Polární rozklad
Polární rozklad je rozklad reálné (respektive komplexní) čtvercové matice na součin symetrické (respektive hermitovské) pozitivně semidefinitní matice a matice ortogonální (respektive unitární).
Reálný případ
Uvažujme a její singulární rozklad
kde matice a jsou ortogonální a matice je diagonální s nezápornými čísly na diagonále tak, že platí
Vložením šikovně rozepsané jednotkové matice, , na vhodné místo do singulárního rozkladu, získáme hledaný polární rozklad. Možnosti jsou dvě, buď
kde
je symetrická pozitivně semidefinitní (je-li , tj. je-li regulární, pak je symetrická pozitivně definitní) a
je ortogonální. Případně
kde
je opět symetrická pozitivně (semi)definitní.
Komplexní případ
Zcela analogicky uvažujme a její singulární rozklad
kde matice a jsou unitární a matice je diagonální s nezápornými čísly na diagonále tak, že platí
Polární rozklad lze opět vyjádřit dvěma způsoby, buď
kde
je hermitovská pozitivně semidefinitní (je-li , tj. je-li regulární, pak je hermitovská pozitivně definitní) a
je unitární. Případně
kde
je opět hermitovská pozitivně (semi)definitní.
Rozšíření na obdélníkový případ
Je-li matice obdélníková, () a , matice má tedy více sloupců než řádků, lze ji, zcela analogickým postupem jako v předchozích případech zapsat jako součin
kde je symetrická (hermitovská) pozitivně (semi)definitní a matice má ortonormální řádky.
Pokud je , tedy matice má více sloupců než řádků, lze ji zapsat jako součin
kde je symetrická (hermitovská) pozitivně (semi)definitní a matice má ortonormální sloupce.
Matice , respektive je regulární, pokud má matice má lineárně nezávislé řádky, respektive sloupce.
Maticové identity
Následující vztahy uvádíme pouze pro komplexní případ, reálný případ je zcela analogický.
Obecně, je-li matice čtvercová, nebo obdélníková s více sloupci než řádky, platí
Je-li matice čtvercová, nebo obdélníková s více řádky než sloupci, platí
Viz definici odmocniny z matice.
Rozklady
představují zároveň Schurovy i Jordanovy rozklady matic a .
Singulární čísla , matice tedy představují vlastní čísla matic a .
Aplikace
Polární rozklad (reálné čtvercové regulární matice) nachází uplatnění zejména v klasické mechanice, kde slouží, v maticovém popisu, k oddělení deformace tělesa (reprezentované symetrickou pozitivně definitní maticí) od pohybu tuhého tělesa, přesněji změny souřadného systému (reprezentované ortogonální maticí).
Související články
Literatura
- J. Duintjer Tebbens, I. Hnětynková, M. Plešinger, Z. Strakoš, P. Tichý: Analýza metod pro maticové výpočty, základní metody. Matfyzpress 2012. ISBN 978-80-7378-201-6. (Kapitola 5.8, Polární rozklad a exponenciální tvar čtvercové matice, str. 142-143)
- M. Fiedler: Speciální matice a jejich užití v numerické matematice. SNTL, Státní nakladatelství technické literatury, edice TKI, Teoretická knižnice inženýra, 1981. (Věta 2.29, str. 63)