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Descomposición polar

En matemáticas , la descomposición polar de una matriz cuadrada real o compleja es una factorización de la forma , donde es una matriz unitaria y es una matriz hermitiana semidefinida positiva ( es una matriz ortogonal y es una matriz simétrica semidefinida positiva en el caso real ), ambos cuadrados y del mismo tamaño. [1]

Intuitivamente, si una matriz real se interpreta como una transformación lineal del espacio -dimensional , la descomposición polar la separa en una rotación o reflexión de y un escalamiento del espacio a lo largo de un conjunto de ejes ortogonales.

La descomposición polar de una matriz cuadrada siempre existe. Si es invertible , la descomposición es única y el factor será positivo-definido . En ese caso, se puede escribir de forma única en la forma , donde es unitario y es el logaritmo autoadjunto único de la matriz . [2] Esta descomposición es útil para calcular el grupo fundamental de grupos de Lie (matriz) . [3]

La descomposición polar también se puede definir como donde hay una matriz simétrica definida positiva con los mismos valores propios pero diferentes vectores propios.

La descomposición polar de una matriz puede verse como la matriz análoga de la forma polar de un número complejo como , donde es su valor absoluto (un número real no negativo ), y es un número complejo con norma unitaria (un elemento de la grupo circular ).

La definición puede ampliarse a matrices rectangulares exigiendo que sea una matriz semiunitaria y una matriz hermitiana semidefinida positiva. La descomposición siempre existe y siempre es única. La matriz es única si y sólo si tiene rango completo. [4]

Interpretación intuitiva

Una matriz cuadrada real se puede interpretar como la transformación lineal de que lleva un vector columna a . Entonces, en la descomposición polar , el factor es una matriz ortonormal real. Entonces, se puede considerar que la descomposición polar expresa la transformación lineal definida por en una escala del espacio a lo largo de cada vector propio de por un factor de escala (la acción de ), seguida de una rotación de (la acción de ).

Alternativamente, la descomposición expresa la transformación definida por como una rotación ( ) seguida de una escala ( ) a lo largo de ciertas direcciones ortogonales. Los factores de escala son los mismos, pero las direcciones son diferentes.

Propiedades

La descomposición polar del conjugado complejo de viene dada por Tenga en cuenta que

determinanteA

La matriz semidefinida positiva P es siempre única, incluso si A es singular , y se denota como

transpuesta conjugadaPraíz cuadrada[5]APU

Relación con la SVD

En términos de la descomposición en valores singulares (SVD) de , se tiene


También se puede descomponer en la forma


La descomposición polar de una matriz real cuadrada invertible es de la forma

matriz definida positiva

Relación con matrices normales

La matriz con descomposición polar es normal si y sólo si y conmutan :, o equivalentemente, son simultáneamente diagonalizables .

Construcción y pruebas de existencia.

La idea central detrás de la construcción de la descomposición polar es similar a la utilizada para calcular la descomposición en valores singulares .

Derivación para matrices normales

Si es normal , entonces es unitariamente equivalente a una matriz diagonal: para alguna matriz unitaria y alguna matriz diagonal . Esto hace que la derivación de su descomposición polar sea particularmente sencilla, ya que luego podemos escribir

fases

La descomposición polar es , por tanto, con y diagonal en la base propia de y teniendo valores propios iguales a las fases y valores absolutos de los de , respectivamente.

Derivación para matrices invertibles

A partir de la descomposición en valores singulares , se puede demostrar que una matriz es invertible si y sólo si (equivalentemente, ) lo es. Además, esto es cierto si y sólo si los valores propios de no son cero. [6]

En este caso, la descomposición polar se obtiene directamente escribiendo

En esta expresión, es unitario porque lo es. Para demostrar que también es unitario, podemos usar el SVD para escribir , de modo que

Otra forma más de mostrar directamente la unitaridad de es observar que, escribiendo el SVD de en términos de matrices de rango 1 como , donde están los valores singulares de , tenemos

Observe cómo, de la construcción anterior, se deduce que la matriz unitaria en la descomposición polar de una matriz invertible está definida de forma única .

Derivación general

El SVD de una matriz cuadrada se lee , con matrices unitarias y una matriz semidefinida positiva diagonal. Simplemente insertando un par adicional de s o s, obtenemos las dos formas de descomposición polar de :

isometría parcial


Como ejemplo explícito de este caso más general, considere el SVD de la siguiente matriz:

Operadores acotados en el espacio de Hilbert

La descomposición polar de cualquier operador lineal acotado A entre espacios de Hilbert complejos es una factorización canónica como producto de una isometría parcial y un operador no negativo.

La descomposición polar para matrices se generaliza de la siguiente manera: si A es un operador lineal acotado, entonces existe una factorización única de A como producto A = UP donde U es una isometría parcial, P es un operador autoadjunto no negativo y el operador inicial el espacio de U es el cierre del rango de P .

El operador U debe debilitarse a una isometría parcial, en lugar de unitaria, debido a las siguientes cuestiones. Si A es el desplazamiento unilateral en l 2 ( N ), entonces | Un | = { A * A } 1/2 = Yo . Entonces si A = U | A |, U debe ser A , que no es unitario.

