Глава 16

Звёздное произведение

[18/56%]
Показать
LaTeX
§
Задача 16.1.1

Рассмотрим унитарную и эрмитову матрицу 2×22 \times 2

U=12(111−1). U = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} .
?
(i)

Найдите U⋆UU \star U. Является ли U⋆UU \star U унитарной? Является ли U⋆UU \star U эрмитовой?

(ii)

Найдите U⋆U^\widehat{U \star U}. Является ли U⋆U^\widehat{U \star U} унитарной? Является ли U⋆U^\widehat{U \star U} эрмитовой?

Задача 16.1.2

Рассмотрим ненормальные матрицы 2×22 \times 2

A=(0100),B=(0010)=AT A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \qquad B = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = A^{T}

с собственными значениями 00 (2×)(2\times ).

?
(i)

Найдите A⋆BA \star B и B⋆AB \star A и их собственные значения.

(ii)

Является ли A⋆BA \star B ненормальной? Является ли B⋆AB \star A ненормальной?

Задача 16.1.3
?
(i)

Что можно сказать о следе A⋆BA \star B? Что можно сказать об определителе A⋆BA \star B?

(ii)

Что можно сказать о следе A⋆B^\widehat{A \star B}? Что можно сказать об определителе A⋆B^\widehat{A \star B}?

Задача 16.1.4

Пусть AA, BB — матрицы 2×22 \times 2. Можно ли найти матрицу перестановки PP размера 4×44 \times 4 такую, что P(A⋆B)PT=B⊕AP(A \star B)P^{T} = B \oplus A? Здесь ⊕\oplus обозначает прямую сумму.

?
Задача 16.1.5

Пусть AA, BB — матрицы 2×22 \times 2. Пусть A⋆BA \star B — звёздное произведение. Покажите, что можно найти матрицу перестановки PP размера 4×44 \times 4 такую, что

P(A⋆B)PT=(a11a1200a21a220000b11b1200b21b22). P(A \star B)P^{T} = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & 0 & 0 \\ a_{21} & a_{22} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b_{11} & b_{12} \\ 0 & 0 & b_{21} & b_{22} \end{pmatrix} .
?
Задача 16.1.6

Матрицы 2×22 \times 2

I=(1001),J=(0110) I = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \qquad J = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}

образуют группу относительно умножения матриц. Образуют ли четыре матрицы 4×44 \times 4 I⋆II \star I, I⋆JI \star J, J⋆IJ \star I, J⋆JJ \star J группу относительно умножения матриц?

?
Задача 16.1.7

Даны собственные значения и собственные векторы матриц AA и BB размера 2×22 \times 2. Что можно сказать о собственных значениях и собственных векторах матрицы A⋆BA \star B?

?
Задача 16.1.8

Матрица 2×22 \times 2

A(α)=(cos⁡(α)−sin⁡(α)sin⁡(α)cos⁡(α)) A(\alpha ) = \begin{pmatrix} \cos (\alpha ) & -\sin (\alpha ) \\ \sin (\alpha ) & \cos (\alpha ) \end{pmatrix}

имеет собственные значения λ+(α)=eiα\lambda_{+}(\alpha ) = e^{i\alpha } и λ−(α)=e−iα\lambda_{-}(\alpha ) = e^{-i\alpha } с соответствующими нормированными собственными векторами

12(1−i),12(1i). \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ -i \end{pmatrix}, \qquad \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ i \end{pmatrix} .

Пусть

A(α)⋆A(α)=(cos⁡(α)00−sin⁡(α)0cos⁡(α)−sin⁡(α)00sin⁡(α)cos⁡(α)0sin⁡(α)00cos⁡(α)). A(\alpha ) \star A(\alpha ) = \begin{pmatrix} \cos (\alpha ) & 0 & 0 & -\sin (\alpha ) \\ 0 & \cos (\alpha ) & -\sin (\alpha ) & 0 \\ 0 & \sin (\alpha ) & \cos (\alpha ) & 0 \\ \sin (\alpha ) & 0 & 0 & \cos (\alpha ) \end{pmatrix} .

Найдите собственные значения и нормированные собственные векторы матрицы A(α)⋆A(α)A(\alpha ) \star A(\alpha ).

?
Задача 16.1.9

Пусть AA, BB — две матрицы 2×22 \times 2, а A⋆BA \star B — их звёздное произведение. Можно ли найти матрицу перестановки PP размера 4×44 \times 4 такую, что

P(A⋆B)=A⋆B^ ? P(A \star B) = \widehat{A \star B} \, ?
?
Задача 16.1.10

Пусть AA, BB — матрицы 2×22 \times 2. Найдите A⋆B−B⋆AA \star B - B \star A.

