트레이스(선형 대수)
Trace (linear algebra)선형 대수학에서, tr(A)[1]로 표시된 정사각형 행렬 A의 배선은 A의 주 대각선(왼쪽 위부터 오른쪽 아래)에 있는 요소의 합으로 정의된다.트레이스는 정사각형 매트릭스(n × n)에 대해서만 정의됩니다.
행렬의 추적이 (복잡한) 고유값의 합계라는 것을 증명할 수 있습니다.또한 임의의 두 행렬 A와 B에 대해 tr(AB) = tr(BA)임을 증명할 수 있다.이는 유사한 행렬의 궤적이 같다는 것을 의미합니다.그 결과, 유한 차원 벡터 공간을 그 자체에 매핑하는 선형 연산자의 트레이스를 정의할 수 있다.이는 이러한 연산자를 기저에 관해 기술하는 모든 행렬이 유사하기 때문이다.
추적은 행렬식의 도함수와 관련이 있다(Jacobi 공식 참조).
정의.
n × n 정사각형 행렬 A의 궤적은 다음과 같이 정의된다[1][2][3]: 34 .
여기서 A는 정사각형 행렬인 tr(exp(A))과 같은 표현은 일부 필드(예: 다변량 통계 이론)에서 너무 자주 발생하므로 속기 표기법이 보편화되었습니다.
tre는 지수 트레이스 함수라고도 불리며 Golden-에서 사용됩니다.톰슨 불평등
예
A를 매트릭스로 합니다.
그리고나서
특성.
기본 속성
행렬과 그 전치에는 동일한 [1][2][3]: 34 트레이스가 있습니다.
이는 정사각형 행렬을 전치해도 주 대각선 요소에는 영향을 미치지 않는다는 사실에서 바로 나옵니다.
제품의 흔적
두 개의 실행렬의 곱인 정사각형 행렬의 흔적은 그 요소의 엔트리급 곱의 합, 즉 그들의 아다마르 곱의 모든 원소의 합으로 다시 쓰여질 수 있다.직접 표현하면, A와 B가 2개의 m × n개의 실제 행렬이라면, 다음과 같다.
m × n 실행렬을 길이 mn의 벡터(벡터화라고 하는 연산)로 본다면, A와 B에 대한 위의 연산은 표준 도트곱과 일치한다.위의 식에 따르면, tr(AA⊤)은 제곱합이므로 음수가 아니며, A가 [4]: 7 0인 경우에만 0이 된다.또한 상기 식에서 기술한 바와 같이 tr(AB⊤) = tr(BA⊤)이다.이들은 내부 생성물에 필요한 양의 정의성과 대칭성을 나타내며, tr(AB)을⊤ A와 B의 프로베니우스 내부 생성물이라고 부르는 것이 일반적이다.이것은 고정 차원의 모든 실행렬의 벡터 공간상의 자연 내부 산물입니다.이 내부 생성물로부터 도출된 규범은 프로베니우스 규범이라고 불리며, 코시-슈바르츠 부등식에서 증명될 수 있는 승압적 특성을 만족한다.
프로베니우스 내적물은 B를 복소공역체로 대체함으로써 고정된 크기의 모든 복소행렬의 복소 벡터 공간상의 은둔자 내적물로 확장될 수 있다.
프로베니우스 내부 곱의 대칭은 다음과 같이 보다 직접적으로 표현될 수 있다. 즉, 결과 변경 없이 곱의 추적 행렬을 바꿀 수 있다.A와 B가 각각 m × n 및 n × m 실행렬 또는 복소행렬일 경우[1][2][3]: 34 [note 1],
이것은 AB가 보통 BA와 같지 않다는 사실과 또한 어느 하나의 트레이스가 보통 tr(A)tr(B)[note 2]와 같지 않기 때문에 주목할 만하다.추적의 유사성-비교성은, 즉, 모든 정사각형 행렬 A와 동일한 치수의 모든 가역 행렬 P에 대해 tr(A) = tr(PAP)−1이라는 기본적인 결과이다.이것은 에 의해 증명된다.
또한 실제 열 a R \ { } \ \ { } ^ { } b R \ \ \ { b \ \ mathb { r { n의 경우, 외부 곱의 트레이스는 내부곱과 동등하다.