La existencia de una descomposición polar es consecuencia del lema de Douglas :

Lema  :  si A , B son operadores acotados en un espacio de Hilbert H y A * AB * B , entonces existe una contracción C tal que A = CB . Además, C es único si Ker ( B * ) ⊂ Ker ( C ).

El operador C puede definirse por C ( Bh ) := Ah para todo h en H , extendido por continuidad hasta el cierre de Ran ( B ) y por cero en el complemento ortogonal a todo H . El lema se sigue entonces ya que A * AB * B implica Ker ( B ) ⊂ Ker ( A ).

En particular. Si A * A = B * B , entonces C es una isometría parcial, que es única si Ker ( B * ) ⊂ Ker ( C ). En general, para cualquier operador acotado A ,

A * A1/2A * A dada por el cálculo funcional
UKerA *KerUPA * A1/2AUPA = P'U 'P'U '

Cuando H es de dimensión finita, U puede extenderse a un operador unitario; esto no es cierto en general (ver ejemplo arriba). Alternativamente, la descomposición polar se puede mostrar utilizando la versión del operador de descomposición en valores singulares .

Por propiedad del cálculo funcional continuo , | Un | está en el C*-álgebra generada por A . Una afirmación similar pero más débil es válida para la isometría parcial: U está en el álgebra de von Neumann generada por A. Si A es invertible, la parte polar U también estará en el álgebra C* .

Operadores ilimitados

Si A es un operador cerrado, densamente definido e ilimitado entre espacios de Hilbert complejos, entonces todavía tiene una descomposición polar (única)

UnAURanA

La prueba utiliza el mismo lema anterior, que se aplica a los operadores ilimitados en general. Si Dom ( A * A ) = Dom ( B * B ) y A * Ah = B * Bh para todo hDom ( A * A ), entonces existe una isometría parcial U tal que A = UB . U es único si Ran ( B ) Ker ( U ). El hecho de que el operador A sea cerrado y densamente definido garantiza que el operador A * A sea autoadjunto (con dominio denso) y, por lo tanto, permita definir ( A * A ) 1/2 . La aplicación del lema da descomposición polar.

Si un operador ilimitado A está afiliado a un álgebra de von Neumann M , y A = UP es su descomposición polar, entonces U está en M y también lo está la proyección espectral de P , 1 B ( P ), para cualquier conjunto de Borel B en [ 0, ∞) .

Descomposición polar del cuaternión

La descomposición polar de los cuaterniones H depende de la esfera unitaria bidimensional de raíces cuadradas de menos uno , conocida como "cuaterniones puros". Dado cualquier r en esta esfera y un ángulo −π < a ≤ π, el versor está en la unidad de 3 esferas de H . Para a = 0 y a = π, el versor es 1 o −1 independientemente de qué r se seleccione. La norma t de un cuaternión q es la distancia euclidiana desde el origen hasta q . Cuando un cuaternión no es sólo un número real, entonces se produce una descomposición polar única . Aquí r , a , t están todos determinados de manera única de modo que r es un cuaternión puro (es decir, r 2 = -1), a satisface 0 < a < π y t > 0.

Descomposiciones planas alternativas

En el plano cartesiano , surgen descomposiciones anulares planas alternativas de la siguiente manera:

Determinación numérica de la descomposición polar de la matriz.

Para calcular una aproximación de la descomposición polar A = UP , normalmente se aproxima el factor unitario U. [8] [9] La iteración se basa en el método de Heron para la raíz cuadrada de 1 y calcula, a partir de , la secuencia

La combinación de inversión y conjugación de Hermite se elige de modo que en la descomposición de valores singulares, los factores unitarios sigan siendo los mismos y la iteración se reduzca al método de Heron sobre los valores singulares.

Esta iteración básica se puede perfeccionar para acelerar el proceso:

Ver también

Referencias

  1. ^ Salón 2015 Sección 2.5
  2. ^ Teorema 2.17 de Hall 2015
  3. ^ Salón 2015 Sección 13.3
  4. ^ Higham, Nicolás J.; Schreiber, Robert S. (1990). "Rápida descomposición polar de una matriz arbitraria". SIAM J. Ciencias. Estadística. Computación . 11 (4). Filadelfia, PA, EE. UU.: Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas: 648–655. CiteSeerX 10.1.1.111.9239 . doi :10.1137/0911038. ISSN  0196-5204. S2CID  14268409. 
  5. ^ Salón 2015 Lema 2.18
  6. ^ Observe cómo esto implica, por la positividad de , que los valores propios son todos reales y estrictamente positivos.
  7. ^ Sobczyk, G. (1995) "Plano numérico hiperbólico", College Mathematics Journal 26:268–80
  8. ^ Higham, Nicolás J. (1986). "Cálculo de la descomposición polar con aplicaciones". SIAM J. Ciencias. Estadística. Computación . 7 (4). Filadelfia, PA, EE. UU.: Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas: 1160–1174. CiteSeerX 10.1.1.137.7354 . doi :10.1137/0907079. ISSN  0196-5204. 
  9. ^ Byers, Ralph; Hong Guo Xu (2008). "Una nueva escala para la iteración de Newton para la descomposición polar y su estabilidad hacia atrás". SIAM J. Matriz anal. Aplica . 30 (2). Filadelfia, PA, EE. UU.: Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas: 822–843. CiteSeerX 10.1.1.378.6737 . doi : 10.1137/070699895. ISSN  0895-4798.