?
§
Задача 16.2.1

Рассмотрим звёздное произведение A⋆BA \star B двух матриц 2×22 \times 2 AA и BB, а также произведение

A⋄B:=(b1100b12b2100b220a11a1200a21a220). A \diamond B := \begin{pmatrix} b_{11} & 0 & 0 & b_{12} \\ b_{21} & 0 & 0 & b_{22} \\ 0 & a_{11} & a_{12} & 0 \\ 0 & a_{21} & a_{22} & 0 \end{pmatrix} .

Покажите, что существует матрица перестановки PP размера 4×44 \times 4 такая, что P(A⋆B)=A⋄BP(A \star B) = A \diamond B.

?
Задача 16.2.2

Рассмотрим матрицы 2×22 \times 2 AA, BB над C\mathbb {C}. Пусть A⋆BA \star B — звёздное произведение.

?
(i)

Пусть AA и BB — нормальные матрицы. Покажите, что A⋆BA \star B нормальна.

(ii)

Пусть AA и BB — унитарные матрицы. Покажите, что A⋆BA \star B — унитарная матрица.

(iii)

Пусть AA и BB — нильпотентные матрицы. Покажите, что A⋆BA \star B — нильпотентная матрица.

Задача 16.2.3

Пусть AA, BB — обратимые матрицы 2×22 \times 2. Пусть A⋆BA \star B — звёздное произведение. Покажите, что

(A⋆B)−1=A−1⋆B−1. (A \star B)^{-1} = A^{-1} \star B^{-1} .
?
Задача 16.2.4

Пусть AA — матрица 3×33 \times 3, а BB — матрица 2×22 \times 2. Определим

A⋆B:=(b11000b120a11a12a1300a21a22a2300a31a32a330b21000b22). A \star B := \begin{pmatrix} b_{11} & 0 & 0 & 0 & b_{12} \\ 0 & a_{11} & a_{12} & a_{13} & 0 \\ 0 & a_{21} & a_{22} & a_{23} & 0 \\ 0 & a_{31} & a_{32} & a_{33} & 0 \\ b_{21} & 0 & 0 & 0 & b_{22} \end{pmatrix} .
?
(i)

Найдите det⁡(A⋆B)\operatorname {det}\left(A \star B\right) и tr⁡(A⋆B)\operatorname {tr}(A \star B).

(ii)

Пусть AA, BB — нормальные матрицы. Будет ли A⋆BA \star B нормальной?

(iii)

Пусть AA, BB — унитарные. Будет ли A⋆BA \star B унитарной?

(iv)

Пусть

A=12(111−1),B=I3. A = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}, \qquad B = I_{3} .

Найдите A⋆BA \star B и вычислите собственные значения и нормированные собственные векторы A⋆I3A \star I_{3}.

Задача 16.2.5

Пусть Π1\Pi_{1} и Π2\Pi_{2} — проекционные матрицы 2×22 \times 2. Является ли матрица Π1⋆Π2\Pi_{1} \star \Pi_{2} размера 4×44 \times 4 проекционной матрицей? Примените это к Π1⋆Π1\Pi_{1} \star \Pi_{1}, где

Π1=12(1111). \Pi _{1} = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} .
?
Задача 16.2.6
?
(i)

Пусть UU и VV — элементы группы Ли SU(2)SU(2). Является ли U⋆VU \star V элементом группы Ли SU(4)SU(4)?

(ii)

Пусть XX и YY — элементы SL(2,R)SL(2, \mathbb {R}). Является ли X⋆YX \star Y элементом SL(4,R)SL(4, \mathbb {R})?

Задача 16.2.7

Пусть AA, BB — нормальные матрицы 2×22 \times 2 с собственными значениями λ1,λ2\lambda_{1}, \lambda_{2} и μ1,μ2\mu_{1}, \mu_{2} соответственно. Что можно сказать о собственных значениях A⋆B−B⋆AA \star B - B \star A?

?
Задача 16.2.8

Пусть AA, BB — матрицы 2×22 \times 2.

?
(i)

При каких условиях на AA и BB выполняется A⋆B^=A⊕B\widehat{A \star B} = A \oplus B?

(ii)

При каких условиях на AA и BB выполняется A⋆B^=A⊗B\widehat{A \star B} = A \otimes B?

(iii)

При каких условиях на AA и BB выполняется A⋆B=A⊕BA \star B = A \oplus B?