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交代行列(歪対称行列)|固有値が純虚数になる理由と直交行列による標準形

正方行列 が を満たすとき、 を交代行列といいます。歪対称行列、反対称行列とも呼びます。

成分で書けば です。対角成分は自分自身と符号違いで等しくなるため、実数や複素数の範囲では必ず になります。

条件はこの一行だけです。ところがここから、行列式・階数・固有値のそれぞれに強い制約が生まれます。

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	<text x="230" y="22" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">対角は 0、対称の位置にある成分は符号だけが違います</text>
	<rect x="90" y="36" width="70" height="45" fill="#f5f5f5"></rect>
	<rect x="160" y="81" width="70" height="45" fill="#f5f5f5"></rect>
	<rect x="230" y="126" width="70" height="45" fill="#f5f5f5"></rect>
	<rect x="300" y="171" width="70" height="45" fill="#f5f5f5"></rect>
	<rect x="160" y="36" width="210" height="45" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.1"></rect>
	<rect x="230" y="81" width="140" height="45" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.1"></rect>
	<rect x="300" y="126" width="70" height="45" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.1"></rect>
	<rect x="90" y="36" width="280" height="180" fill="none" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<text x="125" y="64" font-size="13" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="195" y="64" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">a</text>
	<text x="265" y="64" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">b</text>
	<text x="335" y="64" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">c</text>
	<text x="125" y="109" font-size="13" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">-a</text>
	<text x="195" y="109" font-size="13" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="265" y="109" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">d</text>
	<text x="335" y="109" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">e</text>
	<text x="125" y="154" font-size="13" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">-b</text>
	<text x="195" y="154" font-size="13" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">-d</text>
	<text x="265" y="154" font-size="13" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="335" y="154" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">f</text>
	<text x="125" y="199" font-size="13" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">-c</text>
	<text x="195" y="199" font-size="13" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">-e</text>
	<text x="265" y="199" font-size="13" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">-f</text>
	<text x="335" y="199" font-size="13" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="230" y="238" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">4 次で自由に選べるのは、上に並ぶ 6 個の成分だけです</text>
</svg>

