にg(x)=α1ξ1+α2ξ2+..+αnξn=Σj=1nαjξj=f(x)となるのでg=fです。(証明終わり)
[定理4-36]:Lを有限次元ユニタリ空間とする。このとき以下の命題が成立する。
(ⅰ)a∈Lに対してfa(x)≡(x,a)とするとfaはLの上の線型汎関数である。
(ⅱ)異なるa∈Lには異なるfaが対応する。つまりa,b∈L,a≠bならfa≠fbである。
(ⅲ)Lの上の任意の線型汎関数f∈L*に対してf=fa,つまり"f(x)=(x,a) for ∀x∈L"を満たすa∈Lが唯一つ存在する。
(証明)(ⅰ)自明
(ⅱ)fa=fb:つまり"(x,a)=(x,b) for ∀x∈L"なら,(x,a-b)=0 より,(a-b,a-b)=0 なのでa=bを得ます。
よって,a≠bならfa≠fbです。
(ⅲ)Lの正規直交基底をe1,e2,..,enとします。
f∈L*が任意に与えられたとき,γj≡f(ej)*(j=1,2,..,n)によってa≡γ1e1+γ2e2+..+γnen=Σj=1nγjejとおけば,x=ξ1e1+ξ2e2+..+ξnen=Σj=1nξjejに対して,(x,a)=γ1*ξ1+γ2*ξ2+..+γn*ξn=Σj=1nγj*ξjです。
一方,f(ej)=γj*(j=1,2,..,n)ですからx=ξ1e1+ξ2e2+..+ξnen=Σj=1nξjejに対してf(x)=γ1*ξ1+γ2*ξ2+..+γn*ξn=Σj=1nγj*ξjです。
以上からf(x)=(x,a)が成立します。
これを満たすa∈Lが唯一(unique)であることは,(ⅱ)によって明らかです。(証明終わり)
[定義4-37](共役変換):A^をユニタリ空間Lの上の1次変換とする。
∀y∈Lに対してfy(x)=(A^x,y)はxについての線型汎関数なので,y∈Lに対応してay∈Lが一意的に存在しfy(x)=(A^x,y)=(x,ay)が成立する。
ay∈Lはy∈LだけでなくA^に対して一意的なので,y∈Lにay∈Lを対応させる変換をA^の共役変換(conjugate transformation)といいA^+で表わす。
つまり,ay=A^+yであり(A^x,y)=(x,A^+y)である。
[定理4-38]:A^をユニタリ空間Lの上の1次変換とするとき,その共役A^+も空間Lの上の1次変換である。
さらに,A^,B^をユニタリ空間Lの上の1次変換,αを任意の複素数とすると以下の性質が成り立つ。
(ⅰ)(A^+)+=A^ (ⅱ)(αA^)+=α*A^+
(ⅲ)(A^+B^)+=A^++B^+ (ⅳ)(A^B^)+=B^+A^+
(ⅴ)E^+=E^,O^+=O^
(証明)まず,x,y∈Lとして,A^+の定義式を(x,A^+y)=(A^x,y)と書きます。
これにu,v∈L,α,β∈Cとしてy=αu+βvを代入すると,(x,A^+(αu+βv))=(A^x,αu+βv)=α*(A^x,u)+β*(A^x,v)=α*(x,A^+u)+β*(x,A^+v)=(x,αA^+u+βA^+v)となります。
つまり(x,A^+(αu+βv))=(x,αA^+u+βA^+v)ですから,(A^x,y)=(x,ay)を満たすay=A^+yの一意性によりA^+(αu+βv)=αA^+u+βA^+vを得ます。
よってA^+は空間Lの上の1次変換です。
(ⅰ)(x,(A^+)+y)=(A^+x,y)=(y,A^+x)*=(A^y,x)*=(x,A^+y)です。故に(A^+)+=A^を得ます。
(ⅱ)(x,(αA^)+y)=(αA^x,y)=α(A^x,y)=α(x,A^+y)=(x,α*A^+y)です。故に(αA^)+=α*A^+を得ます。
(ⅲ)(x,(A^+B^)+y)=((A^+B^)x,y)=(A^x,y)+(B^x,y)=(x,A^+y)+(x,B^+y)=(x,(A^++B^+)y)です。故に(A^+B^)+=A^++B^+です。