순환 특성
보다 일반적으로, 순환 순열에서 트레이스는 불변한다. 즉,
이를 순환 속성이라고 합니다.
임의 순열은 허용되지 않습니다. 일반적으로,
그러나 세 개의 대칭 행렬의 곱을 고려하는 경우 다음과 같은 이유로 모든 치환이 허용됩니다.
크로네커 제품의 흔적
두 행렬의 크로네커 곱의 흔적은 그 흔적의 산물이다.
트레이스의 특징
다음 세 가지 속성:
n× { n n 행렬의 f n {\ f를 적용하면 f{\ f가 트레이스와 .
고유값의 합으로 추적
임의의 n × n 실행렬 또는 복소행렬 A가 주어졌을 때,
여기서1 ,, ..., are는n 다수로 카운트된 A의 고유값이다.이는 A가 실제 행렬이고 고유값의 일부(또는 모두)가 복소수인 경우에도 해당됩니다.이것은 위에서 논의한 배선의 유사성-불변성과 함께 조던 표준 형태의 존재의 결과로 간주될 수 있다.
정류자의 흔적
A와 B가 모두 n × n 행렬일 때, tr(AB) = tr(BA) 및 tr은 선형이기 때문에 A와 B의 (고리-전기) 정류자 tr([A, B]) = 0은 사라진다.이를 "추적은 연산자에서 스칼라까지의 리 대수n gl → k의 지도"라고 말할 수 있는데, 이는 스칼라의 정류자가 사소하기 때문이다(아벨리안 리 대수이다).특히, 유사성 불변성을 사용하면, 항등 행렬은 행렬 쌍의 정류자와 결코 유사하지 않다.
반대로 궤적이 0인 정사각형 행렬은 행렬 [note 4]쌍의 정류자의 선형 조합입니다.게다가 트레이스가 0인 정사각형 행렬은 모두 0으로 구성된 대각선을 가진 정사각형 행렬과 일률적으로 동등합니다.
특수한 종류의 행렬의 흔적
- n × n 항등 행렬의 궤적은 공간의 차원, 즉 n이다.
- 에르미트 행렬의 흔적은 실재합니다. 대각선상의 요소가 실재하기 때문입니다.
- ih 점이 고정되면 대각항ii a가 1이고 그렇지 않으면 0이기 때문에 순열 행렬의 궤적은 해당 순열에서 벗어난 고정점 수입니다.
- 투영 행렬의 추적은 대상 공간의 치수입니다.
- 행렬X P는 아이돌 포텐셜이다.
- 베이스 필드의 특성이 0일 경우, 역방향도 유지됩니다. 모든 k에k 대해 tr(A) = 0이면 A는 0이 됩니다.
- 특성 n > 0이 양수일 경우 n차원의 동일성은 tr ( ) ( ) 00 0 \ } \ ( \ I } { I } _ { }^{ k } \ right ) ={ trf left \ tright ( ) \ \ \ \ tr tr tr tr when 、 tr 、 tr 、 tr 、
고유값과의 관계
A가 실수 또는 복소수를 갖는 정사각형 행렬로 표현되는 선형 연산자이고, θ1, ..., θ가n A의 고유값(대수 곱셈에 따라 나열됨)이라면,
이는 A가 대각선에 θ1, ..., θ를n 갖는 상부 삼각행렬인 조던 형태와 항상 유사하다는 사실에서 비롯된다.반대로, A의 행렬식은 고유값의 곱이다. 즉,
파생 관계
만약 δA가 작은 엔트리를 가진 정사각형 행렬이고 내가 항등 행렬을 나타낸다면, 우리는 대략
정확히 이것은 배선이 항등행렬에서 결정함수의 도함수라는 것을 의미한다.Jacobi의 공식은 임의의 행렬에서의 행렬식의 도함수를 추적의 관점에서 설명한다.
이(또는 트레이스와 고유값의 연결)로부터 트레이스 함수, 행렬 지수 함수 및 행렬식 사이의 관계를 도출할 수 있습니다.
예를 들어, 각도 θ를 통한 회전에 의해 주어진 선형 변환의 단일 모수군을 고려합니다.
이러한 변환은 모두 결정식 1을 가지므로 면적이 유지됩니다.θ = 0에서 이 계열의 도함수, 즉 항등 회전은 반대칭 행렬이다.
