Симметрические преобразования

Определение. Линейное преобразование A евклидова пространства En называется симметрическим (или самосопряженным) преобразованием, если для любых векторов a и b имеет место равенство

(7.7)

Примером симметрического преобразования является линейное преобразование, при котором всякий вектор умножается на фиксированное число

 

Теорема7.3. Симметрическое преобразование Aевклидова пространства в любом ортонормированном базисе задается симметричной матрицей. Обратно, если линейное преобразование пространства хотя бы в одном ортонормированном базисе задается симметричной матрицей, то это преобразование симметрическое.

Доказательство. Пусть симметрическое преобразование евклидова пространства в ортонормированном базисе e1,e2,…, en задается матрицей . Тогда

 

т. е., в виду (7.7)

 

Матрица A, таким образом, оказалась симметричной.

Обратно, линейное преобразование евклидова пространства в ортонормированном базисе e1, e2,…, en задается симметричной матрицей.

Пусть

 

тогда

 

Используя ортонормированность базиса, получаем

 

Правые части совпадают, и поэтому

 

тем самым теорема доказана.

Теорема7.4. Все характеристические корни симметрической матрицы действительны.

Доказательство. Пусть А − симметричная квадратная матрица порядка n с действительными коэффициентами, − характеристический корень (быть может, комплексный) матрицы . Тогда характеристический корень удовлетворяет системе однородных уравнений

 

где собственный вектор

 

соответствует собственному значению с матрицей преобразования А.

Умножая обе части каждого равенства на число, сопряженное с и складывая все равенства, имеем:

 

Коэффициент при есть действительное число, как сумма произведений сопряженных чисел. Чтобы доказать действительность числа достаточно показать, что оно совпадает с сопряженным

 

При доказательстве воспользовались действительностью и симметричностью матрицы A. В результате получили

 

т.е. есть действительное число.

Теорема7.5. Собственные векторы симметрического преобразования A, относящиеся к различным собственным значениям, между собой ортогональны.

Доказательство. Пусть

 

Т. к.

 

из определения симметрического преобразования

 

следует

 

или, ввиду , получаем (a,b) = 0, что и требовалось доказать.

Пусть существует ортонормированный базис линейного преобразования A из собственных векторов

 

Примем e1,e2, …,en за базис, тогда матрица преобразования А в этом базисе имеет диагональный вид

 

т.е. преобразование Aявляется симметричным.

В заключении отметим, что линейное преобразование евклидова пространства, тогда и только тогда, будет симметричным, если в пространстве существует ортонормированный базис, составленный из собственных векторов этого преобразования.