(ⅳ)(x,(A^B^)+y)=(A^B^x,y)=(A^(B^x),y)=(B^x,A^+y)=(x,B^+A^+y)です。故に(A^B^)+=B^+A^+を得ます。
(ⅴ)(x,E^+y)=(E^x,y)=(x,y)=(x,E^y),および,(x,O^+y)=(O^x,y)=0=(x,O^y)です。故にE^+=E^,および,O^+=O^です。(証明終わり)
[定理4-39]:ユニタリ空間Lの正規直交基に対する1次変換A^の行列をAとすると,共役変換A^+の行列はエルミート共役行列(Hermitian conjugate matrix):A+である。
(証明)Lの正規直交基をe1,e2,..,enとしA=(αij)とすると,変換の行列の定義によって(A^e1,A^e2,..,A^en)=(e1,e2,..,enと)A,またはA^ej=Σi=1nαijeiです。
そして,正規直交性:(ei,ej)=δijから(A^ej,ek)=αkj=(ej,A^+ek)=(A^+ek,ej)*です。よって(A^+ek,ej)=αkj*,あるいは(A^+ej,ek)=αjk*です。
したがって,A^+ej=Σi=1nαji*eiなのでA^+の行列は(A^+)ij=(αji*),つまりtA*=A+で与えられることがわかります。
(証明終わり)
[定義4-40](正規変換):ユニタリ空間Lの1次変換A^でその共役A^+と可換なもの:つまりA^A^+=A^+A^を満たすA^を正規変換(normal transformation)という。
[定理4-41]:ユニタリ空間Lの正規変換A^の正規直交座標系における行列をAとするとAA+=A+Aが成立する。
(↑A^,A^+ ⇔A,A+は同型対応なので自明です。)
[定理4-42]:A^をユニタリ空間Lの正規変換とする。ρがA^の固有値であるときρ*はA^+の固有値になり,A^の固有値ρに属する固有ベクトルはA^+の固有ベクトルであって固有値ρ*に属する。
(証明)A^A^+=A^+A^,かつA^a=ρa(a∈L)とします。
A^a=ρaは,(A^-ρE^)a=0 とも書けます。
また,A^A^+=A^+A^から(A^-ρE^)(A^-ρE^)+=(A^-ρE^)+(A^-ρE^)です。
よって,0=((A^-ρE^)a,(A^-ρE^)a)=(a,(A^-ρE^)+(A^-ρE^)a)=(a,(A^-ρE^)(A^-ρE^)+a)=((A^-ρE^)+a,(A^-ρE^)+a)です。
したがって,(A^-ρE^)+a=0 ,すなわちA^+a=ρ*aを得ます。
(証明終わり)
[定理4-43]:ユニタリ空間Lの正規変換A^の異なる固有値に属する固有ベクトルは互いに直交する。
(証明) A^A^+=A^+A^,かつA^a=ρa,A^b=σb (a,b∈L;ρ,σ∈C)でρ≠σとします。
このとき,ρ(a,b)=(A^a,b)=(a,A^b)=σ(a,b),すなわち,(ρ-σ)(a,b)=0 ですが,仮定からρ≠σなので(a,b)=0 です。
(証明終わり)
[定理4-44]:ユニタリ空間Lにおいては正規変換A^の各々に対し,A^の固有ベクトルからつくられる正規直交基が存在し,この基底におけるA^の行列Aは対角線型(diagonal-linear)となる。
(証明)ユニタリ空間Lにおいて,まず正規変換A^の1つの固有ベクトルa1を任意に取り,a1に直交するLの部分空間をL1とします。
すなわち,A^A^+=A^+A^,A^a1=ρ1a1(a1≠0),L1≡{x∈L|(a1,x)=0}です。
すると,∀x∈L1に対して,(a1,A^x)=(A^+a1,x)=ρ1*(a1,x)=0 ですからA^x∈L1となりL1はA^に関して不変な部分空間(A^L1⊂L1)であることがわかります。
