Přeskočit na obsah

Antisymetrická matice

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Reálná antisymetrická matice je jednoznačně určena svými prvky pod diagonálou.

V matematice se antisymetrickou maticí rozumí čtvercová matice, jejíž transpozicí se pouze změní znaménko u všech jejích prvků.

Antisymetrické matice se používají v lineární algebře mimo jiné k charakterizaci antisymetrických bilineárních forem.

S maticemi úzce souvisí tenzory druhého řádu, které jsou důležitým matematickým nástrojem v přírodních vědách a inženýrství, zejména v mechanice kontinua.

Čtvercová matice nad tělesem se nazývá antisymetrická, pokud pro ni platí:

Jinými slovy, její prvky na pozicích souměrných podle diagonály jsou navzájem opačné, čili splňují:

pro všechny dvojice indexů .

Reálná matice je antisymetrická, protože .

Vlastnosti

[editovat | editovat zdroj]
  • Antisymetrické matice nad tělesy charakteristiky různé od 2 mají na diagonále nuly, a proto je nulová i jejich stopa.

Vektorový prostor antisymetrických matic

[editovat | editovat zdroj]

Součet dvou antisymetrických matic stejného řádu je antisymetrická matice:

Podobně skalární násobek antisymetrické matice je antisymetrická matice:

Nulová matice také antisymetrická, a proto množina antisymetrických matic řádu tvoří vektorový podprostor

prostoru čtvercových matic .

Pokud má těleso charakteristiku různou od 2, potom dimenze prostoru je rovna. Jeho bázi lze vytvořit z rozdílů matic pro . Uvedené matice tvoří standardní bázi prostoru , čili mají jediný nenulový prvek .

Nad tělesy charakteristiky různé od 2 lze libovolnou čtvercovou matici zapsat jednoznačně jako součet , kde matice je antisymetrická a matice je symetrická:

  a  

Symetrické matice řádu tvoří vektorový prostor dimenze . Prostor čtvercových matic dimenze lze vyjádřit jako direktní součet

prostorů antisymetrických a symetrických matic.

Reálné antisymetrické matice

[editovat | editovat zdroj]

Regularita

[editovat | editovat zdroj]

Antisymetrické matice mohou být regulární, např. , i singulární, např. nulová matice.

Analýzou Gaussovy eliminace lze ukázat, že matice je regulární pro každou reálnou antisymetrickou matici , přičemž zde značí jednotkovou matici odpovídajícího řádu.

Determinant

[editovat | editovat zdroj]

Pro determinant antisymetrické matice platí:

Reálné antisymetrické matice lichého řádu mají proto determinant nulový, čili jsou singulární. Tento fakt se nazývá Jacobiho věta podle Carla Gustava Jacobiho.

Cayley dokázal, že determinant antisymetrických matic sudého řádu lze vyjádřit jako druhou mocninu polynomu v prvcích dané matice. Tento polynom se nazývá Pfaffian a značí :

Z uvedeného vyplývá, že determinant reálné antisymetrické matice je nezáporný: .

Mnoho členů v rozvoji determinantu antisymetrické matice se navzájem odečte, a tak počet zbývajících členů, značený , je poměrně malý ve srovnání s členy v rozvoji determinantu obecné matice řádu . Posloupnost zkoumali již Cayley, Sylvester a Pfaff, a je o ní známo, že začíná čísly:[1]

1, 0, 1, 0, 6, 0, 120, 0, 5250, 0, 395010, 0, …

a že je zakódována v exponenciální vytvořující funkci:

Pro sudá lze asymptoticky vyjádřit výrazem:

Počet kladných a záporných členů v rozvoji determinantu antisymetrické matice sudého řádu je přibližně poloviční z celkového počtu nenulových členů. S rostoucím řádem matice se zvyšuje i rozdíl mezi počtem kladných a záporných členů (někdy převládají kladné, jindy záporné).

