行列のトレースの性質
トレースの定義と例
正方行列 $A$ のトレースとは、行列の対角成分の総和である。$A$ を $n$ 次とし、
$A$ の $ij$ 成分を $A_{ij}$ とするとき、
と定義される。
例:
行列
のトレースは、
である。
行列
のトレースは、
である。
トレースの対称性
行列の積のトレースは、
積の順序を入れ替えた行列のトレースに等しい。
すなわち、
$A$ と $B$ をそれぞれ $m \times n$ の行列、
$n \times m$ の行列とするとき、
が成立する。
証明
$A$ を $m \times n$、$B$ を $n \times m$ の行列とすると、
$AB$ は $m \times m$ の行列であり、
トレースの定義より $AB$ のトレースには、
である。行列の積の定義より、
であることを用いると、
が成り立つことが分かる。
トレースの循環性
$A$、$B$、$C$ をそれぞれ $m\times n$、$n \times l$、$l \times m$ の行列とするとき、
が成り立つ。
このようにトレースには、
の入れ替えに対する不変性がある。この性質を
トレースの循環性という。
証明
トレースの
対称性を用いる。
$A$
と
$BC$
の対称性を用いると、
が成り立つ。
$AB$
と
$C$
の対称性を用いると、
が成り立つ。
以上から
が成り立つ。
相似変換不変性
$A$ を正方行列、
$P$
を
正則行列
(逆行列が存在する行列)
とする。トレースは相似変換
に対して値を変えない。すなわち、
が成り立つ。
証明
トレースの
対称性を用いる。
$P^{-1}$
と
$AP$
の対称性を用いると、
が成り立つ。
$PP^{-1}=I$
(
単位行列)
であるので、
が成り立つ。
トレースの線形性
$A$ と $B$ を正方行列、
$\alpha$ と $\beta$ を定数とするとき、
が成り立つ。
トレースを三つの条件で定義
$A$ と $B$ を $n$ 次正方行列とし、
$\alpha$ と $\beta$ を定数とするとき、
関数 $f$ が
の条件を満たすならば、
$f$ はトレースである。
すなわち、
が成立する。
証明
準備
$i$ 行 $j$ 列成分のみが $1$ であり、
他の成分が $0$ である $n$ 次正方行列を
$E_{ij}$ とする。
$i \neq j$ の場合、次の関係が成立する。
また、任意の正方行列 $A$ を
と表すことが出来る。
ここで $A_{ij}$ は、$A$ の $i$ 行 $j$ 列成分である。
単位行列 $I$ の場合には、
と表される。
以上の関係を用いる。
証明
$n \times n$ の行列 $A$ に対して、
上の準備と条件 $(1)$ を用いると、
$f(A)$ は
と表される。
ここで、
$i \neq j$ の場合
が成り立つが、
条件 $(1)$ の $\alpha = \beta = 0$ の場合を考えると、
$
f(0) = 0
$
であるので、
が成立する。
従って、
$f(A)$ を
と表すことが出来る。
ここで、
上の準備と条件 $(2)$ を用いると、
である。
すなわち、
が成り立つ。
従って、
$f(A)$ を
と表せる。
ここで、条件 $(1)$ と $(3)$ を用いると、
が成り立つので、
である。
従って、
である。
トレース = 固有値の和
任意の $n$ 次正方行列 $A$ の固有値を
$\lambda_{i} (i=1,2 \cdots, n)$ とするとき、
$A$ のトレースは、
$A$ の固有値の総和に等しい。
すなわち、
が成り立つ。
このことから、トレースを
固有和と呼ぶこともある。
証明
任意の正方行列 $A$ は
三角化可能である。
すなわち、
を満たす
上三角行列
$\Lambda$ と
正則行列 $P$ が存在する。
また、$\Lambda$ の対角成分は $A$ の固有値である
(
三角化可能を参考)。
そこで
$\Lambda$ を
と表すことにする。
また、$P$ は