そこで,A^L1⊂L1によりL1の中にまたA^の固有ベクトルa2が存在します。A^a2=ρ2a2(a2≠0)です。
それ故,L2≡{x∈L|(a2,x)=0}とすると,これもA^に関してLの不変部分空間(A^L2⊂L2)を構成します。
さらに,部分空間L2'をL2'≡L1∩L2で定義すれば,A^L1⊂L1,かつA^L2⊂L2によってA^L2'⊂L2'です。つまりL2'はL1の不変部分空間となります。
したがってまた,L2'の中にA^a3=ρ2a3(a3≠0)なるA^の固有ベクトルa3を見出すことができますから,さらにa3と直交するL2'の不変部分空間L3'=L1∩L2∩L3をつくることができます。
こうしてA^の固有ベクトルa1,a2,a3と,これのそれぞれに直交する不変部分空間の列L1⊃L2'⊃L3'をつくることができました。
この手続きを繰り返せば,結局,Lの直交基底:a1,a2,..,anが得られ,さらにej≡aj/|aj|(j=1,2,..,n)と正規化(normalize)すれば,これらをLの正規直交基e1,e2,..,enとすることができます。
すなわち,A^ej=ρjej,(ei,ej)=δij(j=1,2,..,n)満たすA^の全ての固有ベクトルの系:e1,e2,..,enが得られます。
したがって,(A^e1,A^e2,..,A^en)=(ρ1e1,ρ2e2,..,ρnen)=(e1,e2,..,en)Aと表現されるのでA^の行列Aは,
なる形の対角行列 or 対角線型の行列で与えられます。
正規直交基e1,e2,..,enに対する正規変換A^の行列Aは,互いに異なるとは限らないn個の固有値:ρ1,ρ2,..,ρnを対角成分とする対角線型の行列になります。(証明終わり)
※(注1):[定理4-44]は正規行列は常に複素数を対角成分とする対角行列に相似変換可能なことを述べています。(注1終わり)※
[定理4-45]:零空間でない実線型空間Lの1次変換A^はいずれも次元が1か2のA^に関する不変部分空間を少なくとも1つは持っている。
(証明)n次元実線型空間Lの1次変換A^の固有多項式φ(λ)は係数が全て実数のn次多項式です。
それ故,代数方程式φ(λ)=0のn個の解は全て実根と互いに共役な虚根のペアで与えられます。
n次方程式φ(λ)=0が実根λ=r∈Rを持てば,A^の行列Aに対してA[x1]=r[x1]を満たし,一般に成分が複素数のn次元列ベクトルのAの固有ベクトル[x1]を見出すことができます。
Aは実行列なので,A[x1]=r[x1]からA[x1*]=A*[x1*]=r[x1*]が成立することがわかります。
よって[a]≡([x1]+[x1*])/2と定義すれば,[a]はA[a]=r[a],[a*]=[a]を満たす実成分のn次元列ベクトルです。
故に,これに同型対応するn次元実線型空間Lのベクトルa∈Lが存在します。
そこでLの部分空間L1をL1≡{x∈L|x=pa(p∈R)}で定義すれば,これはa≠0 のみで張られる実線型空間LのA^に関する1次元不変部分空間となります。
一方,n次方程式φ(λ)=0 が実根を持たないとき互いに共役な虚根のペアをλ=α,α*とすればn次元列ベクトル[x1]が存在してA[x1]=α[x1],かつA*[x1*]=A[x1*]=α*[x1*]です。
[a]≡([x1]+[x1*])/2,[b]≡([x1]-[x1*])/(2i),とすると[a],[b]は共に実成分のn次元列ベクトルで,[x1]=[a]+i[b],[x1*]=[a]-i[b]です。
故に,A[a]=(α[x1]+α*[x1*])/2={(α+α*)/2}[a]-{(α-α*)/(2i)}[b],A[b]={(α+α*)/2}[a]+{(α-α*)/(2i)}[b]を満たしますが係数{(α+α*)/2},{(α-α*)/(2i)}は実数です。
