掛ける順序が絡む場所だけ壊れる〜行列の指数関数と連立微分方程式
の解は です。未知数が並んで になっても、 と書けます。
記号の見た目はそのまま。ただし は成り立ちません[4]。行列が掛ける順序を選ぶためです。
どこまでがスカラーと同じで、どこから違うのか。 を実際に計算しながら見ていきます。
定義
スカラーの級数をそのまま持ちこみます[1]。
と約束します。無限和なので、まず収束を確かめる必要がある。
行列のノルムには という性質があります。作用素ノルムをとればこれが成り立つ。
右辺を足すと で、有限の値です。したがって級数は絶対収束し、どんな正方行列でも が定まります[2]。
を入れた についても同じで、すべての で収束します。
収束の証明は、スカラーの が全域で収束する話をそのまま写したものです。
効いているのはノルムの劣乗法性だけ。行列の中身には何も仮定していない。
微分すると が出る
項別に微分します。
を前にくくり出しました。後ろにくくっても同じで、 とも書けます。 と のべきは可換だからです。
これで が を満たすことが分かります。 で なので、初期値も合う[2]。
解がこれ 1 つであること
を任意の解とし、 を考えます。
と は可換なので、2 項が打ち消して 。 は定数ベクトルです。
なので 。両辺に を掛けて になります。
を使いました。 と は可換なので、この 1 本だけは安全に使える等式です。
が崩れる例
次の 2 つを用意します。
どちらも 2 乗すると零行列なので、級数は 2 項で止まります。
一方 は 2 乗すると単位行列になります。偶数乗が 、奇数乗が なので、級数が双曲線関数に分かれる。
まったく別の行列です。 であることが、そのまま食い違いになって出ました[4]。
可換なら成り立ちます。証明では級数の積を展開して二項定理を使いますが、その並べ替えに が要ります。
計算法 1:対角化する
と書ければ、 なので級数がそのまま移ります[4]。
は対角成分を指数関数にするだけ。固有値を並べれば終わりです。
例:対称行列で計算する
固有値は と 、固有ベクトルは と です。
を入れると対角成分が 、非対角成分が になります。単位行列に戻り、確かに合っている。
計算法 2:スカラーとべき零に分ける
対角化できない場合の定番です。 と分け、 が何乗かで零行列になるようにします[2]。
はどんな行列とも可換なので、指数を分けられます。
なら、級数は 項で止まります。無限和が有限和になる。
例:ジョルダン細胞
次でも同じ要領です。
の多項式が現れました。固有値が重なって固有ベクトルが足りないとき、この形になります。

計算法 3:ケイリー・ハミルトンを使う
次の行列は自分の特性多項式を満たします。 が 以下で書けるので、級数のすべての項が低次に落ちる。
係数 は、固有値ごとに次のスカラーの等式を解いて決めます。
固有値が重なるときは、この等式を で微分した式も使います。重根の数だけ式が増えます。
例:2 次でやってみる
さきほどの対称行列でもう一度計算します。固有値は と でした。
引き算して 、代入して です。
の対角成分を計算します。
対角化で出した答えと一致しました。固有ベクトルを求めずに済むのが、この方法の利点です。
計算法 4:ラプラス変換で出す
の両辺を変換すると となり、。
つまり を逆変換すれば が出ます。
各成分を逆変換します。 が 、 が 。
回転行列になりました。 が反対称のとき、 は直交行列になります。長さを変えない変換です。
相図で見る
が何をしているかは、平面上の点の動きを追うと見えます。固有値の種類で、軌道の形が変わる。
行列を 1 つ決めると、平面のすべての点の動きが同時に決まります。 はその流れを 秒ぶん進める写像です。
使える等式と使えない等式
| 等式 | 成り立つ条件 |
|---|---|
| つねに | |
| つねに | |
| つねに | |
| つねに | |
| のときだけ |
4 番目は見落とされがちですが、有用です。 は指数関数の値なので決して にならない。 が必ず正則であることが、これで分かります。
証明は三角化して見ます。 を上三角に変換すると、対角には固有値 が並ぶ。 の対角は になり、行列式はその積です。
右辺があるとき
を解きます。 を掛けて、積の微分にまとめる。
から まで積分し、 を掛け戻します。
第 2 項をデュアメルの公式と呼びます[2]。時刻 に加わった力が、残りの だけ流されて届く、という読み方ができます。
1 階のスカラー方程式で積分因子を使うのと、まったく同じ手順です。
例:一定の力を加える
回転を生む行列に、一定の力を加えます。初期値は とする。
は、回転行列の第 2 列そのものです。
ばねに一定の力を加えたときの応答です。中心がずれた円を描きます。
級数をそのまま計算してはいけない
定義どおりに級数を打ち切る方法は、数値計算では使えません[3]。
が大きいと項数が足りず、しかも途中の項が巨大になって桁落ちを起こします。答えが小さくても、計算の途中で を超える値が出ることがある。
固有ベクトルを使う方法も安全ではありません。固有値が近いと固有ベクトルの行列がほとんど特異になり、 で誤差が拡大します。
実際に使われるのはスケーリングと 2 乗です[3]。
を大きくして を小さくし、そこでパデ近似を当てる。あとは 2 乗を 回くり返します。
対角化、べき零への分解、ケイリー・ハミルトン。固有値が分かれば正確な式が出る
スケーリングと 2 乗。固有値を求めず、ノルムを小さくしてから近似する
正確な式が欲しいのか、数値が欲しいのか。目的で方法が変わります。
物理での顔
量子力学の時間発展は で書けます。 がエルミートなら はユニタリになる。
確かめは短くて、 です。 なので指数の肩が打ち消し合い、 になります。
指数の肩どうしが可換なので、ここでは を使ってよい。可換性が効く場面です。
制御工学では を状態遷移行列と呼びます。 がすべての固有値で成り立てば、系は原点へ収束する。
の固有値が と のとき、 の値はいくつですか。
級数で定義し、微分すると が出る。ここまではスカラーと同じで、崩れるのは掛ける順序が絡む場所だけです。












deteA=etrA で、トレースは固有値の和なので −1+(−3)=−4 です。固有ベクトルも A の成分も要りません。指数関数の値なので 0 にならず、eA はつねに正則だと分かります。