正則行列であるので、
が成り立つ。
これらと
相似変換不変性を用いると、
が成り立つことが分かる。
最後の等号では
トレースの定義を用いた。
トレースの正規直交基底による表現
$A$ を $n$ 次正方行列、
$\{ \mathbf{e}_{1}, \mathbf{e}_{2}, \cdots, \mathbf{e}_{n} \}$ を任意の正規直交基底とするとき、
$A$ のトレースを
と表すことができる。
証明
$n$ 次正方行列 $A$ を成分によって、
と表す。
また、
$\mathbf{b}_{1}, \mathbf{b}_{2}, \cdots, \mathbf{b}_{n} $ を基本ベクトル
とする。
これらによって、 $A$ の対角成分 $A_{ii}$ は
と表される。
したがって、$A$ の
トレースは
と表される。
任意の
正規直交基底を $\{ \mathbf{e}_{1}, \mathbf{e}_{2}, \cdots, \mathbf{e}_{n} \}$ とし、
行列 $R$ を
と定義する。
${\mathbf{e}_{i}}$ と ${\mathbf{b}_{i}}$ は
正規直交基底であるので、
を満たす。
ここで、$\delta_{ij}$ は
クロネッカーのデルタ
である。
これらから、
が成り立つことが分かる。
ここで、
単位行列が正規直交基底を用いた和によって表されること、
を用いた。
これより $RR^{T} = I$ も示されるので (証明は
直交行列は片方のみで定義可能を参考)、
が成立する ($R$ は
直交行列 )。
また $(2)$ から
である ($i=1,2,\cdots,n$)。
これらと
内積と転置の関係から、
が成り立つが、
$(1)$ と同様に考えると、
右辺は行列 $ R A R^{T}$ のトレースであることが分かるので、
が成り立つ。
ここで最後の等式で
トレースの循環性 を用いた。
転置行列のトレース
正方行列 $A$ の転置行列 $A^{T}$ のトレースは、
$A$ のトレースに等しい。
すなわち、
が成り立つ。
随伴行列のトレース
随伴行列のトレースはもとの行列のトレースの複素共役に等しい。
すなわち、
が成り立つ。
半正定値行列のトレース
半正定値行列 $A$ のトレースは $0$ 以上である。
すなわち
が成り立つ。
行列と転置行列の積のトレースが $0$ ならば、行列が $0$
正方行列 $A$ と転置行列 $A^{T}$ の積のトレースが $0$ ならば、
$A$ は $0$ 行列である。
すなわち
が成立する。
証明
$A$ を $n$ 次正方行列とし、
$\{ \mathbf{e}_{1}, \mathbf{e}_{2},\cdots, \mathbf{e}_{n} \}$
を任意の
正規直交基底とする。
このとき、$A^{T}A$ のトレースを正規直交基底によって、
と表すことができる(
トレースの正規直交基底の表現を参考)。
したがって、
$\mathrm{Tr}[A^{T}A] = 0$
であるならば、
$$
\tag{1}
$$
が成り立つ。
ところで、
左辺の各項は
内積と転置行列の関係から
と表せるので、 $(1)$ 式を
$$
\tag{2}
$$
と書き直すことができ、
であることから、
$(2)$ は各項が $0$ 以上の総和が $0$ に等しいことを表している。
したがって、
$(2)$ の
各項は $0$ 以外はありえない。
すなわち、
が成り立つ。
すると、
一般にノルムが $0$ のベクトルは $0$ ベクトルのみであることから、
が成り立つ。
ここで $i=1,2,\cdots,n$ である。
これより、
任意のベクトル
$\mathbf{v}$ を
正規直交基底 $\{ \mathbf{e}_{i} \}$ によって
と展開し、$A$ を掛けると、
が成り立つことが分かる。
これは
$A$ を任意のベクトルに作用すると $0$ ベクトルになることを表している。
このような行列は $0$ 行列のみである (
行列の等号の意味を参考)。
ゆえに
である。