そこで,[a],[b]にそれぞれ同型対応するn次元実線型空間Lのベクトルa,b∈Lが存在します。
したがって,この場合はLの部分空間L1をL1≡{x∈L|x=pa+qb(p,q∈R)}で定義すれば,これはa,bのみで張られる実線型空間LのA^に関する2次元不変部分空間となります。(証明終わり)
※(注2):[定理4-45]は,実行列なら常に1次か2次のブロック対角行列に相似変換できることを述べています。(注2終わり)※
今日はここまでにします。
参考文献:ア・イ・マリツェフ(柴岡康光訳)「線型代数学」(東京図書)
PS:比較的遠くまで出かける必要がある日には,夏は猛暑,冬は最近の東京じゃめったには降らない雪とか,さんざん天候に災いされて自分,ずい分運が悪いようですが,
偶々,昨日朝に命綱のお米が切れて千円さえ借りる相手もなく米を2kgも買う金もなくて,本日3日の15時頃帰宅中の巣鴨駅でどうしたものか?と案じてるところに,天の助け,毎週日曜日に通っている飲み屋のりくちゃん(現在の保護者?)にバッタリ出くわしました。
(↑2009年1/10の過去記事「私の保護者」を参照)
彼女に千円貸してもらって当面の虎口を脱することができそうです。私に千円以上与えてもスグにムダに使ってしまうことなど彼女は熟知しています。
「捨てる神あれば拾う神あり。」イヤ,パスモに280円は残ってますが。。
どうしようもないときには必ずといっていいほど助けが現われる。。やはり私は運がいいのでしょうか?
都バスは障害者割引でゼロ円,出勤日にはお昼は食堂で食べて給料から引かれますが,その他お米さえあれば家賃,光熱費後払いで,ほぼゼロ円でずっと暮らせることは暮らせます。
お米が2kgで12合くらい,1日2合を食べるかどうかなので何もなければ1週間以上は大丈夫ですってナサケナイ暮らししてるなあ。>自分
西友で最安値の2kg,699円のお米は嬉しかったのですが,個人的貧乏人の消費者としてはTPPでも実行されるともっと有難いです。
現在,米国内では米5kgが300円くらいなのに日本に輸入されると関税が約800%近くもかけられ約9倍の5kgが2500円前後の売価になるというカリフォルニア米(米国産のコシヒカリ,あきたこまちなど)が,米国内と同じように5kg300円で売られるなら全く違います。
ただし,関税が撤廃されても需要の少ない米国の安い価格が日本でそのままの米価ではないでしょうが,恐らく安い米なら10kgでせいぜい1000円くらいと考えられるので計算上は1年間ト-タルでも主食のお米が1万円くらいで賄えることになります。
これだと,私のようにエンゲル係数がほぼ100%の最低生活では,家賃,光熱費以外は年間数万円の出費で済む勘定になります。
TPPは私のような単純な消費者という立場でなく,日本の生産者:特に農業で米を作っている農家などには大打撃となります。
米作りが主体では食べていけず関税の高い米作等に従事する意欲が極度に失せて,食糧の国内自給率がほとんどゼロにもなりかねません。
農業に限らず,生産者が打撃を受けると経済的には国の税収なども影響を受けて国民というか消費者の経済にも響くので複雑?みたいですね。
PS2:さて,昨日(2日)もつい気紛れで小石川植物園前の教会のところから自宅まで真っ直ぐ帰れる住宅街の静かな道をプラプラと歩いていると前からパトカーが来て何とはなくすれ違った後,しばらくして
そのパトカーが何故か引き返してきて久しぶりに警官に職質されました。
職質の種類が,何となく真昼間に寒空の中をよろよろと歩くジジイへの配慮,心配系,おまわり的親切系に見えたので,本来警官は全然スキくないけど珍しく素直に答えてあげましたネ。
昨日の雨上がりの帰り道の軒先で見かけた,スミレの鉢植えについ立ち止まってシャッターを押しました。↓
まだ,花を愛でる程度の余裕があるというか?イヤ,その程度の心の癒ししか求め得ないというか。。ですね
