Macierz hermitowska

Macierz hermitowska (albo samosprzężona) – macierz kwadratowa $A=(a_{ij})$ równa swojemu sprzężeniu hermitowskiemu, tj. macierz spełniająca warunek

$(a_{ij})=({\overline {a_{ji}}})$.

Nieskończenie wymiarowym uogólnieniem macierzy hermitowskiej jest operator samosprzężony (hermitowski).

Przykłady

(1) Macierze hermitowskie 2 x 2:

a) macierze symetryczne rzeczywiste, tj. ${\begin{bmatrix}a&b\\b&c\end{bmatrix}},a,b,c\in \mathbb {R}$, np. ${\begin{bmatrix}1&2\\2&7\end{bmatrix}}$

b) ${\begin{bmatrix}1&-i\\i&1\end{bmatrix}},{\begin{bmatrix}2&-i\\i&1\end{bmatrix}}$

c) macierze Pauliego

$\sigma _{1}={\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix}},\,\,\sigma _{2}={\begin{bmatrix}0&-i\\i&0\end{bmatrix}},\,\,\sigma _{3}={\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix}}$

d) macierz zbudowana macierzy Pauliego

$H(x,y,z)=x\sigma _{1}+y\sigma _{2}+z\sigma _{3}={\begin{bmatrix}z&x-iy\\x+iy&-z\end{bmatrix}}$

(2) Macierze hermitowskie 3 x 3:

a) macierze symetryczne rzeczywiste, tj.

${\begin{bmatrix}a&b&c\\b&d&e\\c&e&f\end{bmatrix}},a,b,c,d,e,f\in \mathbb {R}$, np. ${\begin{bmatrix}1&2&4\\2&7&0\\4&0&-3\end{bmatrix}}$

b) $A={\begin{bmatrix}2&1-2i&i\\1+2i&-2&3+2i\\-i&3-2i&5\end{bmatrix}}.$

Macierz ta jest hermitowska, ponieważ:

$A^{\dagger }=\left({\begin{bmatrix}2&1-2i&i\\1+2i&-2&3+2i\\-i&3-2i&5\end{bmatrix}}^{T}\right)^{\ast }={\begin{bmatrix}2&1-2i&i\\1+2i&-2&3+2i\\-i&3-2i&5\end{bmatrix}}=A$

(3) Macierze hermitowskie 4 x 4:

a) macierz gamma Diraca $\gamma ^{0}$

${\begin{aligned}\gamma ^{0}&={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&-1&0\\0&0&0&-1\end{pmatrix}}\end{aligned}}$

b) macierze alpha i beta Diraca

Własności

Tw. 1 Macierz hermitowska na głównej przekątnej ma wyrazy rzeczywiste.

Tw. 2 Macierz hermitowska ma rzeczywiste wartości własne. Dowód: Niech $\lambda$ będzie wartością własną macierzy A, tj. $Ax=\lambda x$ dla pewnego niezerowego wektora x. Wówczas

$\lambda \langle x,x\rangle =\langle \lambda x,x\rangle =\langle Ax,x\rangle =\langle x,Ax\rangle =\langle x,\lambda x\rangle ={\overline {\lambda }}\langle x,x\rangle$,

co dowodzi, że $\lambda$ jest liczbą rzeczywistą ponieważ $\lambda ={\overline {\lambda }}$.

Tw. 3 Wektory własne niezdegenerowanej macierzy hermitowskiej są ortogonalne.

Dowód: Niech $\lambda _{1}$ i $\lambda _{2}$ będą różnymi wartościami własnymi macierzy $A$ dla pewnych wektorów, kolejno $x_{1}$ i $x_{2}$, tj. $Ax_{1}=\lambda _{1}x_{1}$ oraz $Ax_{2}=\lambda _{2}x_{2}$. Wówczas:

$\lambda _{2}\langle x_{1},x_{2}\rangle =\langle x_{1},\lambda _{2}x_{2}\rangle =\langle x_{1},Ax_{2}\rangle =\langle A^{\dagger }x_{1},x_{2}\rangle =\langle \lambda _{1}^{*}x_{1},x_{2}\rangle =\lambda _{1}^{*}\langle x_{1},x_{2}\rangle$

Zgodnie z Tw. 2 wartości własne są rzeczywiste, a więc $\lambda _{1}^{*}=\lambda _{1}$

Sąd:

$\lambda _{2}\langle x_{1},x_{2}\rangle =\lambda _{1}\langle x_{1},x_{2}\rangle \Rightarrow (\lambda _{2}-\lambda _{1})\langle x_{1},x_{2}\rangle =0$

ponieważ $\lambda _{2}\neq \lambda _{1}$ (macierz niezdegenerowana), $\langle x_{1},x_{2}\rangle =0$, a więc wektory $x_{1}$ i $x_{2}$ są ortogonalne.

Tw. 4 Wyznacznik macierzy hermitowskiej jest rzeczywisty.

Tw. 5 Macierz hermitowska o wyrazach rzeczywistych jest macierzą symetryczną

Formy hermitowskie

Formę g na zespolonej przestrzeni liniowej V nazywa się hermitowską jeżeli

1. $g(a_{1}\xi _{1}+a_{2}\xi _{2},\vartheta )=a_{1}g(\xi _{1},\vartheta )+a_{2}g(\xi _{2},\vartheta )\;\;\;(a_{1},a_{2}\in \mathbb {C} ,\xi _{1},\xi _{2},\vartheta \in V)$
2. $g(\xi ,\vartheta )={\overline {g(\vartheta ,\xi )}}\;\;\;(\xi ,\vartheta \in V)$.

Formy hermitowskie są we wzajemnej jednoznaczności z macierzami hermitowskimi: macierz formy hermitowskiej jest hermitowska. Z drugiej strony, jeżeli A jest n-wymiarową macierzą hermitowską, to wzór

$g(\xi ,\vartheta )=\xi A\vartheta ^{T}\;\;\;(\xi ,\vartheta \in \mathbb {C} ^{n})$

definiuje formę hermitowską w przestrzeni $\mathbb {C} ^{n}$ (symbol $\vartheta ^{T}$ oznacza postać kolumnową wektora poziomego $\vartheta$).

Zobacz też

• sprzężenie hermitowskie macierzy
• operator hermitowski
• macierz antyhermitowska

Bibliografia

• Grzegorz Banaszak, Wojciech Gajda: Elementy algebry liniowej cz. I. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2002. ISBN 83-204-2566-2.
• Andrzej Mostowski, Marceli Stark: Algebra liniowa. PWN, 1975, s. 125-127.