直交tensorの固有値
直交tensorの固有値
直交tensorの固有値の条件を求める
$ \top
$ \iff\det(\bm A-(\pm1)\bm I)=\det(\bm A\cdot\bm I-(\pm1)\bm A\cdot\bm A^\top)
$ = \det\bm A\det(\bm I-(\pm1)\bm A^\top)
$ = (-(\pm1))^{{\rm tr}\bm I}\det\bm A\det(\bm A^\top-(\pm1)\bm I)
$ = (-(\pm1))^{{\rm tr}\bm I}\det\bm A\det(\bm A-(\pm1)\bm I)
$ \iff\det(\bm A-(\pm1)\bm I)=0\lor1=(-(\pm1))^{{\rm tr}\bm I}\det\bm A
$ \iff\det(\bm A-(\pm1)\bm I)=0\lor\det\bm A=(-(\pm1))^{{\rm tr}\bm I}
$ \because\det\bm A=\pm1
$ \iff(\det(\bm A-1\cdot\bm I)=0\lor\det\bm A=(-1)^{{\rm tr}\bm I})\land(\det(\bm A-(-1)\bm I)=0\lor\det\bm A=1^{{\rm tr}\bm I}=1)
$ \iff(\lnot\det\bm A\neq(-1)^{{\rm tr}\bm I}\lor\det(\bm A-1\cdot\bm I)=0)\land(\lnot\det\bm A\neq1\lor\det(\bm A-(-1)\bm I)=0)
$ \iff(\lnot\det\bm A=-(-1)^{{\rm tr}\bm I}\lor\det(\bm A-1\cdot\bm I)=0)\land(\lnot\det\bm A=-1\lor\det(\bm A-(-1)\bm I)=0)
$ \because\det\bm A=\pm1
$ \iff\begin{dcases}\det(\bm A-1\cdot\bm I)=0&\text{if }\det\bm A=-(-1)^{{\rm tr}\bm I}\\\det(\bm A-(-1)\bm I)=0&\text{if }\det\bm A=-1\end{dcases}
$ \underline{\iff\begin{dcases}\det(\bm A-(\pm1)\bm I)=0&\text{if }\mathrm{tr}\bm I\equiv0\pmod2\land\det\bm A=-1\\\det(\bm A-1\cdot\bm I)=0&\text{if }\mathrm{tr}\bm I\equiv1\pmod2\land\det\bm A=1\\\det(\bm A-(-1)\bm I)=0&\text{if }\mathrm{tr}\bm I\equiv1\pmod2\land\det\bm A=-1\end{dcases}\quad}_\blacksquare
以上より、固有値の集合$ \Lambdaの条件を絞り込める
偶数次元($ \mathrm{tr}\bm I\equiv0\pmod2)のとき
空間反転tensor($ \det\bm A=-1):$ \pm1\in\Lambda
回転tensor($ \det\bm A=1):これだけでは条件を絞り込めない
奇数次元($ \mathrm{tr}\bm I\equiv1\pmod2)のとき
空間反転tensor($ \det\bm A=-1):$ -1\in\Lambda
回転tensor($ \det\bm A=1):$ 1\in\Lambda
2次元直交tensorの場合
$ \lambda=1の固有vectorを軸にして反転する変換
3次元直交tensorの場合
空間反転tensor($ \det\bm A=-1)のとき$ \lambda=-1
回転tensor($ \det\bm A=1)のとき$ \lambda=1
http://web.econ.keio.ac.jp/staff/tose/cours/2020/slin/L15/3dimrot01V002HW.pdf
3次元直交行列の固有値の一つは$ 1であり、そのときの固有vectorが回転軸となる
2次元直交tensorの固有方程式を求める
$ \det\bm A=-1なら$ \lambda^2+(1-1)\lambda-(-1\cdot1)=0\iff\lambda^2-1=0\quad\therefore\lambda=\pm1
$ \det\bm A=1なら2次元2階tensorの固有方程式の解より
$ \lambda=\frac12(\mathrm{tr}\bm A\pm\sqrt{(\mathrm{tr}\bm A)^2-4})
$ =\frac12\left(I_1^{\bm{A}}\pm\sqrt{\left(I_1^{\bm{A}}\right)^2-4}\right)
$ I_1^{\bm{A}}:第1不変量
$ =\frac12\left(I_1^{\bm{A}}\pm\sqrt{4-4J_2^{\bm{A}}-4}\right)
偏差第2不変量$ J_2^{\bm{A}}=I_2^{\bm{A}}-\frac14\left(I_1^{\bm{A}}\right)^2=\det\bm{A}-\frac12\left(I_1^{\bm{A}}\right)^2=1-\frac14\left(I_1^{\bm{A}}\right)^2を使った
$ =\frac12I_1^{\bm{A}}\pm\sqrt{-J_2^{\bm{A}}}