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コメント
僕は刑事に聞かれたことあるよ。
服の修理を頼める所があると聞いて、破れた服を抱えて聞いた場所あたりをうろうろしてたら(客観的に見てスゴクあやしいと思う)、そのあたりで殺人事件があったらしく署まで来てくれないかと言われてしまった。
興味があったから文句も言わずに付いて行ったけど、まさかニセ刑事じゃないだろうなとチョットどきどき。
だいたい聞いたとおりに調書やら血液型を唾液で調べる試験紙をなめたりして満足して帰った。(犯人はすぐ分かったそうだから、念のための捜査らしい)
念のためやってるので、すみませんねー。などと言われて、こちらは興味本位とも言えず逆に恐縮してしまった。
投稿: hirota | 2011年3月18日 (金) 11時56分
明男さん,コメントありがとうございます。TOSHIです。
職質の話よりも,30年近く前既に透析患者だったということにいささか驚きました。
明男さんは,私などのようなにわか障害者と違って闘病生活が長いんですね。お大事になさってください。
「職務質問=不審尋問」の目的はまさに挙動不審な人物に犯罪の疑いをかけて尋問することでしょうが,私は行き倒れしそうな人物を見たらそうした職務に関係なく人間として「大丈夫ですか?」と声をかけるような行為もあると信じたいですね。
私は今回も含め10回前後職質を受けた経験あります。
40年くらい前の学生時代は長髪で実はエンピツを上に投げて受けるくせがあってその汚れが主なのですが,洗濯もせず汚ない綿パンなどをはいてました。
扁桃腺炎のため薬屋でサルファ剤を買いに行ったときには身分証明書を要求されるような今のホームレスに見える風貌でした。
昔の玉島駅,今の新倉敷駅に帰省するときには既に新幹線がありましたが,運賃1050円の鈍行で12時間かけて帰るのが常でした。
そのため,だいたい夜中の2時40分発静岡駅から大垣に7時頃着く普通電車(東京を23時頃発のいわゆる革命列車)を静岡駅で待っていると夏休み前,春休み前などの真夜中の駅で必ずといっていいほど駅の交番のおまわりに職質を受けました。
まあ,学生だとわかると,当時の学生運動の内容など世間話的に聞いてきましたが生返事をしてましたね。
余談ですが,大垣駅からは西明石行きに乗り換え,途中で大阪などで山陽本線の糸崎だったか三原行きだったかに乗り換えて約12時間分かけて昼の2時40分頃に新倉敷に着いて歩いて10分くらいで実家に帰っていました。
実家から逆行する際には途中京都で居候など長逗留するとこともありましたが帰省時はそんな金の余裕ないので実家直行でした。
あとの職質は確か東京ですが夜間つい無灯火で自転車に乗っていてという自転車泥棒の疑いが2,3回あります。
私は,ある意味で職質には慣れていて上から目線の横暴なものであると感じなければ目くじら立てて拒否したりしません。
「おまわりさん」の顔をしてても国家警察の本来の仕事は治安維持でしょうが,末端のおまわりにとっては単なる仕事の一環でしょうから。。。
では,また。。。
TOSHI
投稿: TOSHI | 2011年3月 7日 (月) 21時37分
職質を受けたことは生涯ただ一度、今ほど透析もメジャーではなく、認知度も低かった30年も近く前。透析患者はシャント手術側の腕が注射痕で凸凹になるくらいなので、夏でも長袖か伸縮包帯などで人目につかないようにしている人が多い。私はへその緒が捩れて生まれてきたので、そんなことはお構いなしに半そでで歩いていた。結論から言うと、”シャブの常習者”と疑われた訳である。誰が、そんな目立つ所に打つか!もちろん、犬のおまわりさんも仕事であるから、個人に責任は無い。でもね、罪ばかり見て、人間を見ない警察官にはなって欲しくないね。
投稿: 明男 | 2011年3月 4日 (金) 11時54分