交代行列の定義

次正方行列 が交代行列であるとは、転置が符号を変えたものに一致することをいいます。

対角成分については となり、 から が従います。トレースはつねに です。

3 次の交代行列は次の形に限られます。

自由に選べるのは対角より上の成分だけで、下の成分は符号を変えて写せば決まります。

対称部分と交代部分に分ける

任意の正方行列は、対称行列と交代行列の和にただ一通りに分かれます。

第 1 項は転置しても変わらないので対称行列、第 2 項は転置すると符号が変わるので交代行列です。

一意性も短く示せます。対称かつ交代である行列は を満たすので零行列しかなく、2 通りの分解の差を取ると、対称行列と交代行列が等しいという式に行き着くからです。

対称行列

の形。二次形式 が主役で、固有値は実数、直交行列で対角化できます

交代行列

の形。二次形式は恒等的に 、固有値は純虚数で、実数の範囲では対角化できません

例:3 次の行列を 2 つに分ける

次の行列で分解を確かめます。

転置を足して で割ると対称部分が出ます。

引いて で割ると交代部分です。対角成分がすべて になっている点に注目してください。

2 つを足すと元の に戻ります。 成分なら 、 成分なら という具合です。

交代行列のなす空間の次元

交代行列どうしの和もスカラー倍も交代行列になるので、 次の交代行列全体はベクトル空間をなします。

次元は対角より上に並ぶ成分の個数、つまり です。2 次で 、3 次で 、4 次で となります。

対称行列全体の次元 と足せば になり、正方行列全体の次元と一致します。さきほどの分解が一通りしかないことと、ちょうど対応する数え方です。

二次形式が恒等的に 0 になる

交代行列では、どんな実ベクトル を取っても が成り立ちます。

は 行列、すなわちスカラーなので、転置しても値が変わりません。そこで転置を取ると次の計算になります。

自分自身と符号違いで等しいのですから、値は に決まります。内積の言葉でいえば、 はつねに と直交します。

逆向きも成り立ちます。実行列 がすべての で を満たすなら、 から が、 から が出て、 は交代行列です。

奇数次の行列式が 0 になる理由

行列式は転置で変わらず、スカラー倍については が成り立ちます。この 2 つを に当てはめます。

が奇数なら となり、 が出ます。奇数次の交代行列は正則になりません。

行列式が ということは、 が固有値だということでもあります。3 次や 5 次の交代行列には、 を満たす でないベクトルが必ず存在します。

偶数次の行列式とパフィアン

偶数次では事情が変わり、行列式は とは限りません。しかも、つねに何かの平方の形をしています。

2 次なら です。

4 次の成分を次のように置きます。

このとき行列式は次の量の平方になります。

この多項式をパフィアンといい、一般の偶数次でも が成り立ちます。奇数次では と定めます。

パフィアンは合同変換のもとで と振る舞います。両辺を 2 乗すれば、行列式が 倍になるという見なれた式に戻ります。

実交代行列ではパフィアンが実数なので、行列式は 以上です。行列式が負になる実交代行列は存在しません。

例:4 次の行列式をパフィアンで確かめる

上の形で 、、、、、 と置きます。

パフィアンは です。

行列式を余因子展開で計算すると になり、 と一致します。 次の行列式は 個の項の和ですが、交代性のおかげで多くが打ち消し合い、平方の形に落ち着くわけです。

符号まで込めた情報を持つのはパフィアンのほうです。行列式からは のどちらかまでしか復元できません。

固有値が純虚数になる理由

実交代行列の固有値は、 か純虚数のどちらかです。実数の固有値を持つとしたら に限られます。

を実交代行列、 をその固有値、 を対応する固有ベクトルとします。複素数の範囲で考え、共役転置を で表します。

の左から を掛けると になります。この左辺の共役転置を取ってみます。

が実行列なので が使え、最後に交代性が効きました。共役が自分自身の符号違いに等しいスカラーは、純虚数のほかにありません。

は正の実数ですから、 も純虚数です。固有多項式が実係数であることと合わせると、 でない固有値は と の対で現れます。

例:3 次の交代行列の固有値

次の行列の固有値を求めます。

の行列式を第 1 行で余因子展開します。

整理すると となり、固有値は と です。純虚数が符号の対で現れ、残りが という予想どおりの並びになりました。

この は に対する外積行列で、 が成り立ちます。 でない固有値の絶対値 は、 の長さ にほかなりません。

階数が必ず偶数になる理由

実交代行列は を満たすので、正規行列です。したがってユニタリ行列で対角化でき、階数は でない固有値の個数に等しくなります。

その固有値は の対で現れるのですから、個数は偶数です。実交代行列の階数は必ず偶数になります。

奇数次で階数が に届かないことも、ここから読み取れます。行列式が になるという先ほどの結論に、別の道から着いたことになります。

直交行列による標準形

実交代行列は、実数の範囲では対角行列に相似になりません。 でない固有値が実数ではないからです。届く先は 2 次のブロックを並べた形になります。

直交行列 をうまく選ぶと、次の形に整います。

各ブロックは正の数 を使って次のように書けます。

の固有値は です。末尾の零行列 の大きさは固有値 の重複度にあたり、 に等しくなります。

HTML
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<svg viewBox="0 0 460 250" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<text x="230" y="22" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">直交行列で挟むと、2 次のブロックが対角に並びます</text>
	<rect x="130" y="36" width="200" height="200" fill="none" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="130" y="36" width="80" height="80" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.12" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="210" y="116" width="80" height="80" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.12" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="290" y="196" width="40" height="40" fill="#f5f5f5" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<text x="170" y="82" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">B<tspan font-size="9" dy="3">1</tspan></text>
	<text x="250" y="162" font-size="13" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">B<tspan font-size="9" dy="3">2</tspan></text>
	<text x="310" y="222" font-size="13" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">O</text>
	<text x="230" y="72" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="230" y="182" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="230" y="248" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">零ブロックの大きさは、固有値 0 の重複度に等しくなります</text>
</svg>

