극분해
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1. 개요
극분해는 복소 힐베르트 공간 위의 유계 작용소를 부분 등거리 사상과 음이 아닌 자기 수반 작용소의 곱으로 나타내는 방법이다. 이는 복소수의 극형식과 유사한 개념으로, 행렬의 분해 및 기하학적 변환을 이해하는 데 사용된다. 극분해는 항상 존재하며 유일하며, 특잇값 분해와 밀접한 관련이 있다. 정규 행렬의 경우, 극분해는 고유 기저에서 대각 행렬로 표현되며, 가역 행렬의 경우에는 유니타리 행렬이 유일하게 결정된다. 무경계 연산자 및 사원수, 이중수, 분할 복소수와 같은 다른 수학적 구조에서도 극분해 개념이 확장되어 사용된다. 극분해는 다양한 수학적 문제, 특히 행렬 계산 및 수치적 결정에 활용된다.
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| 극분해 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 선형대수학 |
| 관련 항목 | 특잇값 분해 극좌표계 |
| 정의 | |
| 내용 | 가역 행렬을 유니타리 연산자와 에르미트 연산자의 곱으로 표현 |
| 설명 | 모든 가역 행렬 A는 A = U P로 표현 가능 (U는 유니타리 행렬, P는 양의 정부호 에르미트 행렬) |
| 응용 | |
| 분야 | 행렬 분석 양자역학 |
2. 정의
복소수 힐베르트 공간 위의 유계 작용소 가 주어졌을 때, 의 '''극분해'''는 다음 조건들을 만족시키는 순서쌍 이다.
- 는 유계 작용소이다.
- 이다.
- 는 에서 등거리 변환이다. (단, 단사 함수나 전사 함수일 필요는 없다.)
- 는 유계 자기 수반 작용소이며, 임의의 에 대하여 이다.
- 이다. (여기서 은 폐포이다.)
항상 임을 보일 수 있다.
3. 기하학적 해석
실수 정사각 행렬 는 열 벡터 를 로 변환하는 의 선형 변환으로 해석할 수 있다. 극분해 에서, 인자 은 실수 직교 행렬이다. 따라서 극분해는 로 정의된 선형 변환을 의 각 고유 벡터 를 따라 스케일 팩터 (의 작용)로 공간 을 스케일링한 다음 을 회전시키는 것 (의 작용)으로 표현하는 것으로 볼 수 있다.
또는, 분해 는 로 정의된 변환을 회전 ()한 다음 특정 직교 방향을 따라 스케일링 ()하는 것으로 표현한다. 스케일 팩터는 동일하지만 방향은 다르다.
4. 성질
복소수 힐베르트 공간 위의 유계 작용소 의 극분해 는 항상 존재하며, 항상 유일하다.
만약 가 유한 차원이며 가 가역 행렬이라면, 의 극분해 에서 는 유니터리 작용소가 된다. 그러나 만약 가 무한 차원이라면 그럴 필요는 없다.
또한, 가 유한 차원일 때,
:
이므로
:
:
이다.
복소 켤레의 극분해는 로 주어진다. 는 이고 이므로 ''A''의 행렬식에 해당하는 극분해를 제공한다. 특히, 만약 의 행렬식이 1이라면, 와 둘 다 행렬식이 1이다.
양의 반정부호 행렬 ''P''는 ''A''가 특이 행렬인 경우에도 항상 유일하며, 다음과 같이 나타낸다.
6. 정규 행렬과의 관계
행렬 $A$가 극분해 $A=UP$를 가질 때, $U$와 $P$가 가환하면(즉, $UP = PU$이면), 행렬 $A$는 정규 행렬이다. 또는 이와 동등하게, $U$와 $P$는 동시에 대각화 가능하다.
7. 존재의 구성 및 증명
극분해 구성의 핵심 아이디어는 특이값 분해를 계산하는 데 사용되는 것과 유사하다.
7. 1. 정규 행렬의 유도
A가 정규 행렬이면, 어떤 유니타리 행렬 V와 어떤 대각 행렬 Λ에 대해 A = VΛV*로 대각 행렬과 유니타리 동치이다. 이것은 극분해 유도를 특히 간단하게 만들며, 다음과 같이 쓸 수 있다.:A = VΦΛ |Λ|V* = (VΦΛV*)(V |Λ| V*)
여기서 ΦΛ는 Λ의 원소의 "위상"을 포함하는 대각 행렬이다. 즉, Λii ≠ 0일 때 (ΦΛ)ii ≡ Λii / |Λii|이고, Λii = 0일 때 (ΦΛ)ii = 0이다.
따라서 극분해는 A=UP이며, 여기서 U와 P는 A의 고유 기저에서 대각 행렬이고 각각 A의 위상과 절대값과 같은 고유값을 갖는다.
7. 2. 가역 행렬의 유도
특이값 분해로부터, 행렬 $A$가 가역 행렬일 필요충분조건은 $A^*A$ (또는 $AA^*$)가 가역 행렬인 것이다. 또한, 이는 $A^*A$의 고윳값이 모두 0이 아닌 경우와 같다.[5]이 경우, 극분해는 다음과 같이 쓸 때 직접 얻을 수 있다.
:$A = A\left(A^* A\right)^{-1/2}\left(A^* A\right)^{1/2}$
그리고 $A\left(A^* A\right)^{-1/2}$가 유니타리 행렬임을 관찰한다. 이를 확인하기 위해, $A^*A$의 스펙트럼 분해를 이용하여 $A\left(A^* A\right)^{-1/2} = AVD^{-1/2}V^*$로 쓸 수 있다.
이 식에서 $V^*$는 $V$가 유니타리 행렬이므로 유니타리 행렬이다. 또한 $AVD^{-1/2}$도 유니타리 행렬임을 보이기 위해, SVD를 사용하여 $A = WD^{1/2}V^*$로 쓸 수 있으며, 따라서
:$AV D^{-1/2} = WD^{1/2}V^* VD^{-1/2} = W$
여기서 다시 $W$는 구성에 의해 유니타리 행렬이다.
$A\left(A^* A\right)^{-1/2}$의 유니타리성을 직접적으로 보여주는 또 다른 방법은 SVD를 랭크 1 행렬의 관점에서 $A = \sum_k s_k v_k w_k^*$로 쓰고, 여기서 $s_k$는 $A$의 특이값이라고 할 때,
:$A\left(A^* A\right)^{-1/2}
= \left(\sum_j \lambda_j v_j w_j^*\right)\left(\sum_k |\lambda_k|^{-1} w_k w_k^*\right)
= \sum_k \frac{\lambda_k}