最終的には$ \lambda=e^{\pm i\theta}になる
$ \arg\lambda=\tan^{-1}\frac{\sqrt{1^2-\left(\frac12I_1^{\bm{A}}\right)^2}}{\frac12I_1^{\bm{A}}}
$ = \cos^{-1}\frac12I_1^{\bm{A}}
3次元回転tensorの固有方程式を求める
3次元2階tensorの固有方程式の導出より、固有値を$ 1,\lambda_1,\lambda_2として、
$ \det(\pmb A-\lambda\pmb I)=0
$ \iff (\lambda-(\lambda_1+\lambda_2)\lambda+\lambda_1\lambda_2)(\lambda-1)=0
$ \iff(\lambda-(\mathrm{tr}\pmb A-1)\lambda+\det\pmb A)(\lambda-1)=0
$ \iff \lambda=1,\frac12\left(\mathrm{tr}\pmb A-1\pm\sqrt{(\mathrm{tr}\pmb A-1)^2-4\det\pmb A}\right)
$ =1,\frac12\left(\mathrm{tr}\pmb A-1\pm\sqrt{\pmb A:\pmb A-2(\det\pmb A+\mathrm{tr}\pmb A)}\right)
$ \because(\mathrm{tr}\pmb A-1)^2=\lambda_1^2+2\lambda_1\lambda_2+\lambda_2^2-2\mathrm{tr}\pmb A+1=\pmb A:\pmb A+2(\det\pmb A-\mathrm{tr}\pmb A)
$ =1,\frac12\left(\mathrm{tr}\pmb A-1\pm\sqrt{(\mathrm{tr}\pmb A-1)^2\mp4}\right)
$ \because\det\pmb A=\pm1
回転行列なら、$ |\mathrm{tr}A-1|<2のとき固有値が虚数になる
2次元回転tensorからの類推で、複素数となる固有値の偏角が回転角になると予想される
$ \arg\lambda_1=\tan^{-1}\frac{\sqrt{1^2-\left(\frac12({\rm tr}\bm A-1)\right)^2}}{\frac12({\rm tr}\bm A-1)}
$ =\cos^{-1}\frac12({\rm tr}\bm A-1)
x,y,z軸回転tensorの場合に正しいことはすぐ確認できる
Rodriguesの回転公式で試すと
$ {\rm tr}\bm R(\bm n,\theta)={\rm tr}\bm I\cos\theta+{\rm tr}(1-\cos\theta)\hat{\bm n}\hat{\bm n}-{\rm tr}(\sin\theta)\hat{\bm n}\cdot{\Large\bm\epsilon}
$ = 3\cos\theta+(1-\cos\theta)|\hat{\bm n}|^2-0
$ =2\cos\theta+1
$ \therefore\cos^{-1}\frac12({\rm tr}\bm A-1)=\cos^{-1}\cos\theta=\theta
ただし、$ \thetaは$ \cos^{-1}の値域内にあるとする
確認完了
第2不変量が$ I_2^{\bm A}=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_1\lambda_2=\lambda_1+\lambda_2+1=I_1^{\bm A}になるから、
偏差第2不変量は$ J_2^{\bm{A}}=I_2^{\bm{A}}-\frac13\left(I_1^{\bm{A}}\right)^2=I_1^{\bm{A}}-\frac13\left(I_1^{\bm{A}}\right)^2になる
これを使って
$ \iff \lambda=1,\frac12\left(I_1^{\bm A}-1\pm\sqrt{(I_1^{\bm A}-1)^2-4\det\bm A}\right)
$ =1,\frac12\left(I_1^{\bm A}-1\pm\sqrt{(I_1^{\bm A}-1)^2-4}\right)
$ =1,\frac12\left(I_1^{\bm A}-1\pm\sqrt{\left(I_1^{\bm A}\right)^2-2I_1^{\bm A}+1-4}\right)
$ =1,\frac12\left(I_1^{\bm A}-1\pm\sqrt{\left(I_1^{\bm A}\right)^2-2I_1^{\bm A}-3}\right)
$ =1,\frac12\left(I_1^{\bm A}-1\pm\sqrt{3(I_1^{\bm A}-J_2^{\bm A})-2I_1^{\bm A}-3}\right)
$ =1,\frac12\left(I_1^{\bm A}-1\pm\sqrt{I_1^{\bm A}-3(J_2^{\bm A}+1)}\right)
$ \mathrm{tr}の条件をもう少し絞り込めないかな?
#2025-06-11 07:40:13
#2024-05-20
22:21:37 大幅に間違えていたので修正
任意次元で固有値が1になる条件を特定できない
#2024-05-07 22:33:59
#2024-01-06 18:34:56
#2024-01-04 00:00:31
#2023-08-08 19:35:05