Tópico 10
Matrizes Ortogonais e Unitárias
Pedro Aladar Tonelli
Algumas matrizes especiais
- Matrizes de projeção
- Matrizes ortogonais e unitárias
- Matrizes simétricas e Hermitianas
- Matrizes anti-simétricas e anti-hermitianas
Uma matriz quadrada $P$ é uma matriz de projeção quando
$P^2=P$.
Por exemplo:
$$A= \begin{pmatrix} 0.5 & 0.5 \\ 0.5 & 0.5 \end{pmatrix}$$
Se $P$ é uma matriz de projeção então:
- $0$ e $1$ são os únicos autovalores
- $\mathbb{R}^n = \operatorname{Ker}(P) \oplus \operatorname{Im}(P)$
- $\operatorname{Ker}(P)$ é o autoespaço associado a $0$
- $\operatorname{Im}(P)$ é o autoespaço associado a $1$
- $\exp(P) = I + (e-1)P$
Uma matriz $Q \in \mathbb{R}^{n\times n}$ é ortogonal quando
$QQ^T=Q^TQ=I$
Por exemplo
$$ Q = \begin{pmatrix} \cos(\theta) & \sin(\theta) \\
-\sin(\theta) & \cos(\theta) \end{pmatrix} $$
Se $Q$ é uma matriz ortogonal e $\lambda$ é um autovalor de $Q$ então
$\|\lambda\| =1$
Uma matriz $A \in \mathbb{R}^{n\times n}$ é chamada simétrica se $A=A^T$ e anti-simétrica se $A+A^T=0$.
Se $A$ é anti-simétrica então $\exp(A)$ é ortogonal
Considerando agora as matrizes com coeficientes complexos $A \in \mathbb{C}^{n\times n}$ temos as seguintes definições
- $A^H = \bar{A}^T$
- $A$ é hermitiana se $A^H = A$
- $A$ é unitária se $A.A^H=I$
Se $A$ é hermitiana e $x\in \mathbb{C}^n$ então $x^HAx \in \mathbb{R}$
Basta tomar o conjugado para obter o resultado!
Se $A$ é hermitiana então os autovalores são reais.
\begin{gather}
Ax=\lambda x \implies \langle Ax , x \rangle = \lambda \langle x, x \rangle \\
\lambda = \frac{ \langle Ax , x \rangle}{\langle x , x \rangle} \in \mathbb{R}
\end{gather}
Se $A$ é hermitiana e $x_1$ e $x_2$ são autovetores associados a autovalores diferentes, $\lambda_1$ e $\lambda_2$,
então $x_1$ e $x_2$ são ortogonais
\begin{gather}
\langle Ax_1 , x_2 \rangle = \langle x_1 , Ax_2 \rangle \implies \\
\lambda_1 \langle x_1 , x_2 \rangle = \lambda_2 \langle x_1 , x_2 \rangle \\
(\lambda_1 -\lambda_2)\langle x_1 , x_2 \rangle = 0
\end{gather}
Teorema Espectral
Se $A \in \mathbb{R}^{n\times n}$ é uma matriz simétrica então
existe uma matriz ortogonal $Q$ tal que
$$ A = Q \Lambda Q^T$$
Onde $\Lambda$ é a matriz diagonal dos autovalores (que são reais)
Uma consequência do Teorema espectral é que podemos escrever
$$ A= \lambda_1P_1 + \cdots + \lambda_n P_n $$
com $P_i$ projeções de dimensão 1.
Seja $U \in \mathbb{C}^{n\times n}$ uma matriz unitária então
- os autovalores de $U$ tem norma 1 ($\bar{\lambda}\lambda =1$)
- Os autovetores correspondentes a autovalores diferentes são ortogonais.