Метод вращений решения полной проблемы собственных значений

Метод вращений предназначен для решения полной проблемы собств. знач. для эрмитовых матриц. В алгебре доказывается, что для эрмитовой матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru существует унитарная матрица Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , такая, что преобр. подобия с ней приводит матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru к диагональной матрице Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru : Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (1)

Для унитарной матрицы по определению сопряженная матрица равна обратной: Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Т.о., равенство (1) можно переписать в виде Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (2)

Собств. знач. диагональной матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru явл. ее диагональные элем. Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , а собств. векторами – соотв. единичные (корд.) векторы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , где Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru - символ Кронекера. Выполнение равенств Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru в данном случае очевидно.

Строки унитарной матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru явл. собств. векторами матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Это следует из (2): Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Действительно, отсюда имеем Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru или Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru или Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , где Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru .

Вещественные симметрические матрицы явл. частным случаем эрмитовых матриц. Рассм. метод вращений для вещественных симметрических матриц.

Найдем наибольший по модулю внедиагональный элемент вещественной симметрической матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Пусть таковым оказался элемент Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru .Без ограничения общности можно считать Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru .

Введем в рассм. матрицу вращения

Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru

Умножим матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru справа на матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Получим матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , кот. отличается от матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru только столбцами i и j:

Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (3), Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (4)

Из (3) и (4) при этом следует, что сумма квадратов элем. этих столбцов остается без изменения:

Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (5)

Умножим матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru слева на матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Получим матрицу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , кот. отличается от матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru только строками i и j:

Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (6), Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (7)

Из (6) и (7) при этом следует, что сумма квадратов элем. этих строк остается без изменения:

Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (8)

Т.о., преобр. подобия Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (9) не меняет суммы квадратов элементов матрицы: Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru

Преобр. подобия (9) также сохраняет симметричность матрицы: Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru .

Теперь начинается самое главное. Преобр. подобия (9) меняет только два диагональных элемента. При этом, из симметрии , формул (8) и (5) следует: Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru Это значит, что при Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru преобр. (9) увеличит сумму квадратов диагон. элем. и соотв. уменьшит сумму квадратов внедиагон. элем. матрицы на величину Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Из (6) и (4) получаем ур. для определ. соотв. угла Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru

Отсюда находим искомый угол поворота Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (10)

Мы рассм. идею метода вращений и получили расчетные форм. метода. В методе вращений строится последовательность матриц Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (11)

по правилу Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru (12)

Построение последов. (11) заканчивается получением матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru , недиагон. элем. кот. можно считать равными нулю в пределах заданной точности. При этом ее диагон. элем. принимаются за собств. знач.

В качестве собств. векторов можно взять соотв. строки матрицы Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Может оказаться, что собств. векторы проще находить непосредственно решением сист. Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru .

Теорема. Матричная последов. (11) в методе вращений сходится к диагон. матрице со скоростью геометрической погрешности.

Доказательство. Обозначим Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru . Имеем Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru Следовательно, сумма квадратов недиагон. элем. в матричной последов. (11) сходится к нулю не хуже, чем геометрическая последов. со знаменателем Метод вращений решения полной проблемы собственных значений - student2.ru .

Наши рекомендации