Skalární součin

[editovat | editovat zdroj]

Každá reálná antisymetrická matice a každá reálná symetrická stejného řádu jsou navzájem ortogonální vzhledem k Frobeniovu skalárnímu součinu na . Jinými slovy, vektorové prostory a jsou vzájemnými ortogonálními doplňky v .

Matice je antisymetrická, právě když pro libovolné vektory platí:

přičemž značí standardní skalární součin na .

Uvedená podmínka je ekvivalentní podmínce:

pro všechna

Dopředná implikace vyplývá bezprostředně z dosazení . Zpětnou lze odvodit následujícím způsobem z linearity a symetrie skalárního součinu:

Uvedená definice antisymetrie matice vede ke zobecnění pro lineární zobrazení na prostoru se skalárním součinem: Lineární zobrazení se nazve antisymetrické, pokud pro všechna platí: .

Vektorový součin

[editovat | editovat zdroj]

Antisymetrické matice řádu 3 lze použít k reprezentaci vektorového součinu pomocí maticového součinu. Pro vektory a lze vzít následující matici:

Vektorový součin lze pak vyjádřit výrazem:

Spektrální vlastnosti

[editovat | editovat zdroj]

Každá čtvercová matice má stejný charakteristický polynom jako matice k ní transponovaná, a proto obě mají stejná vlastní čísla. Čtvercová komplexní je ve skutečnosti podobná . Je-li vlastním číslem , je vlastním číslem matice . Z uvedeného vyplývá, že nenulová vlastní čísla antisymetrické matice tvoří dvojice navzájem opačných čísel .

Podle spektrální věty jsou nenulová vlastní čísla reálné antisymetrická matice jsou ryze imaginární a tvoří dvojice kde jsou reálná.

Reálné antisymetrické matice jsou normální (komutují se svou hermitovskou transpozicí), a proto jsou diagonalizovatelné pomocí unitárních matic. Protože vlastní čísla reálné antisymetrické matice jsou imaginární, nelze je diagonalizovat pomocí reálné unitární neboli ortogonální matice.

Každou antisymetrickou matici je však možné převést pomocí ortogonální matice do následujícího blokově diagonálního tvaru:

s nenulovými vlastními čísly . Je-li řád matice lichý, potom výsledná matice obsahuje alespoň jeden nulový řádek i sloupec.

Obecně platí, že každou komplexní antisymetrickou matici lze převést do obdobného blokově diagonálního tvaru pomocí unitární matice .

Definitnost

[editovat | editovat zdroj]

Druhá mocnina reálné antisymetrické matice je negativně semidefinitní.

Antisymetrické a alternující formy

[editovat | editovat zdroj]

Antisymetrická forma na vektorovém prostoru nad tělesem je definována jako bilineární forma

taková, že pro všechna platí:

Ve vektorovém prostoru nad tělesem charakteristiky 2 se antisymetrické formy shodují se symetrickými formy, protože každý prvek je svou vlastní aditivní inverzí.

Alternující forma je bilineární forma na vektorovém prostoru splňující:

Nad tělesy charakteristiky různé od 2 se antisymetrické a alternující formy shodují, protože:

Bilineární formu lze reprezentovat maticí tak, že , jakmile jsou oba vektory vyjádřeny vůči libovolně zvolené bázi. Naopak, matice určuje formu na , kde se zobrazí na . Antisymetrická forma je reprezentována antisymetrickou maticí (podobně pro symetrické formy a matice).

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Skew-symmetric matrix na anglické Wikipedii a Schiefsymmetrische Matrix na německé Wikipedii.

Literatura

[editovat | editovat zdroj]
  • BEČVÁŘ, Jindřich. Lineární algebra. 1. vyd. Praha: Matfyzpress, 2019. 436 s. ISBN 978-80-7378-392-1. 
  • HLADÍK, Milan. Lineární algebra (nejen) pro informatiky. 1. vyd. Praha: Matfyzpress, 2019. 328 s. ISBN 978-80-7378-378-5. 
  • OLŠÁK, Petr. Lineární algebra [online]. Praha: 2007 [cit. 2023-02-20]. Dostupné online. 

Související články

[editovat | editovat zdroj]