行列の指数関数の性質
行列の指数関数の性質
行列の指数関数\(e^{A}\)について次が成り立つ。
\(A,B\)は\(n\)次正方行列とする。
\[ e^{P^{-1}AP}=P^{-1}e^{A}P \]
行列の指数関数\(e^{A}\)について次が成り立つ。
\(A,B\)は\(n\)次正方行列とする。
(1)
\[ e^{O}=I \](2)
\[ e^{aA}e^{bA}=e^{\left(a+b\right)A} \](3)逆行列
\[ \left(e^{A}\right)^{-1}=e^{-A} \](4)
\[ AB=BA\rightarrow e^{A}e^{B}=e^{B}e^{A}=e^{A+B} \](5)
\(P\)は正則行列とする。\[ e^{P^{-1}AP}=P^{-1}e^{A}P \]
(6)転置
\[ \exp\left(A^{T}\right)=\exp^{T}\left(A\right) \](7)複素共役
\[ \exp\left(\overline{A}\right)=\overline{\exp\left(A\right)} \](8)エルミート転置
\[ \exp\left(A^{*}\right)=\exp^{*}\left(A\right) \]\(AB\ne BA\)のとき、\(e^{A}e^{B}\)はベーカー・キャンベル・ハウスドルフの公式(BCH公式)
\[ e^{A}e^{B}=\exp\left(A+B+\frac{1}{2}\left[A,B\right]+\frac{1}{12}\left[A-B,\left[A,B\right]\right]+\cdots\right) \] になる。
\begin{align*} e^{B} & =e^{P^{-1}AP}\\ & =P^{-1}e^{A}P \end{align*} となる。
\[ e^{A}e^{B}=\exp\left(A+B+\frac{1}{2}\left[A,B\right]+\frac{1}{12}\left[A-B,\left[A,B\right]\right]+\cdots\right) \] になる。
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\(e^{P^{-1}AP}=P^{-1}e^{A}P\)より、\(A\sim B\)のとき、ある正則行列が存在し\(B=P^{-1}AP\)となるので、\begin{align*} e^{B} & =e^{P^{-1}AP}\\ & =P^{-1}e^{A}P \end{align*} となる。
(1)
\begin{align*} e^{O} & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{O^{k}}{k!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{I\delta_{0,k}}{k!}\\ & =I \end{align*}(2)
\begin{align*} e^{aA}e^{bA} & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(aA\right)^{k}}{k!}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{\left(bA\right)^{j}}{j!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{a^{k}b^{j}A^{k+j}}{k!j!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{j=0}^{k}\frac{a^{k-j}b^{j}A^{k}}{\left(k-j\right)!j!}\cmt{k+j\rightarrow k,j\rightarrow j}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{j=0}^{k}C\left(k,j\right)a^{k-j}b^{j}\frac{A^{k}}{k!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\left(a+b\right)^{k}\frac{A^{k}}{k!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(\left(a+b\right)A\right)^{k}}{k!}\\ & =e^{\left(a+b\right)A} \end{align*}(3)
\begin{align*} e^{A}e^{-A} & =e^{A-A}\cmt{\because\left[A,A\right]=0}\\ & =e^{O}\\ & =I \end{align*} となるので\[ e^{-A}=\left(e^{A}\right)^{-1} \] となる。
(4)
\begin{align*} e^{A}e^{B} & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^{k}}{k!}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{B^{j}}{j!}\\ & =\sum_{j=0}^{\infty}\frac{B^{j}}{j!}\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^{k}}{k!}\\ & =e^{B}e^{A} \end{align*} \begin{align*} e^{A}e^{B} & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^{k}}{k!}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{B^{j}}{j!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{A^{k}B^{j}}{k!j!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{j=0}^{k}\frac{A^{k-j}B^{j}}{\left(k-j\right)!j!}\cmt{k+j\rightarrow k,j\rightarrow j}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{k!}\sum_{j=0}^{k}C\left(k,j\right)A^{k-j}B^{j}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{k!}\left(A+B\right)^{k}\\ & =e^{A+B} \end{align*}(5)
\begin{align*} e^{P^{-1}AP} & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(P^{-1}AP\right)^{k}}{k!}\\ & =P^{-1}\left(\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A}{k!}\right)P\\ & =P^{-1}e^{A}P \end{align*}(6)
\begin{align*} \exp\left(A^{T}\right) & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(A^{T}\right)^{k}}{k!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(A^{k}\right)^{T}}{k!}\\ & =\left(\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^{k}}{k!}\right)^{T}\\ & =\exp^{T}\left(A\right) \end{align*}(7)
\begin{align*} \exp\left(\overline{A}\right) & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(\overline{A}\right)^{k}}{k!}\\ & =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\overline{A^{k}}}{k!}\\ & =\overline{\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^{k}}{k!}}\\ & =\overline{\exp\left(A\right)} \end{align*}(8)
\begin{align*} \exp\left(A^{*}\right) & =\exp\left(\overline{A^{T}}\right)\\ & =\overline{\exp\left(A^{T}\right)}\\ & =\overline{\exp^{T}\left(A\right)}\\ & =\exp^{*}\left(A\right) \end{align*}ページ情報
| タイトル | 行列の指数関数の性質 |
| URL | https://www.nomuramath.com/jqjcmgun/ |
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対角行列の性質
対角行列は積に関して可換である。
標準エルミート内積の性質
\[
\left\langle A\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right\rangle =\left\langle \boldsymbol{x},A^{*}\boldsymbol{y}\right\rangle
\]
(*)行列の相似の性質
行列の相似は同値関係