各ブロックは、対応する平面のなかで 度回して 倍する働きをします。交代行列は互いに直交する平面ごとに回転を生む、と読み替えられます。

例:外積行列を標準形にする

先ほどの の外積行列で、標準形を作ります。 でした。

方向の単位ベクトルを 、 に直交する単位ベクトルを 、両者の外積を と置きます。

外積を計算すると 、、 が確かめられます。 は回転軸なので動かず、残る 2 本が平面のなかで入れ替わるわけです。

これらを列に並べた は直交行列で、標準形が現れます。

に垂直な平面のなかで 度回して 倍する、というのが の正体でした。倍率の は、さきほどの固有値 と同じ数です。

ケイリー変換で直交行列を作る

実交代行列 に対して、 は必ず正則です。固有値が の形になり、 にならないからです。

そこで次の行列を作ります。

これをケイリー変換といいます。 が直交行列であることは、転置を書き下せば見えてきます。

と はどちらも に等しく、真ん中が打ち消し合うという仕掛けです。

逆向きの対応もあります。固有値 を持たない直交行列 から を作れば交代行列に戻り、両者が 1 対 1 に対応します。

例:2 次のケイリー変換

次の交代行列から出発します。

の行列式は なので、逆行列が次のように求まります。

左から を掛けると、有理数だけでできた直交行列が出てきます。

各列の長さは 、2 本の列は直交し、行列式は です。、 の回転にあたります。

ピタゴラス数から直交行列を作る方法としても使えます。平方根を経由せずに済むところが、この変換の便利な点です。

指数関数と回転

交代行列を指数関数に入れると直交行列になります。 が の逆行列にあたるからです。

行列式は です。トレースが という性質が、ここで効いてきます。

2 次では回転行列そのものが現れます。

交代行列全体は回転群 の単位元における接空間にあたり、 と書かれます。指数関数そのものの扱いは、行列の指数関数の記事に譲ります。

他の話題とのつながり

実交代行列は正規行列なので、複素数の範囲ではユニタリ行列で対角化できます。対角に並ぶのは純虚数で、証明は正規行列の記事にあります。

を作るとエルミート行列になります。固有値が実数という結果と、純虚数という結果が 倍で行き来する関係です。複素数まで広げた対応物が歪エルミート行列になります。

3 次の交代行列はベクトルの外積と 1 対 1 に対応します。回転の生成子という見方は、力学や計算機グラフィックスで角速度を扱うときに顔を出します。

二次形式の理論が対称行列だけを相手にする理由も、ここまでの話でわかります。交代部分は に何も残さないので、はじめから捨てて差し支えないのです。

よくある誤り

対角成分がすべて でも交代行列とは限りません。 がすべての組で成り立って、はじめて交代行列になります
行列式が必ず になるのは奇数次のときだけです。偶数次では に等しく、 でない値も取ります
固有値が実数でないことと、対角化できないことは別問題です。実数の範囲では対角に落ちませんが、複素数まで広げればユニタリ行列で対角化できます
行列式の交代性と交代行列は、名前が似ているだけの別物です。前者は列を入れ替えると符号が変わるという行列式の性質を指します
がすべての で成り立っても、 が零行列とは限りません。交代行列がまるごと反例です
積については閉じていません。 が交代行列になるのは が成り立つ場合に限られます
奇数次の交代行列に逆行列を探しても見つかりません。正則な交代行列は偶数次にしか存在しません

参考文献

Skew-symmetric matrix - Wikipedia
Pfaffian - Wikipedia
Antisymmetric Matrix - Wolfram MathWorld
Remarks on the Cayley Representation of Orthogonal Matrices(ペンシルベニア大学の講義ノート)
Schiefsymmetrische Matrix - Wikipedia(ドイツ語)
Pfaffsche Determinante - Wikipedia(ドイツ語)
Matrice antisymétrique - Wikipédia(フランス語)
Pfaffien - Wikipédia(フランス語)
反對稱矩陣 - 維基百科(中国語)
普法夫值 - 维基百科(中国語)
Matriz antisimétrica - Wikipedia(スペイン語)
転置すると符号が変わる行列が交代行列です。対角成分が消えること、どんな行列も対称部分と交代部分に分かれること、奇数次で行列式が消え偶数次ではパフィアンの平方になること、固有値が純虚数に限られる証明、直交行列で回転のブロックが並ぶ形に整う標準形、ケイリー変換による直交行列の作り方を、計算例をつけて解説します。