이 행렬은 면적을 보존하는 극소 변환임을 나타내는 트레이스 0을 가지고 있습니다.
트레이스의 관련 특성은 선형 벡터 필드에 적용됩니다.행렬 A가 주어졌을 때, R 위의 벡터장n F를 F(x) = Ax로 정의한다.이 벡터 필드의 성분은 선형 함수입니다(A의 행에 의해 지정됨)그 발산 div F는 상수 함수이며, 그 값은 tr(A)와 같다.
발산정리에 따르면 F(x)가 위치x에서의 유체의 속도를 나타내고 U가 R의 영역일n 경우 U로부터의 유체의 순흐름은 tr(A) · vol(U)로 주어지며 여기서 vol(U)는 U의 부피이다.
트레이스는 선형 연산자이므로 다음과 같이 도함수와 통신합니다.
선형 연산자의 추적
일반적으로, 어떤 선형 지도 f : V → V (여기서 V는 유한 차원 벡터 공간)가 주어졌을 때, 우리는 f의 행렬 표현의 트레이스를 고려함으로써, 즉, V의 베이스를 선택하고 f를 이 베이스에 상대적인 매트릭스로 기술하고, 이 정사각형 매트릭스의 트레이스를 취함으로써 이 맵의 트레이스를 정의할 수 있다.다른 기저가 유사한 행렬을 발생시켜 선형 지도의 추적에 대한 근거 독립적인 정의의 가능성을 허용하기 때문에 결과는 선택된 기준에 의존하지 않을 것이다.
이러한 정의는 V 위의 선형 지도의 공간 끝(V)과 V δ V* 사이의 표준 동형사상을 사용하여 얻을 수 있다. 여기서 V*는 V의 이중 공간이다.v를 V로 하고 f를 V*로 합니다.다음으로 분해 불가능한 요소 v v f의 배선은 f(v)로 정의되며, 일반 요소의 배선은 선형성에 의해 정의됩니다.V에 대한 명시적 기준과 V*에 대한 해당 이중 기준을 사용하면 위에서 설명한 것과 동일한 추적 정의를 제공할 수 있습니다.
수치 알고리즘
확률적 추정기
이 흔적은 "허친슨의 속임수"[5]로 공정하게 추정할 수 있다.
임의의 W n × {\ \{R} ^{ n 및E [T] I { E [^{n } 에서의 임의의 의 u r R \ uyle \ {R given given given E[ T u ]= r ( E []= (증명: 기대치를 직접 확장)
보통 랜덤 벡터는 N {N(0정규 분포) 또는- / nRademacher 분포)에서 샘플링됩니다.
추적의 보다 정교한 확률적 추정기가 [6]개발되었다.
적용들
2 × 2 복소 행렬의 추적은 뫼비우스 변환을 분류하는 데 사용된다.우선 행렬을 정규화하여 행렬식을 1로 한다.다음으로 트레이스의 제곱이 4일 경우 대응하는 변환은 포물선이 됩니다.정사각형이 구간 [0,4]에 있으면 타원형입니다.마지막으로 정사각형이 4보다 크면 변환은 loxodromic입니다.뫼비우스 변환의 분류를 참조해 주세요.
트레이스는 그룹 표현의 문자를 정의하는 데 사용됩니다.군 G의 2가지 표현 A, B : G → GL(V)은 tr(A(g) = tr(B(g))일 경우 모든 g δG에 대해 (V에 대한 기저변화까지) 등가이다.
배선은 2차 형식의 분포에서도 중심 역할을 합니다.
리 대수
트레이스는 의 연산자의 Li displaystyle { }\K})에서 의 선형 연산자 : l \operatorname {{n}_n}\to K까지의 지도이다.K는 Abelian(거짓말 괄호가 사라짐)이며, 이것이 리 대수의 지도라는 사실은 괄호의 궤적이 사라짐을 정확히 말해줍니다.
이 지도의 커널의 추적이 0인 매트릭스, 종종.mw-parser-output .vanchor>은 또는 추적하고, 이 target~.vanchor-text{background-color:#b1d2ff}traceless 매트릭스}, 매트릭스 wi의 특별한 선형 군의 리 대수는 단순한 매복하여 대수 s나는 n{\displaystyle{\mathfrak{sl}}_{n}을 형성한다고 한다.월 구분 1.특수 선형 그룹은 부피를 바꾸지 않는 행렬로 구성되는 반면, 특수 선형 리 대수는 극소 집합의 부피를 바꾸지 않는 행렬이다.
