「それが大事」グラフ理論の固有値・固有ベクトル

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これの


この行列の、固有値と固有ベクトルを計算してみましょう。

scilabでも求まるんですが、勝手に固有値の順番を 指定されてしまうので
手計算でやってみました。


そんな計算を海外旅行のホテルや機内でも淡々と行う、相変わらずのきのこですこんにちは


det(A-λE)=0　(Eは単位行列)
から、固有値λを求めてみます。


このように、
1行目－（2行目×λのべき乗）
の繰り返しで、どんどん行列の次数が小さくなってくれますので
最終的には

λ^6=1

という式になって

 
という、1の原始複素6乗根のべき乗で、すべての固有値を表すことができます。


では、固有ベクトルはどうなるかといいますと

nを0から5までいっぺんに計算させますと、以下のような関係を導出することができます。


また、6乗したら1に戻る性質を利用して、見やすくした上
すべての固有値の絶対値が1であることを利用して、√6で割り算することで、規格化も可能です。


ということは、対角化のためのブラ・ケットの片方はこのようになります。

規格化しているのでこのPはユニタリ行列です。
expを何度も描くのが煩わしいので、肩の部分だけ取って、便宜的に下部分のように表現することにします。


Pがブラだとすると、ケットはブラのエルミート共役
つまり
複素共役を取って転置したものなので、以下のようになります。

6乗して元に戻るので、冗長な書き方かもしれませんが、
規則性を表すためにあえてこのように書いています。

複素共役を取ったものが対称行列なので、その転置は同じものとなり
エルミート共役は以下で表されます。
 



ケットがこのようにシンプルに表せたので、ついでにブラのほうもシンプルに表してみましょう。


このようになりました。
まあつまり、expの指数部分においての複素共役は、マイナスを取るだけでいいのです。



まとめると、対角化のためのブラとケットと、対角化された行列は、このように表されます。

具体例は以下のようになりますが


実は、1の複素6乗根はいずれも、1の複素原始3乗根
ω={-1+j√(3)}/2
とそのべき乗、あるいは複素共役か符号を反転したものだけで構成できることがわかります。

また、対角化された行列のべき乗は、以下のように簡潔に表すことができます。


これらを使って、元の行列Aのべき乗を表してみましょう。

A^L=P×(λ^L)×P†

なので

その過程をExcelにぶち込んで表現してみたのがこちらです。

原寸大はこっち
ソースファイルはこっちからー！

黄色部分(左上)が対角化のための行列ブラP、青部分(右上)が逆行列=エルミート共役のケットP†、
緑部分(左下)が対角化された行列λのべき乗
それらの複素行列を掛け算したのが赤(右下)の部分で、一番左には計算して得られた行列Aの実整数を出力させてます。

行列の中身が複素数になるため、Excelの行列ライブラリは使えません。
そこで、複合参照と複素数ライブラリを用いて計算してます。


空白セルを指定して、そこでdel押しまくるなり再計算しまくるなりすると、動くと思います。
少なくともPCでは動きますが、タブレットではどうなるかわかりませふんせふん