실제로 연산자/연산자의 g n nK { \ _ { n } _ { n } \ K는 미량 연산자/연산자/스칼라 연산자/연산자로 분해된다.스칼라 연산자에 대한 투영 맵은 트레이스의 관점에서 구체적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
정식으로 "스칼라"의 단위 K n{ K\ { 을 (를) 사용하여 트레이스(국가지도)를 구성하여 n개의 스칼라에 매핑하여 n n { style n}\displaystyle}_n}을 얻을 수 있다.n으로 나누면 위의 공식을 얻을 수 있는 투영법이 됩니다.
짧고 정확한 순서는
쌍선형 형태
쌍선형 형태(X, Y는 정사각형 행렬)
트레이스는 쌍선형 형식을 정의합니다.
이 형식은 대칭적이고, 비퇴화적이며[note 5], 다음과 같은 점에서 연관성이 있습니다.
복잡한 단순 라이 대수(예: n의 경우, 이러한 모든 쌍선형 형식은 서로 비례하며, 특히 Killing[citation needed] 형식에 비례합니다.
두 행렬 X와 Y는 다음과 같은 경우 궤적 직교라고 한다.
리 g의 일반 표현{\ 에는 일반화가 있어 }는 리 대수 : g 의 동형식이다} tr { } _ { V}( \ display \ { } ( V는 위와 같이 정의되어 있습니다쌍선형 형태
일반화
행렬의 트레이스 개념은 힐베르트 공간의 콤팩트 연산자의 트레이스 클래스로 일반화되며, 프로베니우스 노름의 유사체는 힐베르트-슈미트 노름이라고 불린다.
K가 트레이스 클래스 연산자일 경우 임의의 직교 정규 기준 n 에 대해 트레이스는 다음과 같이 표시됩니다.
부분 트레이스는 연산자 값 트레이스의 또 다른 일반화입니다.제품 공간 A µ B에 존재하는 선형 연산자 Z의 트레이스는 A 및 B 위의 부분 트레이스와 동일합니다.
자세한 속성과 부분 트레이스의 일반화는 추적된 모노이드 범주를 참조하십시오.
A가 필드 k 위의 일반 연상 대수일 경우, A 위의 배선은 종종 모든 a, b a A에 대해 정류자[clarification needed] tr([a, b])로 소실되는 임의의 맵 tr: A k k로 정의된다.이러한 트레이스는 일의로 정의되어 있지 않기 때문에 적어도0이 아닌 스칼라에 의한 곱셈에 의해서 항상 변경할 수 있습니다.
슈퍼 트레이스란, 트레이스를 슈퍼 그레이브라의 설정으로 일반화한 것입니다.
텐서 수축 연산은 임의의 텐서까지의 트레이스를 일반화한다.
텐서 제품 언어의 흔적
벡터 공간 V가 주어졌을 때, 스칼라 θ(v)에 (v, θ)를 송신함으로써 주어지는 자연 쌍선형 지도 V × V∗ → F가 있다.텐서 곱 V v∗ V의 보편적 특성은 이 쌍선형 맵이 V v∗ [8]V의 선형 함수에 의해 유도된다는 것을 자동으로 암시한다.
마찬가지로 선형 지도 w δ δ δ δ(w) v에 (v, θ)를 송신함으로써 주어지는 자연 쌍선형 지도 V × V∗ → Home(V, V)이 있다.텐서 곱의 보편적 특성은 앞에서와 마찬가지로 이 쌍선형 맵은 선형 맵 V v∗ V → Hom(V, V)에 의해 유도된다고 말한다. 만약 V가 유한 차원이라면, 이 선형 맵은 선형 동형이다.[8]이 근본적인 사실은 V의 (최종적으로 많은) 선형 지도의 합으로써 어떤 선형 지도 V → V를 쓸 수 있다고 말하는 것으로 표현될 수 있다.위에서 구한 선형함수로 동형의 역함수를 구성하면 Hom(V, V)에서 선형함수가 된다.이 선형 함수는 트레이스와 정확히 동일합니다.
대각선 요소의 합으로 추적의 정의를 사용하여 행렬 공식 tr(AB) = tr(BA)은 증명하기 쉬우며 위에 제시되었다.현시점에서는 V 내의 임의의 u에 대해 S(u) = σi(ui)v 및 T(u) = )(uj)w가 되는 선형함수 andi, andj 및 0이 아닌i 벡터 v 및 w가j 존재하도록 선형지도 S 및 T(u) = -(u)를j 고려하여 랭크 1 맵의 합으로 본다.그리고나서
V에 있는 모든 사용자를 위해.랭크 1 리니어 맵 u '(uji)'(wj)v에는i 트레이스j '(vii)'(wj) 등이 있습니다.
S와 T를 반대로 한 동일한 절차를 따르면 정확히 동일한 공식을 찾을 수 있어 tr(S t T)이 tr(T s S)과 같다는 것을 증명합니다.
V µ∗ V를 갖는 End(V)의 기본 동일성이 랭크 1 선형 맵의 합으로서 선형 맵의 표현성과 동일하다는 점에서 위의 증거는 텐서 곱에 기초한 것으로 볼 수 있다.이와 같이 증명서는 텐서 곱의 표기로 기재해도 된다.그런 다음, (v, θ, w, θ)를 θ(w)v θ에 전송함으로써 주어진 다선형 지도 V × V∗ × V∗ → V θ V를∗ 고려할 수 있다.트레이스 맵과의 추가 합성에 의해, 「(w)」(v)가 됩니다.또, 대신에 (w, 「, v,」)로 개시했을 경우, 이것은 변경되지 않습니다.또한 (f, g)를 성분 f µ g로 전송하여 주어진 쌍선형 지도 End(V) × End(V) → End(V)를 고려할 수 있으며, 이는 선형 지도 End(V) end End(V) → End(V)에 의해 유도된다.이는 선형 지도 V v∗ V v V v V v∗ V → V v∗ V와 일치함을 알 수 있다. 트레이스 지도와의 구성에 따라 대칭이 확립되어 두 [8]트레이스의 동일성이 확립된다.
임의의 유한 차원 벡터 공간 V에 대하여, 자연 선형 지도 F → V δ V'가 존재한다. 선형 지도의 언어로, 그것은 스칼라 c에 선형 지도 cδid를V 할당한다.이것을 코평가 맵이라고 부르기도 하고, 트레이스 V ' V' → F를 평가 [8]맵이라고 부르기도 한다.이러한 구조는 범주 이론의 추상적 설정에서 범주적 트레이스를 정의하기 위해 공리화될 수 있습니다.
「 」를 참조해 주세요.
- 메트릭 텐서에 대한 텐서의 추적
- 특성 함수
- 필드 트레이스
- 골든-톰슨 부등식
- 단수 트레이스
- 슈페흐트의 정리
- 트레이스 클래스
- 트레이스 아이덴티티
- 트레이스 부등식
- 폰 노이만의 미량 부등식
메모들
- ^ 이것은 매트릭스 곱의 정의에서 바로 나온 것입니다.
- ^ 예를 들어,그럼 제품은트레이스는 tr(AB) = 1 0 0 0 0 = tr(A)tr(B)입니다.
- ^ : ( ) ( \ left ( _ { } \ right )= ( i ) ( e ) f ( ) f \ ( e _ { } \ right ) = f ( e )( e ) display styleft ( e right ) f ) 。 좀 더 추상적으로, 이것은 분해에 해당된다.( ) ( A = tr ( ) =\}( ( tr [ , ) 0 { , B ]) = 0 l 에 되어 있습니다.dom: 이러한 모든 맵은 스칼라 파라미터의 1개의 스칼라 값에 의해 결정됩니다.따라서 모든 맵은 트레이스의 배수입니다.이러한 맵은 0이러한 맵입니다.
- ^ 증명: n은 반심플 라이 대수이므로 그 안의 모든 요소는 일부 요소 쌍의 정류자의 선형 조합입니다.그렇지 않으면 도출된 대수가 적절한 이상입니다.
- ^ 이는 tr(A*A) = 0이라는 사실에서 비롯되며 A = 0인 경우에만 해당된다.
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외부 링크
- "Trace of a square matrix", Encyclopedia of Mathematics, EMS Press, 2001 [1994]